一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明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(jiān)測系統(tǒng)，具 有高的檢測靈敏度和響應帶寬，可用于石油化工行業(yè)天然氣泄漏監(jiān)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(jiān)測。
【背景技術】
[0002] 隨著石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，人們對石油化工行業(yè)的認識也逐漸加深，對石油 化工行業(yè)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(fā)生泄漏，并且與空氣混合，遇到點火源，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(fā)巨大的災難，此類事故一旦發(fā)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(jiān)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(jiān)測手段，對各種生產及生活設施現(xiàn)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。
[0003]目前，石油化工行業(yè)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(huán)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(wěn)定性差、調校困難，經常存在誤測誤報現(xiàn)象。近年來，針對石油化工易燃 易爆的工作環(huán)境特別是油庫灌區(qū)及天然氣輸氣站場，開發(fā)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(shù)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(xiàn)有發(fā)明專利（【申請?zhí)枴?01410541852. 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(qū)域則無法實現(xiàn)甲烷的檢測，具有很 大的局限性。分布式TDLAS氣體檢測系統(tǒng)及方法（【申請?zhí)枴?01410206645. 0)，利用TDLAS 技術和光分路裝置實現(xiàn)了多個氣室的分時復用測量。TDLAS技術雖然具有很多優(yōu)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(xiàn)分布式測量，不能對泄漏點進行定位。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系 統(tǒng)，實現(xiàn)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(yōu)點。
[0005] 本發(fā)明技術解決方案：一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，包括寬帶激光光源 (BBS)、串聯(lián)有多個LPG傳感單元的單模光纖、光譜解調系統(tǒng)；寬帶激光光源發(fā)出的寬帶光 經過串聯(lián)有多個LPG傳感單元的單模光纖進入光譜解調系統(tǒng)；當有甲烷氣體泄漏發(fā)生時， LPG傳感單元的包層模式諧振特性將發(fā)生變化，由光譜解調系統(tǒng)的計算和處理得到甲烷泄 漏濃度，通過實現(xiàn)標定好的LPG傳感單元序號，對甲烷泄漏位置進行定位。
[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實際需求長短 可調，在1米到數(shù)10米。
[0008] 在串聯(lián)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。
[0009] 所述LPG傳感單元的包層模式耦合特性將發(fā)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
[0010]
[0011] 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(fā)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;
[0012] C=V·ε
[0013] V是LPG傳感單元的體積，
[0014] dλ波長變化，dε應變變化。
[0015] 所述通過實現(xiàn)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(jiān)測區(qū)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(fā)生變化導致諧振波長峰值點移動，通過光譜儀即監(jiān)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。
[0016] 所述串聯(lián)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(tǒng)的計算和處理得到泄漏濃度的情況。
[0017] 所述光譜解調系統(tǒng)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。
[0018] 所述光譜解調系統(tǒng)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。
[0019] 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(xiàn)高靈敏度探測。
[0020] 本發(fā)明具有突出的優(yōu)點如下：
[0021] (1)本發(fā)明可以實現(xiàn)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(yōu)點，實現(xiàn)了通一根光纖串聯(lián)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(yōu)點，可用于天然氣站場，井口，閥室及長輸管道的泄漏 監(jiān)測。
[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 待測氣體濃度和氣體吸收位置進行檢測的系統(tǒng)。同比與傳統(tǒng)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(shù)量級。
[0023] (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(xiàn)高靈敏度探測。
[0024] (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。
[0025] (5)采用波長解調算法，實現(xiàn)不同探測點泄漏氣體的檢測，已補充不受系統(tǒng)鏈路的 強度損耗干擾。
[0026] (6)LPG可以在光纜制備過程中串聯(lián)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(guī)?；?，降低制造成本。
[0027] (7)利用光纜中的一根光纖實現(xiàn)待測氣體分布式傳感，解調，節(jié)省通信資源。
[0028] (8)改變LPG涂敷的敏感材料即可實現(xiàn)對不同氣體的檢測，如氫氣，一氧化碳。
【附圖說明】
[0029] 圖1為LPG模式耦合特性及傳輸光譜圖；
[0030] 圖2為LPG的包層模式的耦合光譜圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明待測甲烷氣體和LPG作用的傳感結構示意圖；
[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)測系統(tǒng)結構圖；
[0034] 圖6為基于本發(fā)明設計思路的天然氣閥室泄漏串聯(lián)檢測方案示意圖；
[0035] 圖7為基于本發(fā)明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】
[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，還有少量的光71從包層溢出光 纖。
[0037] 如圖2所示，圖2為采用光譜解調系統(tǒng)測得的LPG傳感單元