一種可定位的甲烷泄漏監測系統技術方案

本發明專利技術涉及一種可定位的甲烷泄漏監測系統，包括：寬帶發光光源，傳輸用單模光纖、傳感用長周期光纖光柵(LPG)構成的傳感單元，波長解調模塊。寬帶光源發出的非相干光耦合進入光纖進行傳輸，本發明專利技術可以實現甲烷泄漏的定位，同時具有集成度高，體積小，探測靈敏，本質安全等優點。可用于石油天然氣行業站場或油庫甲烷泄漏監測并且對泄漏點進行定位。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是一種基于長周期光纖光柵（LPG)的分布式可定位甲烷泄漏監測系統，具 有高的檢測靈敏度和響應帶寬，可用于石油化工行業天然氣泄漏監測，并對泄漏點進行定 位。改變LPG的敏感層，可擴展到對氫氣，一氧化碳等氣體濃度的監測。
技術介紹
隨著石油化工行業的高速發展，人們對石油化工行業的認識也逐漸加深，對石油 化工行業所潛在的危險也有了進一步的認識。在石油化工場所，存在著大量的可燃氣體， 這些可燃氣體如果發生泄漏，并且與空氣混合，遇到點火源，則容易引發爆炸事故的發生， 而這些爆炸事故及隨之而來的火災，會帶來無可估量的損失。由于石油化工產品大都具有 易燃易爆性質，一旦泄漏在空氣中，極可能引發巨大的災難，此類事故一旦發生就會給國家 和人民生命財產造成巨大損失，這使得火災預防，氣體濃度監測變得至關重要。在這種情況 下，使用代表著先進技術的各種可燃氣體監測手段，對各種生產及生活設施現場可燃性氣 體泄漏和積聚狀況的及時掌控，成為急待解決的重大課題。目前，石油化工行業中多釆用催化燃燒式或電化學式傳感器，這類傳感器最大的 缺點就是自身帶電，在易燃易爆等特殊環境中應用時存在安全隱患，而且這類傳感器壽 命短、精度低、穩定性差、調校困難，經常存在誤測誤報現象。近年來，針對石油化工易燃 易爆的工作環境特別是油庫灌區及天然氣輸氣站場，開發了激光紅外吸收光譜檢測技術 (TDLAS)。TDLAS的檢測原理是根據物質對不同頻率的電磁波有不同的吸收特征，因此吸收 譜線可作為識別不同氣體分子的"指紋"，根據吸收譜線的位置和強度可以確定分子的成分 和濃度。由于多數有機和無機污染成分在可見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。現有專利技術專利（【申請號】201410541852. 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設備，用與燃氣管道的泄漏檢測，具有高 的檢測精度和檢測實時性，但在汽車無法進入的管道區域則無法實現甲烷的檢測，具有很 大的局限性。分布式TDLAS氣體檢測系統及方法（【申請號】201410206645. 0)，利用TDLAS 技術和光分路裝置實現了多個氣室的分時復用測量。TDLAS技術雖然具有很多優點，如快速 調諧，非接觸測量，響應速度快、高檢測精度和大的檢測范圍。但是，在氣體的吸收路徑上較 難實現分布式測量，不能對泄漏點進行定位。
技術實現思路
本專利技術技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種可定位的甲烷泄漏監測系 統，實現甲烷泄漏的定位，同時具有集成度高，體積小，探測靈敏，安全等優點。 本專利技術技術解決方案：一種可定位的甲烷泄漏監測系統，包括寬帶激光光源 (BBS)、串聯有多個LPG傳感單元的單模光纖、光譜解調系統；寬帶激光光源發出的寬帶光 經過串聯有多個LPG傳感單元的單模光纖進入光譜解調系統；當有甲烷氣體泄漏發生時， LPG傳感單元的包層模式諧振特性將發生變化，由光譜解調系統的計算和處理得到甲烷泄 漏濃度，通過實現標定好的LPG傳感單元序號，對甲烷泄漏位置進行定位。 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。 所述串聯有LPG傳感單元的單模光纖中的LPG傳感單元的間隔根據實際需求長短 可調，在1米到數10米。 在串聯有多個LPG傳感單元的單模光纖處進行氣敏膜涂敷，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行封裝，以適應工程應用需求。 所述LPG傳感單元的包層模式耦合特性將發生變化時，LPG傳感單元的λ波長對 應變的靈敏度7采用下式表達： 0.8 式中，Λ是LPG傳感早兀的周期，ε是應雙，η。。,^分別是纖芯和包層模的折射率， LPG波長隨應變的變化和包層及纖芯的折射率差有關，當外界氣體被光纖吸附時，包層折射 率發生變化，通過探測包層諧振模波長峰值點的移動，即得到LPG傳感單元對應的包層諧 振模式的改變，包層諧振膜的波長移動量反應了待測氣體甲烷泄漏的濃度值C; C=V·ε V是LPG傳感單元的體積， dλ波長變化，dε應變變化。 所述通過實現標定好的LPG傳感單元序號，對甲烷泄漏位置進行定位的過程為： 每個LPG傳感單元對應一個窄帶的波長范圍，為0.lnm，每個LPG傳感單元的波長間距大致 為0. 4nm。同一光源可以攜帶80個LPG傳感單元；在施工時對傳感單元進行標記，以確定 在監測區域的位置；當某一LPG傳感單元處接收到甲烷氣體時，該LPG傳感單元的包層折射 率發生變化導致諧振波長峰值點移動，通過光譜儀即監測得到對應LPG傳感單元，通過對 應LPG傳感單元的標號可得到具體甲烷泄漏的位置。 所述串聯有多個LPG傳感單元的單模光纖為多個，能夠并行輸出，由光譜解調系 統的計算和處理得到泄漏濃度的情況。 所述光譜解調系統僅對LPG傳感單元的波長變化敏感，不受傳感鏈路上信號強度 起伏的影響。 所述光譜解調系統檢測的實時性好，敏感材料和氣體的反應在幾秒鐘內即可造成 LPG反射光譜的包層諧振模式特性變化。 LPG的敏感長度在1cm內，當有小于lmL甲烷氣體泄漏時，即可造成LPG傳感單元 反射光譜的包層諧振模式特性變化，實現高靈敏度探測。 本專利技術具有突出的優點如下： (1)本專利技術可以實現甲烷泄漏的定位，具有簡單的結構，并且通過光纖光柵波長解 調的優點，實現了通一根光纖串聯多LPG的準分布式探測，可以對泄漏點進行定位；同時具 有集成度高，探測靈敏，本質安全等優點，可用于天然氣站場，井口，閥室及長輸管道的泄漏 監測。 (2)本專利技術利用在LPG外層涂敷氣體敏感膜的方式，利用LPG包層模耦合理論，對 待測氣體濃度和氣體吸收位置進行檢測的系統。同比與傳統采用化學敏感材料的FBG應變 傳感技術，可以將氣體傳感靈敏度提高1個數量級。 (3)利用在LPG上涂敷敏感層對甲烷的特異性吸收，僅需少量（~mL)待測甲烷氣 體，即可實現高靈敏度探測。 (4)檢測的實時性好，敏感材料和氣體的反應在幾秒鐘內即可造成LPG反射光譜 的耦合特性變化。 (5)采用波長解調算法，實現不同探測點泄漏氣體的檢測，已補充不受系統鏈路的 強度損耗干擾。 (6)LPG可以在光纜制備過程中串聯于同一根光纖中，每個LPG的間距可根據應用 需求調整，適合長距離遠程控制，同時易于規模化，降低制造成本。 (7)利用光纜中的一根光纖實現待測氣體分布式傳感，解調，節省通信資源。 (8)改變LPG涂敷的敏感材料即可實現對不同氣體的檢測，如氫氣，一氧化碳。【附圖說明】 圖1為LPG模式耦合特性及傳輸光譜圖； 圖2為LPG的包層模式的耦合光譜圖； 圖3為本專利技術待測甲烷氣體和LPG作用的傳感結構示意圖； 圖4為本專利技術LPG傳感器的制備流程圖； 圖5為一種可定位的甲烷泄漏監測系統結構圖； 圖6為基于本專利技術設計思路的天然氣閥室泄漏串聯檢測方案示意圖； 圖7為基于本專利技術設計思路的站場天然氣泄漏檢測方案示意圖。【具體實施方式】 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經過纖芯21 傳輸，經過周期遠大于波長的LPG41傳輸，一部分經全反射從單模光纖81出射，另一部分 進入包層31，成為包層模61、62傳輸，形成低階及高階模式，還有少量的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可定位的甲烷泄漏監測系統，其特征在于：包括寬帶激光光源(BBS)、串聯有多個LPG傳感單元的單模光纖、光譜解調系統；寬帶激光光源發出的寬帶光經過串聯有多個LPG傳感單元的單模光纖進入光譜解調系統；當有甲烷氣體泄漏發生時，LPG傳感單元的包層模式諧振特性將發生變化，由光譜解調系統的計算和處理得到甲烷泄漏濃度，通過實現標定好的LPG傳感單元序號，對甲烷泄漏位置進行定位。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李俊，董鳳忠，羅淵敏，朱莉莎，
申請(專利權)人：安徽中科智泰光電測控科技有限公司，
類型：發明
國別省市：安徽;34