油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，由多个探头气室与一台红外光电信号解调仪构成，探头气室两端分别通过光纤与红外光电信号解调仪相连接，光纤长度可达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测。该系统装置基于光纤器件实现差分光谱的获取，实现了甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷5种气体成分的同时监测，有效解决了可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术应用于油气开采、储运行业中危险泄漏气体检测时的技术困难，充分发挥出其技术优点，为该行业危险泄漏气体的监测提供了有效、可靠的新一代技术手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及油气开采、储运过程中危险泄漏气体的光纤传感监测领域，是一种基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术以及差分光谱方法的多气体光纤传感系统装置。
技术介绍
当前，我国能源需求快速增长，同时，油气资源在我国能源消耗中所占的比重也逐年提高。因此，油气资源开采、储运的安全是我国可持续发展的重要保障。由于油气资源开采、储运过程中涉及大量易燃易爆危险挥发气体(如甲烷、乙烯、乙炔、异戊烷等)，并且相关开采工艺、设备运行复杂，因而存在各种发生危险气体泄漏的潜在风险。一旦发生泄漏则会导致火灾、爆炸或污染等灾难性事故，造成重大生命财产损失。因此在油气资源开采、储运行业中，对危险泄漏气体进行现场、实时监测是油气资源生产活动得以安全进行的基本保障措施。油气开采与储运行业中所采用的传统的气体传感器主要有催化燃烧式、热传导式、半导体式、电化学式等。但是，其检测范围较窄，系统稳定性差，并且可能与其它杂质气体发生反应，造成测量结果的严重偏差。近年来，利用气体吸收光谱特性的红外吸收光谱技术被广泛应用于气体检测中，特别是基于可调谐半导激光器的红外吸收光谱技术，因为其光谱分辨率高、可调谐半导体激光器光源可靠性高以及气体探测灵敏度高等优点，非常适用于痕量气体成分的分析检测。然而，由于油气开采、储运行业中所涉及危险气体种类繁多、成分复杂，且有的气体成分并无分立特征吸收峰，而是表现出较宽的吸收光谱带，给相应气体的定量分析带来困难。由于上述事实，目前可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术在我国油气开采与储运行业中的应用还较少，尚缺乏基于该技术并可实现油气开采与储运行业中危险泄漏气体现场监测的系统装置，不利于该技术在油气开采与储运行业中危险泄漏气体监测领域的应用和推广。
技术实现思路
在油气开采与储运行业中，甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷是常见易泄漏的易燃易爆气体。甲烷、乙烯与乙炔气体的吸收光谱中存在明显且分立的特征吸收峰，可以通过计算光谱中吸收峰峰值与光谱背景值的比值即可计算反演处相应气体的浓度。然而，丙烷与异戊烷的吸收光谱往往在整个可调谐半导体激光器波长扫描范围内均表现出明显的吸收，并无分立的特征吸收峰，这给相应气体浓度的计算反演带来了困难，使得传统系统装置无法实现对丙烷与异戊烷的检测，从而无法应用到油气开采与储运行业中。为了发挥可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术对危险泄漏气体进行检测的技术优势，推动该技术在油气开采、储运行业中的广泛应用，本专利技术提出一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置。该装置集成多支可调谐半导体激光器与红外光电探测器，并基于光纤器件实现差分光谱的获取，实现了甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及异戊烷5种气体成分的同时监测。该系统装置不但可以对具有分立特征吸收峰的甲烷、乙烯、和乙炔气体进行精确定量检测，还可以实现对具有宽吸收光谱波段的丙烷和异戊烷实现精确定量检测。该种装置有效解决可调谐半导体激光器红外吸收光谱技术应用于油气开采、储运行业中危险泄漏气体检测时的技术困难，充分发挥出其技术优点，为该行业危险泄漏气体的监测提供了有效、可靠的新一代技术手段。本专利技术采用的技术方案如下：一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：包括红外光电信号解调仪以及多个(可达到六个以上)分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室，所有探头气室两端分别通过光纤与光电信号解调仪连接，光纤长度达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测；所述的探头气室上开有铜制粉末冶金透气窗口，可以有效过滤粉尘并正常透过气体分子，气体通过扩散的方式进入到气室内部，探头气室内封装有赫里奥特气体吸收池，吸收池内设有可以实现探测光多次反射的球面镜；所述的红外光电信号解调仪内集成有多支可调谐半导体激光器，所述的多支可调谐半导体激光器为中的一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，多支可调谐半导体激光器出射的红外探测光束经过光纤传输至危险泄漏气体监测点处，并从探头气室的其中一端入射进入赫里奥特气体吸收池，红外探测光束在吸收池内经过两球面镜的多次反射后从探头气室另一端出射，并经光纤继续传输回到红外光电信号解调仪，红外光电信号解调仪实现红外激光探测光束的出射与接收，进而实现对拟监测气体的红外吸收光谱相应光信号的转换与分析，最终实现气体浓度的计算、显示以及超限报警。红外光电信号解调仪内还集成有波分复用器、分束器、光纤、解波分复用器、红外光电探测器、红外光电探测器数据采集电路、电源、微控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块。电源为整个系统装置中各电路、芯片以及模块进行供电。微控制器在电源的供电下，与红外光电探测器数据采集电路、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片以及显示报警模块连接并进行实时通信。所述的多支可调谐半导体激光器为6支可调谐半导体激光器，在所述的6支可调谐半导体激光器中，一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其中心波长为1532nm，在系统装置的工作环境中不存在任何气体对该波长具有吸收效应；其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，其中，中心波长为1653.7nm的光束对甲烷进行检测，中心波长为1621nm的光束对乙烯进行检测，中心波长为1529nm的光束对乙炔进行检测，中心波长为1684nm的光束对丙烷进行检测，中心波长为1700nm的光束对异戊烷进行检测。微控制器控制激光器驱动电路为可调谐半导体激光器加载扫描电流，驱动可调谐半导体激光器输出红外激光光束并通过光纤进行传送。激光器温度控制电路实时感知可调谐半导体激光器工作时的温度，并给予反馈控制，以防止可调谐半导体激光器输出波长的漂移。6支可调谐半导体激光器同时输出不同波长的红外探测激光束，所述的不同波长光束经过波分复用器被耦合进入同一光纤并传送至分束器。一根光纤内的光束经过分束器后被分成多路，并在多路光纤中继续传送，其中被分成光路的数量与危险泄漏气体监测点的数量一致，每一光路中都由多波长光束进行传送，并到达危险泄漏气体监测点处的探头气室。光束在探头气室内经过多次反射后从其中出射，并继续在相应光路光纤中传送至红外光电信号解调仪内的解波分复用器。与各个气室探头相对应的每一路光纤与相应解波分复用器相连接，所述每一路光纤内传送的光束按照波长被解波分复用器分解成多路光纤，所述分解后的每一路光线中只含有一种波长的光束在传送，此时，每一路光纤中传送的光束都具有特定波长，并且除了参考波长光束外，都携带有特定探头气室所对应气体的浓度信息。所述每一路光纤中的光束最终照射到红外光电探测器的光敏面上，并引起光电流。光电流注入到红外光电探测器数据采集电路内，经过去噪、放大以及模数转换后发送给微控制器，由微控制器对其进行分析处理。微控制器将计算得到的各种气体浓度值发送给显示报警模块用于显示，并在浓度超限时予以报警。温度传感芯片与压力传感芯片实时获取系统装置工作环境的温度和压力，并传送给微控制器，作为气体浓度反演计算的温度、压力补偿，保证了气体浓度计算误差低于满量程的5％。油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置的有益效果是：(1)系统装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：包括红外光电信号解调仪以及多个分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室，所有探头气室两端分别通过光纤与光电信号解调仪连接，光纤长度达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测；所述的探头气室上开有铜制粉末冶金透气窗口，探头气室内封装有赫里奥特气体吸收池，吸收池内设有可以实现探测光多次反射的球面镜；所述的红外光电信号解调仪内集成有多支可调谐半导体激光器，所述的多支可调谐半导体激光器为中的一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，多支可调谐半导体激光器出射的红外探测光束经过光纤传输至危险泄漏气体监测点处，并从探头气室的其中一端入射进入赫里奥特气体吸收池，红外探测光束在吸收池内经过两球面镜的多次反射后从探头气室另一端出射，并经光纤继续传输回到红外光电信号解调仪，红外光电信号解调仪实现红外激光探测光束的出射与接收，进而实现对拟监测气体的红外吸收光谱相应光信号的转换与分析，最终实现拟监测气体浓度的计算、显示以及超限报警。

【技术特征摘要】
1.一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：包括红外光电信号解调仪以及多个分别安装在气体监测点构成危险泄漏气体的监测网络的探头气室，所有探头气室两端分别通过光纤与光电信号解调仪连接，光纤长度达数千米，可以实现大氛围区域内多点危险泄漏气体现场、在线监测；所述的探头气室上开有铜制粉末冶金透气窗口，探头气室内封装有赫里奥特气体吸收池，吸收池内设有可以实现探测光多次反射的球面镜；所述的红外光电信号解调仪内集成有多支可调谐半导体激光器，所述的多支可调谐半导体激光器为中的一支可调谐半导体激光器输出的光束作为参考光束，其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，多支可调谐半导体激光器出射的红外探测光束经过光纤传输至危险泄漏气体监测点处，并从探头气室的其中一端入射进入赫里奥特气体吸收池，红外探测光束在吸收池内经过两球面镜的多次反射后从探头气室另一端出射，并经光纤继续传输回到红外光电信号解调仪，红外光电信号解调仪实现红外激光探测光束的出射与接收，进而实现对拟监测气体的红外吸收光谱相应光信号的转换与分析，最终实现拟监测气体浓度的计算、显示以及超限报警。2.根据权利要求1所述的一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：所述的多支可调谐半导体激光器为6支可调谐半导体激光器，所述的6支可调谐半导体激光器中，作为参考光束的调谐半导体激光器的中心波长为1532nm，在系统装置的工作环境中不存在任何气体对该波长具有吸收效应；其余可调谐半导体激光器输出波长与拟监测气体的种类一一对应，其中，中心波长为1653.7nm的光束对甲烷进行检测，中心波长为1621nm的光束对乙烯进行检测，中心波长为1529nm的光束对乙炔进行检测，中心波长为1684nm的光束对丙烷进行检测，中心波长为1700nm的光束对异戊烷进行检测。3.根据权利要求1所述的一种油气开采与储运危险泄漏气体光纤传感系统装置，其特征在于：所述的红外光电信号解调仪内还集成有波分复用器、分束器、光纤、解波分复用器、红外光电探测器、红外...

【专利技术属性】
技术研发人员：王寅，魏玉宾，张婷婷，胡杰，李艳芳，赵维崧，张文浩，刘统玉，
申请(专利权)人：山东微感光电子有限公司，丹东中科智安光电科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山东;37