一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统技术方案

一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，包括激光发生器、光束整型装置、气液分离模块、压力温度监测控制模块、光学气体检测室、激光探测器和光谱信号处理分析模块；激光发生器的输出端与光束整型装置连接，光束整型装置的输出端与光学气体检测室的入射孔连接；光学气体检测室与气液分离模块连接，光学气体检测室内设置有两个曲面反射镜；气液分离模块与压力温度监测控制模块连接；气体检测室的出射孔与激光探测器连接；激光探测器与光谱信息处理分析模块相连。该系统结构简单，操作方便，能够布放于深海恶劣环境中，实现了在长期无人职守的情况下对海水中甲烷浓度指标进行原位检测，可潜入深海在海上拖曳运行，检测准确，灵敏度高。

A submerged towed deep-sea methane concentration in-situ detection system

A diving towed deep sea methane concentration in situ detection system, including laser generator, beam rectification device, gas liquid separation module, pressure temperature monitoring and control module, optical gas detection room, laser detector and spectral signal processing and analysis module; the output end of the laser generator is connected with the beam shaping device, and the beam is connected. The output end of the device is connected with the incident hole of the optical gas detection chamber; the optical gas detection chamber is connected with the gas liquid separation module; the optical gas detection room is set up with two surface reflectors; the gas liquid separation module is connected with the pressure temperature monitoring control module; the discharge hole of the gas detection chamber is connected with the laser detector; the laser is connected with the laser detector; The detector is connected with the spectral information processing and analyzing module. The system is simple in structure, easy to operate, and can be distributed in the abyssal environment. In the case of long unmanned duty, the methane concentration index in the sea water is detected in situ, and it can move into the deep sea and drag in the sea. It is accurate and sensitive.

【技术实现步骤摘要】
一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统
本专利技术涉及一种用于深海甲烷浓度检测的系统，该系统可潜入深海在海上拖曳运行，属于气体检测

技术介绍
随着陆上油气资源及近海油气资源的逐渐减少甚至枯竭，人类将油气资源的开发重点投向了深海乃至超深海。在海洋环境中，特别是近海陆架海底,油气渗漏是广泛分布的自然现象。海底渗漏是浅部生物成因气或深部热解成因气在浮力作用下沿沉积层中的孔隙、断层面、泥火山等通道溢出海底的过程。海底油气渗漏的存在预示着海底沉积层中可能蕴藏着丰富的油气(水合物)资源。因此,对海底油气渗漏的探测有助于经济、快速、有效地圈化油气远景区。海底水体中溶解的甲烷及其他烃类物质是深海油气(水合物)资源的重要指示物,对水体中溶解气体的准确探测是判定油气资源海底渗漏的重要依据。传统的对水体中溶解气体的探测是采用先取水样然后在岸上或船上进行浓度检测的方式，其缺点是水样在提取的过程中,溶解在水样中的气体会发生各种损失，继而导致测量结果的不准确；海底取样、海上检测的方式会耗费大量人力、物力、和时间，在深海油气(水合物)资源的定位检测极为不方便。通过对比传统测量技术和原位测量技术获得的采样水体中的气体浓度发现，原位测量的测量精度是传统方法无法比拟的，因此急需开发原位探测技术。目前，国内外对深海海水中甲烷含量的检测主要有以下两种系统：1.激光拉曼光谱分析原位甲烷测量系统，该系统基于光子与物质分子的非弹性碰撞所产生的散射，对于不同物质分子其产生的拉曼光谱强度有显著区别的特性，通过分析拉曼光谱强度变化来确定海水中甲烷含量，其特点是精度高、测量范围广、稳定性好，但在深海中应用，需搭载在深海等大型取样装置中，其造价非常昂贵，不适合实际大规模应用。2.半导体气敏感应原位甲烷测量系统，利用氧化物半导体气敏材料SnO2吸附或脱附气体分子会引起电导率发生变化的特征进行甲烷气体测量，其特点是测量范围较大，可达50nmol/L、工作水深较深，可达3500m，但由于半导体材料气敏材料SnO2固有的检测特性，导致进入到检测腔的其他气体也可能被氧化，从而对吸附氧过程产生干扰，影响其稳定性；其次，SnO2半导体传感器在检测过程中需要消耗甲烷气体，在水体流动的动态环境中会降低传感器的灵敏度。实际应用中，上述两种测量方式存在以下不足：1.激光拉曼光谱分析原位甲烷测量系统，结构复杂,造价昂贵，很难在实际应用中推广。2.半导体气敏感应原位甲烷测量系统，在深海应用中稳定性较差，在水体流动的动态环境中灵敏度不强。
技术实现思路
本专利技术针对现有的深海原位气体检测系统存在的不足，提供一种结构简单，操作方便，可潜入深海在海上拖曳运行，检测准确灵敏度高的潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，该系统可实现远程数据传输。本专利技术的潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，采用以下技术方案：该系统，包括激光发生器、光束整型装置、气液分离模块、压力温度监测控制模块、光学气体检测室、激光探测器和光谱信号处理分析模块；激光发生器的输出端与光束整型装置连接，光束整型装置的输出端与光学气体检测室的入射孔连接；气液分离模块与压力温度监测控制模块连接，气液分离模块包括气液分离室和气液分离膜，气液分离膜设置在气液分离室的底部，气液分离室的两侧设置有进水口和出水口；压力温度监测控制模块包括温度控制装置和压力控制装置；光学气体检测室与气液分离膜连接，光学气体检测室的出射孔与激光探测器连接；激光探测器与光谱信息处理分析模块相连。激光发生器发出包含待测气体波长的范围波长激光，由光束整型装置进行光束整型，完成对接受的激光的波长选择以及准直，并将检测激光射入光学气体检测室中，通过压力温度监测控制模块实时监测气液分离器的压力温度变化，并进行压力控制，使气液分离器保持一个使待测液体中溶解气体充分分离的压力，光学气体检测室内的曲面反射镜使检测激光进行反射，增加检测激光光程和待测气体吸收激光的时间，使待测气体充分吸收检测激光，增加甲烷浓度检测的灵敏度和分辨率，被吸收气体后的激光射出后被激光探测器接收，将接受的光信号转换成电信号并将此电信号传输给光谱信号处理分析模块，进行分析处理得到甲烷气体浓度。所述光束整型装置包括声光调制器和准直器，准直器置于声光调制器的前方。所述温度控制装置包括环流通道、加热装置、温度传感器和温度控制器，环流通道的两端与气液分离室连通，环流通道上设置有环流水泵，加热装置和温度传感器设置在气液分离室内，环流水泵、加热装置和温度传感器均与温度控制器电连接。所述压力控制装置包括压力传感器、压力控制器、减压阀和进水泵和出水泵，压力传感器设置在气液分离室内，压力传感器与压力控制器连接，进水泵通过减压阀与气液分离室的进水口连接，出水泵与气液分离室的出水口连接，进水泵、减压阀和出水泵均与压力控制器电相连。所述光学气体检测室内设置有两个曲面反射镜。所述光谱信号处理分析模块包括依次连接的前置放大器、锁相解调器和模数转换器。上述甲烷浓度原位检测系统，还包括与光谱信息处理分析模块连接的信号远传模块，以将分析处理得到的气体浓度数据远距离传输至终端设备(地面信号站)。本专利技术采用气液分离膜技术与可调谐二极管激光吸收光谱分析(TDLAS)技术相结合，进行对深海原位分离的气体进行甲烷气体浓度分析，实现了深海原位气体检测。利用气液分离膜实现深海原位的气液分离，将水中溶解的气体分离并隔离出来，进入光学气体检测室中，再通过激光吸收光谱分析技术进行分离的气体甲烷浓度分析，激光发生器发出指定范围波长激光，通过光束整型模块对激光光束进行波长的调谐以及准直等整型后射入光学气体检测室进行甲烷气体的浓度检测。本专利技术可对待测样品进行现场测定，可以高灵敏度、高分辨率并且快速的进行深海原位的实时实地的远程甲烷气体浓度检测，从而更加快速方便地实现深海油气以及甲烷水合物(可燃冰)矿藏的实时定位以及监测；具有以下特点：增加了仪器的使用范围。1.能够布放于深海恶劣环境中，在长期无人职守的情况下，对海水中甲烷浓度指标进行原位检测。2.采用声光调制器技术进行波长选择，激光波长选择性好，对非甲烷气体的响应度小，气体选择性好，抗干扰能力强。3.无需采集样品进行离线测量，能够实施长期的深海原位甲烷气体浓度实时检测。4.采用气体分离膜对待测水样进行气液分离，利用气液分离膜为除水干燥机构，无需再使用任何干燥介质或气体除水装置，分离装置与干燥装置相结合，大大简化了结构，方便了操作，制造成本低，便于小型化和便携式设计，增加了使用范围。5.气液分离装置内设置有压力监测控制装置，对气液分离室的压力进行调节，使其压力维持在一个较为合适的数值，从而保持气液分离的速率，并且除水效率高，保证气液彻底分离。6.除水效率高，减少待测气体的管壁吸附，提高了使用寿命，测定数据精密度更佳。7.采用多反射原理气室，增加光程，提高了气体浓度检测的分辨率和灵敏度，增加了痕量气体检测的精度，可实现不同的量程和灵敏度的要求，亦利于仪器的小型便携化。8.可实时在线检测，亦可远传分析监控。9.采用调制解调和锁相放大的微弱信号处理技术，实现降低闪烁噪声(1/f噪声)的效果。附图说明图1是本专利技术的潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统的原理示意图。其中：1.激光发生器，2.光束整型装置，21.声光调制器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，其特征是：包括激光发生器、光束整型装置、气液分离模块、压力温度监测控制模块、光学气体检测室、激光探测器和光谱信号处理分析模块；激光发生器的输出端与光束整型装置连接，光束整型装置的输出端与光学气体检测室的入射孔连接；气液分离模块与压力温度监测控制模块连接，气液分离模块包括气液分离室和气液分离膜，气液分离膜设置在气液分离室的底部，气液分离室的两侧设置有进水口和出水口；压力温度监测控制模块包括温度控制装置和压力控制装置；光学气体检测室与气液分离膜连接，光学气体检测室的出射孔与激光探测器连接；激光探测器与光谱信息处理分析模块相连。

【技术特征摘要】
1.一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，其特征是：包括激光发生器、光束整型装置、气液分离模块、压力温度监测控制模块、光学气体检测室、激光探测器和光谱信号处理分析模块；激光发生器的输出端与光束整型装置连接，光束整型装置的输出端与光学气体检测室的入射孔连接；气液分离模块与压力温度监测控制模块连接，气液分离模块包括气液分离室和气液分离膜，气液分离膜设置在气液分离室的底部，气液分离室的两侧设置有进水口和出水口；压力温度监测控制模块包括温度控制装置和压力控制装置；光学气体检测室与气液分离膜连接，光学气体检测室的出射孔与激光探测器连接；激光探测器与光谱信息处理分析模块相连。2.根据权利要求1所述的潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，其特征是：所述光束整型装置包括声光调制器和准直器，准直器置于声光调制器的前方。3.根据权利要求1所述的潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，其特征是：所述温度控制装置包括环流通道、加热装置、温度传感器和温度控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国林，徐建龙，季文海，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37