油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置，由多個探頭氣室與一臺紅外光電信號解調儀構成，探頭氣室兩端分別通過光纖與紅外光電信號解調儀相連接，光纖長度可達數千米，可以實現大氛圍區域內多點危險泄漏氣體現場、在線監測。該系統裝置基于光纖器件實現差分光譜的獲取，實現了甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及異戊烷5種氣體成分的同時監測，有效解決了可調諧半導體激光器紅外吸收光譜技術應用于油氣開采、儲運行業中危險泄漏氣體檢測時的技術困難，充分發揮出其技術優點，為該行業危險泄漏氣體的監測提供了有效、可靠的新一代技術手段。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及油氣開采、儲運過程中危險泄漏氣體的光纖傳感監測領域，是一種基于可調諧半導體激光器吸收光譜技術以及差分光譜方法的多氣體光纖傳感系統裝置。
技術介紹
當前，我國能源需求快速增長，同時，油氣資源在我國能源消耗中所占的比重也逐年提高。因此，油氣資源開采、儲運的安全是我國可持續發展的重要保障。由于油氣資源開采、儲運過程中涉及大量易燃易爆危險揮發氣體(如甲烷、乙烯、乙炔、異戊烷等)，并且相關開采工藝、設備運行復雜，因而存在各種發生危險氣體泄漏的潛在風險。一旦發生泄漏則會導致火災、爆炸或污染等災難性事故，造成重大生命財產損失。因此在油氣資源開采、儲運行業中，對危險泄漏氣體進行現場、實時監測是油氣資源生產活動得以安全進行的基本保障措施。油氣開采與儲運行業中所采用的傳統的氣體傳感器主要有催化燃燒式、熱傳導式、半導體式、電化學式等。但是，其檢測范圍較窄，系統穩定性差，并且可能與其它雜質氣體發生反應，造成測量結果的嚴重偏差。近年來，利用氣體吸收光譜特性的紅外吸收光譜技術被廣泛應用于氣體檢測中，特別是基于可調諧半導激光器的紅外吸收光譜技術，因為其光譜分辨率高、可調諧半導體激光器光源可靠性高以及氣體探測靈敏度高等優點，非常適用于痕量氣體成分的分析檢測。然而，由于油氣開采、儲運行業中所涉及危險氣體種類繁多、成分復雜，且有的氣體成分并無分立特征吸收峰，而是表現出較寬的吸收光譜帶，給相應氣體的定量分析帶來困難。由于上述事實，目前可調諧半導體激光器紅外吸收光譜技術在我國油氣開采與儲運行業中的應用還較少，尚缺乏基于該技術并可實現油氣開采與儲運行業中危險泄漏氣體現場監測的系統裝置，不利于該技術在油氣開采與儲運行業中危險泄漏氣體監測領域的應用和推廣。
技術實現思路
在油氣開采與儲運行業中，甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及異戊烷是常見易泄漏的易燃易爆氣體。甲烷、乙烯與乙炔氣體的吸收光譜中存在明顯且分立的特征吸收峰，可以通過計算光譜中吸收峰峰值與光譜背景值的比值即可計算反演處相應氣體的濃度。然而，丙烷與異戊烷的吸收光譜往往在整個可調諧半導體激光器波長掃描范圍內均表現出明顯的吸收，并無分立的特征吸收峰，這給相應氣體濃度的計算反演帶來了困難，使得傳統系統裝置無法實現對丙烷與異戊烷的檢測，從而無法應用到油氣開采與儲運行業中。為了發揮可調諧半導體激光器紅外吸收光譜技術對危險泄漏氣體進行檢測的技術優勢，推動該技術在油氣開采、儲運行業中的廣泛應用，本專利技術提出一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置。該裝置集成多支可調諧半導體激光器與紅外光電探測器，并基于光纖器件實現差分光譜的獲取，實現了甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及異戊烷5種氣體成分的同時監測。該系統裝置不但可以對具有分立特征吸收峰的甲烷、乙烯、和乙炔氣體進行精確定量檢測，還可以實現對具有寬吸收光譜波段的丙烷和異戊烷實現精確定量檢測。該種裝置有效解決可調諧半導體激光器紅外吸收光譜技術應用于油氣開采、儲運行業中危險泄漏氣體檢測時的技術困難，充分發揮出其技術優點，為該行業危險泄漏氣體的監測提供了有效、可靠的新一代技術手段。本專利技術采用的技術方案如下：一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置，其特征在于：包括紅外光電信號解調儀以及多個(可達到六個以上)分別安裝在氣體監測點構成危險泄漏氣體的監測網絡的探頭氣室，所有探頭氣室兩端分別通過光纖與光電信號解調儀連接，光纖長度達數千米，可以實現大氛圍區域內多點危險泄漏氣體現場、在線監測；所述的探頭氣室上開有銅制粉末冶金透氣窗口，可以有效過濾粉塵并正常透過氣體分子，氣體通過擴散的方式進入到氣室內部，探頭氣室內封裝有赫里奧特氣體吸收池，吸收池內設有可以實現探測光多次反射的球面鏡；所述的紅外光電信號解調儀內集成有多支可調諧半導體激光器，所述的多支可調諧半導體激光器為中的一支可調諧半導體激光器輸出的光束作為參考光束，其余可調諧半導體激光器輸出波長與擬監測氣體的種類一一對應，多支可調諧半導體激光器出射的紅外探測光束經過光纖傳輸至危險泄漏氣體監測點處，并從探頭氣室的其中一端入射進入赫里奧特氣體吸收池，紅外探測光束在吸收池內經過兩球面鏡的多次反射后從探頭氣室另一端出射，并經光纖繼續傳輸回到紅外光電信號解調儀，紅外光電信號解調儀實現紅外激光探測光束的出射與接收，進而實現對擬監測氣體的紅外吸收光譜相應光信號的轉換與分析，最終實現氣體濃度的計算、顯示以及超限報警。紅外光電信號解調儀內還集成有波分復用器、分束器、光纖、解波分復用器、紅外光電探測器、紅外光電探測器數據采集電路、電源、微控制器、激光器驅動電路、激光器溫度控制電路、溫度傳感芯片、壓力傳感芯片以及顯示報警模塊。電源為整個系統裝置中各電路、芯片以及模塊進行供電。微控制器在電源的供電下，與紅外光電探測器數據采集電路、激光器驅動電路、激光器溫度控制電路、溫度傳感芯片、壓力傳感芯片以及顯示報警模塊連接并進行實時通信。所述的多支可調諧半導體激光器為6支可調諧半導體激光器，在所述的6支可調諧半導體激光器中，一支可調諧半導體激光器輸出的光束作為參考光束，其中心波長為1532nm，在系統裝置的工作環境中不存在任何氣體對該波長具有吸收效應；其余可調諧半導體激光器輸出波長與擬監測氣體的種類一一對應，其中，中心波長為1653.7nm的光束對甲烷進行檢測，中心波長為1621nm的光束對乙烯進行檢測，中心波長為1529nm的光束對乙炔進行檢測，中心波長為1684nm的光束對丙烷進行檢測，中心波長為1700nm的光束對異戊烷進行檢測。微控制器控制激光器驅動電路為可調諧半導體激光器加載掃描電流，驅動可調諧半導體激光器輸出紅外激光光束并通過光纖進行傳送。激光器溫度控制電路實時感知可調諧半導體激光器工作時的溫度，并給予反饋控制，以防止可調諧半導體激光器輸出波長的漂移。6支可調諧半導體激光器同時輸出不同波長的紅外探測激光束，所述的不同波長光束經過波分復用器被耦合進入同一光纖并傳送至分束器。一根光纖內的光束經過分束器后被分成多路，并在多路光纖中繼續傳送，其中被分成光路的數量與危險泄漏氣體監測點的數量一致，每一光路中都由多波長光束進行傳送，并到達危險泄漏氣體監測點處的探頭氣室。光束在探頭氣室內經過多次反射后從其中出射，并繼續在相應光路光纖中傳送至紅外光電信號解調儀內的解波分復用器。與各個氣室探頭相對應的每一路光纖與相應解波分復用器相連接，所述每一路光纖內傳送的光束按照波長被解波分復用器分解成多路光纖，所述分解后的每一路光線中只含有一種波長的光束在傳送，此時，每一路光纖中傳送的光束都具有特定波長，并且除了參考波長光束外，都攜帶有特定探頭氣室所對應氣體的濃度信息。所述每一路光纖中的光束最終照射到紅外光電探測器的光敏面上，并引起光電流。光電流注入到紅外光電探測器數據采集電路內，經過去噪、放大以及模數轉換后發送給微控制器，由微控制器對其進行分析處理。微控制器將計算得到的各種氣體濃度值發送給顯示報警模塊用于顯示，并在濃度超限時予以報警。溫度傳感芯片與壓力傳感芯片實時獲取系統裝置工作環境的溫度和壓力，并傳送給微控制器，作為氣體濃度反演計算的溫度、壓力補償，保證了氣體濃度計算誤差低于滿量程的5％。油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置的有益效果是：(1)系統裝置本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置，其特征在于：包括紅外光電信號解調儀以及多個分別安裝在氣體監測點構成危險泄漏氣體的監測網絡的探頭氣室，所有探頭氣室兩端分別通過光纖與光電信號解調儀連接，光纖長度達數千米，可以實現大氛圍區域內多點危險泄漏氣體現場、在線監測；所述的探頭氣室上開有銅制粉末冶金透氣窗口，探頭氣室內封裝有赫里奧特氣體吸收池，吸收池內設有可以實現探測光多次反射的球面鏡；所述的紅外光電信號解調儀內集成有多支可調諧半導體激光器，所述的多支可調諧半導體激光器為中的一支可調諧半導體激光器輸出的光束作為參考光束，其余可調諧半導體激光器輸出波長與擬監測氣體的種類一一對應，多支可調諧半導體激光器出射的紅外探測光束經過光纖傳輸至危險泄漏氣體監測點處，并從探頭氣室的其中一端入射進入赫里奧特氣體吸收池，紅外探測光束在吸收池內經過兩球面鏡的多次反射后從探頭氣室另一端出射，并經光纖繼續傳輸回到紅外光電信號解調儀，紅外光電信號解調儀實現紅外激光探測光束的出射與接收，進而實現對擬監測氣體的紅外吸收光譜相應光信號的轉換與分析，最終實現擬監測氣體濃度的計算、顯示以及超限報警。

【技術特征摘要】
1.一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置，其特征在于：包括紅外光電信號解調儀以及多個分別安裝在氣體監測點構成危險泄漏氣體的監測網絡的探頭氣室，所有探頭氣室兩端分別通過光纖與光電信號解調儀連接，光纖長度達數千米，可以實現大氛圍區域內多點危險泄漏氣體現場、在線監測；所述的探頭氣室上開有銅制粉末冶金透氣窗口，探頭氣室內封裝有赫里奧特氣體吸收池，吸收池內設有可以實現探測光多次反射的球面鏡；所述的紅外光電信號解調儀內集成有多支可調諧半導體激光器，所述的多支可調諧半導體激光器為中的一支可調諧半導體激光器輸出的光束作為參考光束，其余可調諧半導體激光器輸出波長與擬監測氣體的種類一一對應，多支可調諧半導體激光器出射的紅外探測光束經過光纖傳輸至危險泄漏氣體監測點處，并從探頭氣室的其中一端入射進入赫里奧特氣體吸收池，紅外探測光束在吸收池內經過兩球面鏡的多次反射后從探頭氣室另一端出射，并經光纖繼續傳輸回到紅外光電信號解調儀，紅外光電信號解調儀實現紅外激光探測光束的出射與接收，進而實現對擬監測氣體的紅外吸收光譜相應光信號的轉換與分析，最終實現擬監測氣體濃度的計算、顯示以及超限報警。2.根據權利要求1所述的一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置，其特征在于：所述的多支可調諧半導體激光器為6支可調諧半導體激光器，所述的6支可調諧半導體激光器中，作為參考光束的調諧半導體激光器的中心波長為1532nm，在系統裝置的工作環境中不存在任何氣體對該波長具有吸收效應；其余可調諧半導體激光器輸出波長與擬監測氣體的種類一一對應，其中，中心波長為1653.7nm的光束對甲烷進行檢測，中心波長為1621nm的光束對乙烯進行檢測，中心波長為1529nm的光束對乙炔進行檢測，中心波長為1684nm的光束對丙烷進行檢測，中心波長為1700nm的光束對異戊烷進行檢測。3.根據權利要求1所述的一種油氣開采與儲運危險泄漏氣體光纖傳感系統裝置，其特征在于：所述的紅外光電信號解調儀內還集成有波分復用器、分束器、光纖、解波分復用器、紅外光電探測器、紅外...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王寅，魏玉賓，張婷婷，胡杰，李艷芳，趙維崧，張文浩，劉統玉，
申請(專利權)人：山東微感光電子有限公司，丹東中科智安光電科技有限責任公司，
類型：發明
國別省市：山東;37