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一种可定位的甲烷泄漏监测系统的制作方法

【技术领域】

[0001] 本发明是一种基于长周期光纤光栅（LPG)的分布式可定位甲烷泄漏监测系统，具 有高的检测灵敏度和响应带宽，可用于石油化工行业天然气泄漏监测，并对泄漏点进行定 位。改变LPG的敏感层，可扩展到对氢气，一氧化碳等气体浓度的监测。

【背景技术】

[0002] 随着石油化工行业的高速发展，人们对石油化工行业的认识也逐渐加深，对石油 化工行业所潜在的危险也有了进一步的认识。在石油化工场所，存在着大量的可燃气体， 这些可燃气体如果发生泄漏，并且与空气混合，遇到点火源，则容易引发爆炸事故的发生， 而这些爆炸事故及随之而来的火灾，会带来无可估量的损失。由于石油化工产品大都具有 易燃易爆性质，一旦泄漏在空气中，极可能引发巨大的灾难，此类事故一旦发生就会给国家 和人民生命财产造成巨大损失，这使得火灾预防，气体浓度监测变得至关重要。在这种情况 下，使用代表着先进技术的各种可燃气体监测手段，对各种生产及生活设施现场可燃性气 体泄漏和积聚状况的及时掌控，成为急待解决的重大课题。

[0003]目前，石油化工行业中多釆用催化燃烧式或电化学式传感器，这类传感器最大的 缺点就是自身带电，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，而且这类传感器寿 命短、精度低、稳定性差、调校困难，经常存在误测误报现象。近年来二氧化硫报警器，针对石油化工易燃 易爆的工作环境特别是油库灌区及天然气输气站场，开发了激光红外吸收光谱检测技术 (TDLAS)。TDLAS的检测原理是根据物质对不同频率的电磁波有不同的吸收特征，因此吸收 谱线可作为识别不同气体分子的"指纹"，根据吸收谱线的位置和强度可以确定分子的成分 和浓度。由于多数有机和无机污染成分在可见和红外波段都具有吸收线，利用这些吸收线 可以定量分析各种污染成分。现有发明专利（【申请号】2. 1)，提出了一种基于 TDLAS的多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，用与燃气管道的泄漏检测，具有高 的检测精度和检测实时性，但在汽车无法进入的管道区域则无法实现甲烷的检测，具有很 大的局限性。分布式TDLAS气体检测系统及方法（【申请号】2. 0)，利用TDLAS 技术和光分路装置实现了多个气室的分时复用测量。TDLAS技术虽然具有很多优点，如快速 调谐，非接触测量，响应速度快、高检测精度和大的检测范围。但是，在气体的吸收路径上较 难实现分布式测量，不能对泄漏点进行定位。

【发明内容】

[0004] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可定位的甲烷泄漏监测系 统，实现甲烷泄漏的定位，同时具有集成度高，体积小，探测灵敏甲烷泄露，安全等优点。

[0005] 本发明技术解决方案：一种可定位的甲烷泄漏监测系统，包括宽带激光光源 (BBS)、串联有多个LPG传感单元的单模光纤、光谱解调系统；宽带激光光源发出的宽带光 经过串联有多个LPG传感单元的单模光纤进入光谱解调系统；当有甲烷气体泄漏发生时， LPG传感单元的包层模式谐振特性将发生变化，由光谱解调系统的计算和处理得到甲烷泄 漏浓度，通过实现标定好的LPG传感单元序号甲烷泄露，对甲烷泄漏位置进行定位。

[0006] 所述宽带激光光源（BBS)的带宽为40nm以上，以增加携带LPG传感单元的能力。

[0007] 所述串联有LPG传感单元的单模光纤中的LPG传感单元的间隔根据实际需求长短 可调，在1米到数10米。

[0008] 在串联有多个LPG传感单元的单模光纤处进行气敏膜涂敷，采用磁控溅射或等离 子体镀膜方式，将镀好膜的LPG传感单元采用不锈钢套管进行封装，以适应工程应用需求。

[0009] 所述LPG传感单元的包层模式耦合特性将发生变化时，LPG传感单元的λ波长对 应变的灵敏度7采用下式表达： 0.8

[0010]

[0011] 式中，Λ是LPG传感早兀的周期，ε是应雙，η。。,^分别是纤芯和包层模的折射率， LPG波长随应变的变化和包层及纤芯的折射率差有关，当外界气体被光纤吸附时，包层折射 率发生变化，通过探测包层谐振模波长峰值点的移动，即得到LPG传感单元对应的包层谐 振模式的改变，包层谐振膜的波长移动量反应了待测气体甲烷泄漏的浓度值C;

[0012] C=V·ε

[0013] V是LPG传感单元的体积，

[0014] dλ波长变化，dε应变变化。

[0015] 所述通过实现标定好的LPG传感单元序号液化气检测仪，对甲烷泄漏位置进行定位的过程为： 每个LPG传感单元对应一个窄带的波长范围，为0.lnm，每个LPG传感单元的波长间距大致 为0. 4nm。同一光源可以携带80个LPG传感单元；在施工时对传感单元进行标记，以确定 在监测区域的位置；当某一LPG传感单元处接收到甲烷气体时，该LPG传感单元的包层折射 率发生变化导致谐振波长峰值点移动，通过光谱仪即监测得到对应LPG传感单元，通过对 应LPG传感单元的标号可得到具体甲烷泄漏的位置。

[0016] 所述串联有多个LPG传感单元的单模光纤为多个，能够并行输出甲烷泄露，由光谱解调系 统的计算和处理得到泄漏浓度的情况。

[0017] 所述光谱解调系统仅对LPG传感单元的波长变化敏感，不受传感链路上信号强度 起伏的影响。

[0018] 所述光谱解调系统检测的实时性好，敏感材料和气体的反应在几秒钟内即可造成 LPG反射光谱的包层谐振模式特性变化。

[0019] LPG的敏感长度在1cm内，当有小于lmL甲烷气体泄漏时，即可造成LPG传感单元 反射光谱的包层谐振模式特性变化，实现高灵敏度探测。

[0020] 本发明具有突出的优点如下：

[0021] (1)本发明可以实现甲烷泄漏的定位，具有简单的结构，并且通过光纤光栅波长解 调的优点，实现了通一根光纤串联多LPG的准分布式探测，可以对泄漏点进行定位；同时具 有集成度高，探测灵敏，本质安全等优点，可用于天然气站场，井口，阀室及长输管道的泄漏 监测。

[0022] (2)本发明利用在LPG外层涂敷气体敏感膜的方式，利用LPG包层模耦合理论，对 待测气体浓度和气体吸收位置进行检测的系统。同比与传统采用化学敏感材料的FBG应变 传感技术，可以将气体传感灵敏度提高1个数量级。

[0023] (3)利用在LPG上涂敷敏感层对甲烷的特异性吸收，仅需少量（~mL)待测甲烷气 体，即可实现高灵敏度探测。

[0024] (4)检测的实时性好，敏感材料和气体的反应在几秒钟内即可造成LPG反射光谱 的耦合特性变化。

[0025] (5)采用波长解调算法，实现不同探测点泄漏气体的检测，已补充不受系统链路的 强度损耗干扰。

[0026] (6)LPG可以在光缆制备过程中串联于同一根光纤中，每个LPG的间距可根据应用 需求调整，适合长距离远程控制，同时易于规模化，降低制造成本。

[0027] (7)利用光缆中的一根光纤实现待测气体分布式传感，解调，节省通信资源。

[0028] (8)改变LPG涂敷的敏感材料即可实现对不同气体的检测，如氢气，一氧化碳。

【附图说明】

[0029] 图1为LPG模式耦合特性及传输光谱图；

[0030] 图2为LPG的包层模式的耦合光谱图；

[0031] 图3为本发明待测甲烷气体和LPG作用的传感结构示意图；

[0032] 图4为本发明LPG传感器的制备流程图；

[0033] 图5为一种可定位的甲烷泄漏监测系统结构图；

[0034] 图6为基于本发明设计思路的天然气阀室泄漏串联检测方案示意图；

[0035] 图7为基于本发明设计思路的站场天然气泄漏检测方案示意图。

【具体实施方式】

[0036] 如图1所示，LPG模式耦合特性及光谱图，宽带激光光源（BBS)光11经过纤芯21 传输，经过周期远大于波长的LPG41传输，一部分经全反射从单模光纤81出射，另一部分 进入包层31，成为包层模61、62传输，形成低阶及高阶模式，还有少量的光71从包层溢出光 纤。

[0037] 如图2所示，图2为采用光谱解调系统测得的LPG传感单元

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