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一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】

[0001] 本發(fā)明是一種基于長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG)的分布式可定位甲烷泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具 有高的檢測(cè)靈敏度和響應(yīng)帶寬，可用于石油化工行業(yè)天然氣泄漏監(jiān)測(cè)，并對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定 位。改變LPG的敏感層，可擴(kuò)展到對(duì)氫氣，一氧化碳等氣體濃度的監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】

[0002] 隨著石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)石油化工行業(yè)的認(rèn)識(shí)也逐漸加深，對(duì)石油 化工行業(yè)所潛在的危險(xiǎn)也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。在石油化工場(chǎng)所，存在著大量的可燃?xì)怏w， 這些可燃?xì)怏w如果發(fā)生泄漏，并且與空氣混合，遇到點(diǎn)火源，則容易引發(fā)爆炸事故的發(fā)生， 而這些爆炸事故及隨之而來(lái)的火災(zāi)，會(huì)帶來(lái)無(wú)可估量的損失。由于石油化工產(chǎn)品大都具有 易燃易爆性質(zhì)，一旦泄漏在空氣中，極可能引發(fā)巨大的災(zāi)難，此類事故一旦發(fā)生就會(huì)給國(guó)家 和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，這使得火災(zāi)預(yù)防，氣體濃度監(jiān)測(cè)變得至關(guān)重要。在這種情況 下，使用代表著先進(jìn)技術(shù)的各種可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)手段，對(duì)各種生產(chǎn)及生活設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)可燃性氣 體泄漏和積聚狀況的及時(shí)掌控，成為急待解決的重大課題。

[0003]目前，石油化工行業(yè)中多釆用催化燃燒式或電化學(xué)式傳感器，這類傳感器最大的 缺點(diǎn)就是自身帶電，在易燃易爆等特殊環(huán)境中應(yīng)用時(shí)存在安全隱患，而且這類傳感器壽 命短、精度低、穩(wěn)定性差、調(diào)校困難，經(jīng)常存在誤測(cè)誤報(bào)現(xiàn)象。近年來(lái)二氧化硫報(bào)警器，針對(duì)石油化工易燃 易爆的工作環(huán)境特別是油庫(kù)灌區(qū)及天然氣輸氣站場(chǎng)，開(kāi)發(fā)了激光紅外吸收光譜檢測(cè)技術(shù) (TDLAS)。TDLAS的檢測(cè)原理是根據(jù)物質(zhì)對(duì)不同頻率的電磁波有不同的吸收特征，因此吸收 譜線可作為識(shí)別不同氣體分子的"指紋"，根據(jù)吸收譜線的位置和強(qiáng)度可以確定分子的成分 和濃度。由于多數(shù)有機(jī)和無(wú)機(jī)污染成分在可見(jiàn)和紅外波段都具有吸收線，利用這些吸收線 可以定量分析各種污染成分。現(xiàn)有發(fā)明專利（【申請(qǐng)?zhí)枴?. 1)，提出了一種基于 TDLAS的多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測(cè)設(shè)備，用與燃?xì)夤艿赖男孤z測(cè)，具有高 的檢測(cè)精度和檢測(cè)實(shí)時(shí)性，但在汽車無(wú)法進(jìn)入的管道區(qū)域則無(wú)法實(shí)現(xiàn)甲烷的檢測(cè)，具有很 大的局限性。分布式TDLAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法（【申請(qǐng)?zhí)枴?. 0)，利用TDLAS 技術(shù)和光分路裝置實(shí)現(xiàn)了多個(gè)氣室的分時(shí)復(fù)用測(cè)量。TDLAS技術(shù)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，如快速 調(diào)諧，非接觸測(cè)量，響應(yīng)速度快、高檢測(cè)精度和大的檢測(cè)范圍。但是，在氣體的吸收路徑上較 難實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，不能對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)甲烷泄漏的定位，同時(shí)具有集成度高，體積小，探測(cè)靈敏甲烷泄露，安全等優(yōu)點(diǎn)。

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括寬帶激光光源 (BBS)、串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖、光譜解調(diào)系統(tǒng)；寬帶激光光源發(fā)出的寬帶光 經(jīng)過(guò)串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖進(jìn)入光譜解調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)有甲烷氣體泄漏發(fā)生時(shí)， LPG傳感單元的包層模式諧振特性將發(fā)生變化，由光譜解調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算和處理得到甲烷泄 漏濃度，通過(guò)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定好的LPG傳感單元序號(hào)甲烷泄露，對(duì)甲烷泄漏位置進(jìn)行定位。

[0006] 所述寬帶激光光源（BBS)的帶寬為40nm以上，以增加攜帶LPG傳感單元的能力。

[0007] 所述串聯(lián)有LPG傳感單元的單模光纖中的LPG傳感單元的間隔根據(jù)實(shí)際需求長(zhǎng)短 可調(diào)，在1米到數(shù)10米。

[0008] 在串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖處進(jìn)行氣敏膜涂敷，采用磁控濺射或等離 子體鍍膜方式，將鍍好膜的LPG傳感單元采用不銹鋼套管進(jìn)行封裝，以適應(yīng)工程應(yīng)用需求。

[0009] 所述LPG傳感單元的包層模式耦合特性將發(fā)生變化時(shí)，LPG傳感單元的λ波長(zhǎng)對(duì) 應(yīng)變的靈敏度7采用下式表達(dá)： 0.8

[0010]

[0011] 式中，Λ是LPG傳感早兀的周期，ε是應(yīng)雙，η。。,^分別是纖芯和包層模的折射率， LPG波長(zhǎng)隨應(yīng)變的變化和包層及纖芯的折射率差有關(guān)，當(dāng)外界氣體被光纖吸附時(shí)，包層折射 率發(fā)生變化，通過(guò)探測(cè)包層諧振模波長(zhǎng)峰值點(diǎn)的移動(dòng)，即得到LPG傳感單元對(duì)應(yīng)的包層諧 振模式的改變，包層諧振膜的波長(zhǎng)移動(dòng)量反應(yīng)了待測(cè)氣體甲烷泄漏的濃度值C;

[0012] C=V·ε

[0013] V是LPG傳感單元的體積，

[0014] dλ波長(zhǎng)變化，dε應(yīng)變變化。

[0015] 所述通過(guò)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定好的LPG傳感單元序號(hào)液化氣檢測(cè)儀，對(duì)甲烷泄漏位置進(jìn)行定位的過(guò)程為： 每個(gè)LPG傳感單元對(duì)應(yīng)一個(gè)窄帶的波長(zhǎng)范圍，為0.lnm，每個(gè)LPG傳感單元的波長(zhǎng)間距大致 為0. 4nm。同一光源可以攜帶80個(gè)LPG傳感單元；在施工時(shí)對(duì)傳感單元進(jìn)行標(biāo)記，以確定 在監(jiān)測(cè)區(qū)域的位置；當(dāng)某一LPG傳感單元處接收到甲烷氣體時(shí)，該LPG傳感單元的包層折射 率發(fā)生變化導(dǎo)致諧振波長(zhǎng)峰值點(diǎn)移動(dòng)，通過(guò)光譜儀即監(jiān)測(cè)得到對(duì)應(yīng)LPG傳感單元，通過(guò)對(duì) 應(yīng)LPG傳感單元的標(biāo)號(hào)可得到具體甲烷泄漏的位置。

[0016] 所述串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖為多個(gè)，能夠并行輸出甲烷泄露，由光譜解調(diào)系 統(tǒng)的計(jì)算和處理得到泄漏濃度的情況。

[0017] 所述光譜解調(diào)系統(tǒng)僅對(duì)LPG傳感單元的波長(zhǎng)變化敏感，不受傳感鏈路上信號(hào)強(qiáng)度 起伏的影響。

[0018] 所述光譜解調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性好，敏感材料和氣體的反應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)即可造成 LPG反射光譜的包層諧振模式特性變化。

[0019] LPG的敏感長(zhǎng)度在1cm內(nèi)，當(dāng)有小于lmL甲烷氣體泄漏時(shí)，即可造成LPG傳感單元 反射光譜的包層諧振模式特性變化，實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)。

[0020] 本發(fā)明具有突出的優(yōu)點(diǎn)如下：

[0021] (1)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)甲烷泄漏的定位，具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)光纖光柵波長(zhǎng)解 調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通一根光纖串聯(lián)多LPG的準(zhǔn)分布式探測(cè)，可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位；同時(shí)具 有集成度高，探測(cè)靈敏，本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，可用于天然氣站場(chǎng)，井口，閥室及長(zhǎng)輸管道的泄漏 監(jiān)測(cè)。

[0022] (2)本發(fā)明利用在LPG外層涂敷氣體敏感膜的方式，利用LPG包層模耦合理論，對(duì) 待測(cè)氣體濃度和氣體吸收位置進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。同比與傳統(tǒng)采用化學(xué)敏感材料的FBG應(yīng)變 傳感技術(shù)，可以將氣體傳感靈敏度提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。

[0023] (3)利用在LPG上涂敷敏感層對(duì)甲烷的特異性吸收，僅需少量（~mL)待測(cè)甲烷氣 體，即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)。

[0024] (4)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性好，敏感材料和氣體的反應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)即可造成LPG反射光譜 的耦合特性變化。

[0025] (5)采用波長(zhǎng)解調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)點(diǎn)泄漏氣體的檢測(cè)，已補(bǔ)充不受系統(tǒng)鏈路的 強(qiáng)度損耗干擾。

[0026] (6)LPG可以在光纜制備過(guò)程中串聯(lián)于同一根光纖中，每個(gè)LPG的間距可根據(jù)應(yīng)用 需求調(diào)整，適合長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制，同時(shí)易于規(guī)?；档椭圃斐杀?。

[0027] (7)利用光纜中的一根光纖實(shí)現(xiàn)待測(cè)氣體分布式傳感，解調(diào)，節(jié)省通信資源。

[0028] (8)改變LPG涂敷的敏感材料即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的檢測(cè)，如氫氣，一氧化碳。

【附圖說(shuō)明】

[0029] 圖1為L(zhǎng)PG模式耦合特性及傳輸光譜圖；

[0030] 圖2為L(zhǎng)PG的包層模式的耦合光譜圖；

[0031] 圖3為本發(fā)明待測(cè)甲烷氣體和LPG作用的傳感結(jié)構(gòu)示意圖；

[0032] 圖4為本發(fā)明LPG傳感器的制備流程圖；

[0033] 圖5為一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

[0034] 圖6為基于本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的天然氣閥室泄漏串聯(lián)檢測(cè)方案示意圖；

[0035] 圖7為基于本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的站場(chǎng)天然氣泄漏檢測(cè)方案示意圖。

【具體實(shí)施方式】

[0036] 如圖1所示，LPG模式耦合特性及光譜圖，寬帶激光光源（BBS)光11經(jīng)過(guò)纖芯21 傳輸，經(jīng)過(guò)周期遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的LPG41傳輸，一部分經(jīng)全反射從單模光纖81出射，另一部分 進(jìn)入包層31，成為包層模61、62傳輸，形成低階及高階模式，還有少量的光71從包層溢出光 纖。

[0037] 如圖2所示，圖2為采用光譜解調(diào)系統(tǒng)測(cè)得的LPG傳感單元

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