Background

检测和量化甲烷浓度的能力在环境和工艺安全方面都很重要. 例如, 海上平台的天然气泄漏检测能力是防爆方案的重要组成部分. 直径超过5米的甲烷云在着火时足以造成破坏, 因此, 探测器可能需要放置在间距不大于5米的网格上, 导致大量传感器的部署. 以便在防爆制度下操作, 传感器必须探测到低于爆炸下限的甲烷气体,以便操作人员在任何潜在泄漏产生空气和甲烷的爆炸性混合物之前采取行动. 例如, 通常的作用点是爆炸下限(LEL)的20%,因此传感器需要能够可靠地检测到这种量级的甲烷浓度. 甲烷的LEL是4.体积的9%, 传感器需要能够检测和量化1%或10体积的甲烷浓度,000 ppm, 精度在500ppm左右.

通常在石油平台上, 或石化工厂, 大量的传感器将被放置在不同的位置, 由于传感器本身的成本和需要在爆炸危险区域内安装和维护,这是昂贵的. 还有甲烷, 需要传感器来响应其他潜在危险气体的泄漏,如硫化氢和氧气(在使用窒息剂的地区). 佩里斯托传感器通常用于检测潜在的爆炸性气体, 但这些需要定期校准,因为已知漂移和中毒的影响. 电化学传感器适用于潜在的有毒气体和氧气, 但生命有限.

由于这些原因, 人们对基于可调谐二极管激光光谱(TDLS)的探测技术越来越感兴趣。, 具有高灵敏度, 对特定气体的稳定性和特异性没有交叉响应(例如, 湿度). 然而, 当每个测点都需要自己的可调谐激光时,这种技术的成本是令人望而却步的. 解决这个问题的一个办法是通过光纤连接的多个传感器点共享来自单一激光器的光. 然而, 这种解决方案需要复杂的光纤网络, 每个检测位置都需要输出和返回光纤, 因此,2n个单独的光纤连接到n个单独的检测点,以及每个传感器的单独的光探测器和相关的数字采集通道. 澳门太阳集团城的工作是沿着一条光纤多路复用多个传感器位置, 使用单一的激光二极管和光探测器, 因此,大大简化了安装和询问单元,并提供一个较低的成本每个传感器位置, 这样,该技术就可以与传统的点式传感器竞争.

技术概述

澳门太阳集团城开发了一种方法,可以同时测量多个点的气体浓度, 使用光纤, 用单光纤耦合激光器和光电探测器, 通过结合可调谐二极管激光光谱学(TDLS)和距离分辨干涉术(RRI). 紧密间隔的气体检测单元可以沿纤维的长度部署,并可以定位为跟随单个气体管道,或在单个过程或其他危险位置附近提供多点气体传感. 探测位置可以在纤维上相距近1米, 或者可以隔得更远, 受激光器相干长度的限制(商用激光器的长相干长度可达2公里). 原则上, 澳门太阳集团城相信澳门太阳集团城的解决方案可以作为连接部分来实现, 使用模块化产品实现不同的配置. 提高了气体检测的灵敏度和覆盖范围.

 

上图: RRI审讯单位.

TDLS的工作原理允许通过在多个采样点测量气体的光吸收来检测气体, 而二极管激光器的波长是通过吸收线调谐的. 另一方面,距离分辨干涉术(RRI)利用一种特殊的信号处理技术,使信号从每个传感器分离, 先前开发用于位置传感和振动测量.

二极管激光器的发射波长由注入电流控制,在耦合到光纤之前,用慢斜坡波(2Hz)和快正弦波(49kHz)的组合形式进行调制. 缓慢的斜坡扫过激光的中心波长,通过一个包含特征气体吸收的范围, e.g. 甲烷在1653nm处. 然后,RRI信号处理解调输出信号的空间位置,为每个气体单元提供类似tdls的信号.

澳门太阳集团城已经证明,信号从三个气体细胞可以独立地区分和测量最小的串扰. 取决于光学拓扑结构和响应时间, 甲烷的噪音当量浓度可以在20 - 200ppm之间进行测量. 在其他工作, RRI已经与其他措施相结合,沿着一条光纤多路复用20个传感器.

与标准TDLS相比,其主要创新点是采用了RRI信号处理. 对于RRI,只有一个商业现场可编程门阵列(FPGA)处理器, 需要一个标准的激光驱动器和单光探测器. 澳门太阳集团城使用带有低成本连接器和耦合器的标准电信光纤. 通过使用反光镜设计,气体电池的光学对准是容易的.

好处

新型多点光学气体检测系统具有单一光源和跨多个单元的多路复用探测器,与现有传感器和网络化传感器系统相比具有显著优势, 包括:

  • 具有使大量细胞多样化以广泛覆盖的潜力;
  • Close spacing of detection points for explosion prevention (with >1m fibre separation between cells);
  • 能够测量甲烷在低噪音当量浓度低于200ppm为0.5s measurement period for early detection (and a potential noise equivalent concentration [1σ] of <20ppm with 1500s averaging times);
  • 细胞测量灵敏度和定位之间的最小交叉;
  • 与非色散红外测量相比,具有更高的气体特异性和信噪比,防止误报警;
  • 同时测量和报告所有细胞浓度,协助实时气体绘图;
  • Low power lasers (<35 mw) compared to multi-point photo-acoustic gas detectors, 用于易爆环境下的安全操作(光功率符合EN 60079- 28:15);
  • 单系统箱式控制器,单连接光纤,安装方便,维护方便;
  • 每个测量点的多点传感器成本极低的潜力;
  • 提高使用寿命,减少维护.

该系统可以被转换(通过改变激光)来探测一系列气体以及甲烷, 包括硫化氢, 一氧化碳和二氧化碳, 乙烷, 丙烷、乙烯和其他(在标准电信纤维的传输窗口内具有可检测的吸光度).

应用程序

多点分布式光学气体检测系统可用于工业安全领域的气体检测应用.g. 石化工程的防爆, 有毒气体监测), 填埋监测和过程监测.

机会

澳门太阳集团城拥有提供与新型光学仪器和传感器相关的研究和商业项目的记录, 解决工程和生物医学应用中具有挑战性的测量问题, 包括微流体流动, 现场即时诊断, 应变, 压力和气体检测和多波长气体光谱.

澳门太阳集团城正在寻求有意利用设计知识的工业合作伙伴表达兴趣, 模拟, 新型多点气体传感系统的控制与运行. 被许可方和该技术的潜在用户被邀请进行联系.

专利

英国(GB1814542.5)和PCT申请(WO2020/049287)正在进行中,优先日期为2018年9月6日.

知识产权状况

  • 实时, 由三个独立的气体单元完成的实验室实验演示;
  • 为挑战性环境(e.g. 安装在旋转式直升机旋翼叶片上);
  • 评估不同的测量拓扑.

寻求

  • 许可,
  • 例如,通过向创新英国公司申请联合资助的发展合作.