CN103038619A - 泄漏检测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于软管区段(105)的泄漏检测传感器装置(120)，包括传感器(145a,b)。传感器(145a,b)包括布置成对流体的存在作出反应的光纤。传感器(l45a,b)被容纳在保护套管中，所述保护套管布置成用于在软管区段(105)膨胀和收缩时相应地膨胀和收缩。张紧装置将传感器的第一端连接到保护套管并且布置成拉伸套管内的传感器。
Description
技术领域
本发明涉及泄漏的检测，具体地涉及软管中的流体泄漏的检测。
背景技术
诸如输油软管的水下软管一般会经历磨耗和撕破，以及老化，并且可能受到其它形式的损伤。这能够导致软管的破裂，从而导致软管内含物的渗漏或者水从软管外面进入。一般，水下软管包括内胎体和外胎体，两个都可能在沿着软管的任一点处破裂。外胎体的故障将导致水的进入，而内胎体的故障将导致软管输送的流体的渗漏。检测器一般放置在软管区段的端部处，并且在来自泄漏处的流体或者水到达软管区段的端部时检测到泄漏。显而易见的是，尽可能快地检测到任意泄漏并且检测到泄漏的位置和类型是有益的。
现有技术包括使用安装在软管的全长中的光纤来检测其中的泄漏的检测器。在一些检测器中，光纤涂覆有流体敏感材料，所述流体敏感材料在与流体接触时隆起，从而引起光纤的变形并且由此影响其光学特性。
发明内容
本发明提供了用于软管区段的泄漏检测传感器装置，所述装置包括：传感器，其包括光纤并且布置成对流体的存在作出反应；保护套管，其容纳传感器并且布置成当软管区段膨胀和收缩时相应地膨胀和收缩；和张紧装置，其将传感器的第一端连接到保护套管，并且布置成拉伸保护套管中的传感器。
可选地，保护套管包括盘绕的细长构件，并且张紧装置包括偏压装置，所述偏压装置连接到在保护套管的第一端处的线圈并连接到传感器的第一端。
可选地，偏压装置在保护套管内定位在保护套管的第一端和传感器的第一端之间，并且布置成将各个第一端朝着彼此偏压。
可选地，张紧装置包括：螺线，其将传感器的第一端连接到偏压装置；和套环，其布置成将螺线固定到传感器的第一端。
可选地，套环布置成在暴露于热时收缩，从而将螺线固定到传感器的第一端。
可选地，光纤在其第一端处包括反射面(mirrored surface)，所述反射面布置成将发射到光纤的反向第二端中的光沿着光纤反射回来。
泄漏检测传感器装置还可包括：光学装置，其布置为将光发射到光纤中并检测来自光纤的光；和处理装置，其操作地连接到光学装置并且布置为处理与检测的光有关的数据。
泄漏检测传感器装置还可包括发送器，所述发送器操作地连接到处理装置并且布置为传输携带被处理的数据的信号。
泄漏检测传感器装置还可包括第二传感器，其中第一传感器布置为对第一流体的存在作出反应，并且第二传感器布置为对不同于第一流体的第二流体的存在作出反应。
本发明此外提供了软管区段，该软管区段具有内胎体和外胎体，包括根据任意先前权利要求的装置，相对于软管区段的第一端固定所述装置，其中所述或每个传感器布置在软管区段的软管内胎体和软管外胎体之间。
软管区段还可包括相对于软管区段的第二端固定的第二传感器装置，其中第二装置的所述或者每个传感器布置在软管内胎体和软管外胎体之间。
本发明此外提供一种泄漏检测系统，包括：如上所述的泄漏检测传感器装置；和监测装置，其包括布置为接收来自发送器的信号的检测器和用于处理接收的信号的装置。
附图说明
现在参考附图仅以示例方式说明本发明的优选实施方式，其中：
图1示意性地示出了安装到软管的根据本发明的实施方式的泄漏检测系统；
图2示意性地示出了图1的系统中使用的传感器装置的一部分；
图3示出了通过图2中的传感器的横截面；
图4示意性地示出了将图2和图3中的传感器连接到保护套管的反集束(anti-bunching)机构的实施方式；和
图5示意性地示出了用于图1的系统中使用的传感器装置的信号产生、检测和传输装置。
具体实施方式
参考图1，水下软管100由被连接的软管区段105形成，并且在使用中被浸没在水下。泄漏检测系统110由监测站115和多个传感器装置120构成，两个安装到软管100的每个软管区段105。各个传感器装置120经由传输的声纳信号125独立地与监测站115连通。在其它实施方式中，软管100不被浸没(例如，其漂浮在水面上)，并且传输的信号125是电磁信号。
软管区段105在其端部处被连接到彼此，以形成软管100。软管端接头130位于各个软管区段105的每个端部处，软管区段105通过软管端接头130连接在一起。每个端接头130由与较大直径的凸缘130b相连的管状部分130a构成。通过凸缘130b形成孔，相邻的软管区段105的各个端接头130通过所述孔被栓接在一起，用于水密连接。在每个软管区段105中，内胎体135a和外胎体135b在两个端接头130之间延伸。两个胎体135a,b在每个端接头130处被相对于管状部分130a的径向外表面密封。外胎体135b具有比内胎体135a更大的直径，从而在两者之间形成空间140。
传感器装置120安装在各个软管区段105的每个端接头130上。每个传感器装置120由询问单元140和从询问单元140延伸的成对传感器145a,b构成。传感器145a,b从各个固定端并排延伸到沿软管区段105长度的近似中间处定位的各个自由端，该固定端在端接头130处连接到询问单元140；它们在内胎体和外胎体之间的空间中绕内胎体盘绕。由此，安装到软管区段105的每个传感器装置120沿着软管区段105的长度的各一半延伸。
参考图2和图3，传感器145a,b具有类似的构造。所述一对传感器145a,b之一用于检测诸如油的碳氢化合物产品的存在，而另一个检测水的存在。每个传感器145a,b包括传感器芯部200，传感器芯部200涂覆有在与流体接触时膨胀的膨胀材料(swelling material)205。光纤210通过相对不可伸展的约束材料215被束缚在被涂覆的传感器芯部200上，在本情况中约束材料215为诸如凯夫拉尔螺线(Kevlar thread)的螺线。光纤210的自由端被制成反射面(mirrored)，在本实施方式中，通过连接到被制成为反射面的终端块300(图4所示)实现。如果在软管内胎体或软管外胎体中存在泄漏，则油或者水将进入两个胎体之间的空间，即将传感器145a,b定位于其中的空间。油或者水将接触到传感器145a,b，使得碳氢化合物传感器145a,b或者水传感器145a,b的膨胀材料205膨胀。因为膨胀材料205膨胀，其将光纤210压靠于约束螺线215上，导致在光纤210中在沿着传感器145a,b的与泄漏位置相对应的位置处发生局部微弯曲。在现有技术中已知利用该微弯曲来检测泄漏的存在。展现出类似响应的其它传感器装置也可使用。
参考图2和图4，每个传感器145a,b被收容在各个保护套管220内，以屏蔽传感器145a,b防止受损，但其允许来自泄漏处的水或者诸如油的碳氢化合物产品到达传感器145a,b。保护套管220及其包含的传感器145a,b从相对于端接头130固定的各个固定端延伸到各个自由端。自由端定位在沿着安装有传感器145a,b的软管区段105的长度的近似中间处。在本实施方式中为盘绕的细长构件的保护套管220形成为螺旋缠绕平带或者配线，并且由金属、足够硬的塑性材料或者其它适当的材料制成。在使用中，每个软管区段105经历伸长、膨胀和收缩。在其松弛状态下，在螺旋形保护套管220的每匝之间存在间隙以便在软管100收缩时允许保护套管220收缩。类似地，保护套管220的螺旋形构造允许其伸长，这使得各匝之间的间隙的尺寸增大。因此，当软管区段105膨胀或者收缩时，这导致保护套管220膨胀或者收缩，一般不会损及保护套管220，因为其构造允许这样的膨胀和收缩。
收容在保护套管220内的传感器145a,b是不可伸展的，即它们的构造不允许它们在保护套管220膨胀和收缩时膨胀和收缩。因此，每个传感器145a,b被收容在保护套管220内，以允许相对于保护套管220的运动。也就是说，随着保护套管220拉长和收缩，在保护套管220和传感器145a,b之间存在相对轴向滑动运动。
参考图4，在每个传感器145a,b中，采用反集束机构形式的张紧装置305将传感器145a,b的自由端连接到保护套管220的自由端，其中保护套管220的自由端延伸超过传感器芯部200的自由端。反集束机构305容纳在保护套管220中在其自由端和传感器芯部200的自由端之间的空间中。其由如下部件构成：钢制拉伸弹簧310，其在套管220内与其近似共轴地延伸；凯夫拉尔(或者类似材料)螺线315；和热缩套环320。
钢制拉伸弹簧310在一端处即其套管端部处连接到保护套管220的自由端并且相对其固定。在其自由端处，螺旋形保护套管220的末匝形成为使得其径向向内转向(未示出)并且近似地将保护套管220的纵向轴线平分。在拉伸弹簧310的套管端处形成的环(未示出)围绕向内转向的末匝，并且在其将保护套管220的纵向轴线近似平分的位置处支撑在其上。凯夫拉尔螺线315被绕在拉伸弹簧310的另一端即传感器端处形成的钩子(未示出)系结，并将其连接到传感器145a,b的自由端。
热缩套环320将凯夫拉尔螺线315固定到传感器145a,b，从而在其端部和制成反射面的终端块300之间的位置处将其约束到传感器芯部200的表面。热缩套环320在足够的长度上将凯夫拉尔螺线315固定传感器芯部200，以使得在凯夫拉尔螺线315上作用有至少37牛顿的抗张强度。
在使用中，当保护套管220伸展时，其相对于其收容的传感器145a,b轴向移动，使得传感器145a,b和保护套管220的各个自由端之间的距离加大。在该情况中，拉伸弹簧310延伸且因此允许保护套管220拉长，而不会使传感器145a,b伸展或者由此使得光纤210伸展。类似地，不能缩短(轴向收缩)的传感器145a,b在保护套管220缩短时相对于保护套管220轴向移动，使得传感器145a,b和保护套管220的各个自由端之间的距离减小。在该情况中，拉伸弹簧310收缩并将传感器的自由端朝着保护套管220的自由端推动。通过将传感器和保护套管220的各个端部推到一起，反集束机构305趋于将传感器保持拉伸并且由此防止传感器145a,b在保护套管220内集束、扭结或者弯折。因此，反集束机构305用来避免或者至少限制对于光纤210的损伤，以及限制反射光水平中的变化，否则由于光纤210的扭结或者弯折而可能发生上述影响。
参考图5，询问单元140由光学发射器/检测器400、声纳发送器405、存储器410和操作地连接到全部三个部件400、405、410的微处理器415构成。在本实施方式中，发射器/检测器400是一个装置，但其它实施方式可相反地包括分别的发射器和检测器装置。
在使用中，每个发射器/检测器400连续地或者周期性地照射与之相连的两个传感器145a,b的各自的光纤210。在每个传感器145a,b中，光沿着光纤210长度朝着被制成反射面的终端块300传播。被制成反射面的终端块300将该光沿着光纤210反射回到发射器/检测器400，所述光在发射器/检测器400处被检测。微处理器415被连接到发射器/检测器400并且收集和处理与所检测的光相对应的数据，并将数据存储到存储器410。微处理器415此外将数据经由声纳发送器405发送到监测站115。在一些实施方式中，其经由信号转发器和/或信号转换器传输到监测站115，所述信号转发器和/或信号转换器将所传输的声纳信号125转换成为电磁信号。在本实施方式中，如本领域技术人员将了解的，被处理的数据包括与所检测的光相对应的数据以及与数据传输相关的冗余数据(例如，用于纠错/检测目的的数据)。对于本领域的技术人员，处理、存储和传输来自发射器/检测器的数据的替代方法将是显而易见的。
如已经陈述的，软管区段105中的泄漏导致在沿着传感器145a,b之一的光纤210的局部位置处的微弯曲。在这些位置处，光从光纤210的芯部逸出到外覆层中。因此，此光通过衰减而损失，导致发射器/检测器400检测到的光的量的减少。也就是说，发射器/检测器400检测到的光的强度由于油或者水进入接触到膨胀材料205而降低。将了解，将在沿着光纤的所有部位处进行油或水的检测。
微处理器415可使用与发射器/检测器400发射的光脉冲的强度、或者开始时间、终止时间、之间的时间间隔以及持续时间相对应的值，所有这些值存储在存储器410中。发射器/检测器400检测的光被监测。微处理器415处理关于在监测周期中检测到的光的数据，并且将处理后的数据存储到存储器410。监测周期中所检测的光的强度的变化对应于流体与传感器接触的检测。作为对检测的光的处理的一部分，微处理器415将整个监测周期上检测的光的强度值与该周期的预期强度值(其存储在存储器410中)相比较。当检测的强度值相对于其所比较的预期值明显下降时，则这表明发生了泄漏。微处理器415将检测值和预期值之间的差的大小、以及检测值大于或小于预期值的结果存储到存储器410。这些值是被传输到监测站115的数据的一部分，即是与检测到的光相对应的数据。
将了解，可通过多种不同方式向操作者报警存在泄漏。例如，警报器可以在监测站115处发声，或替代地将信号发送到远程设备。监测站115可以布置成响应于其接收到的数据满足某些条件而使警报器发声。例如，接收的数据包括光强度的检测值和预期值之间的差的大小，并且监测站115可以布置成识别这些大小超过预定阈值的时刻并使警报器发声或作为响应发送信号。
在所述的实施方式中，碳氢化合物传感器145a,b包括玻璃纤维增强聚合物(GRP)传感器芯部200，该传感器芯部200涂覆有膨胀材料205，诸如在与普通烃类燃料如汽油接触时膨胀的热固性有机硅聚合物。膨胀材料205被挤压或替代地浸渍涂覆到传感器芯部200上，并且被施加为在近似50微米和100微米之间的薄涂层。水传感器145a,b包括类似的传感器芯部200，该传感器芯部200涂覆有在与水接触时隆起的水凝胶膨胀材料205。水凝胶是聚(环氧乙烷)-共聚(环氧丙烷)(PEO/PPO)嵌段共聚物聚氨酯脲(PUU)。PEO对PPO的比率改变膨胀材料205的隆起和物理特性。因此，成分的比率被选择为提供在与水接触时最大程度的膨胀，同时仍保持理想的物理强度。这些材料能够被再利用，以便在它们充分干燥后检测相同的流体。
将了解，作为所述实施方式的修改/替代，能够采用基于微弯曲原理起作用的其它传感器设计，并且可以使用呈现类似物理特性的任意其它适当材料用于碳氢化合物或者水的检测。在检测器装置120中可包括附加传感器以便于多于两种不同流体的检测。为检测更重的燃料和油，诸如丁基橡胶和三元乙丙橡胶(EPDM)的其它的橡胶合成物可替代有机硅。诸如气体的其它流体的存在此外可通过用能够涂覆到传感器芯部200上并且在与具体流体接触时经历可预测体积变化的任意适当材料来检测。
在先前的示例性实施方式的描述中，每个传感器装置120包括绕内胎体135a盘绕的两个传感器145a,b。在所述实施方式的修改例中，或者在替代实施方式中，传感器可沿着软管区段长度在其端部之间轴向延伸，从而折回一次或多次使得传感器的不同部分布置为彼此相邻或平行。在其它实施方式中，每个传感器装置可包括仅一个传感器，并且其可从胎体之间的空间的一端延伸到另一端。在该布置中，位于软管区段的相反端部处的各个传感器装置每个均可布置成检测不同的流体，并且传感器可沿着胎体之间的空间的全长盘绕过彼此。
在所述实施方式的修改例中，被制成反射面的终端块300可以通过对光纤210的镜面抛光来替代。
在所述实施方式的修改例中，如本领域的技术人员将易于了解的，钢制的拉伸弹簧310可由弹性构件或者任意其它的适当偏压装置来代替。
在所述实施方式的修改例中，凯夫拉尔螺线315可以由诸如钢或者塑性材料的任意适当材料的配线/螺线代替。替代地，其可以一起省略，并且弹簧310或者其它的适当偏压装置可以直接连接到传感器芯部200。
在所述实施方式的修改例中，热缩套环320可以由适用于将螺线315(或替换物)或替代地将弹簧/偏压装置固定到传感器芯部的任意装置代替。适当装置可包括诸如联接螺旋夹(jubilee clip)的可闭合金属套环，或者其可以包括敲进传感器芯部200中的螺钉、铆钉等等。技术人员将毫无疑问地了解到其它的适当装置。
在所述实施方式或其修改例/替代例中，微处理器415能够是任意适当的、优选地低功耗的处理器，诸如ARM7TDMI等等。其与之相连的存储器410可以是采用任意适当布置的芯片上存储器或芯片外存储器；其仅需要如上所述能够用于数据的存储与检索。
在所述实施方式的修改例中，微处理器415执行的一些或者全部处理可在监测站115处执行。例如，微处理器415可仅能够操作，以从发射器/检测器400获取数据并且将其经由发送器405传输到监测台115，所述数据在监测台115处进行分析(例如，与预期强度值比较)。
Claims (15)
1.一种用于软管区段的泄漏检测传感器装置，所述装置包括：
传感器，所述传感器包括光纤并且布置成对流体的存在作出反应；
保护套管，所述保护套管容纳所述传感器，布置成当所述软管区段膨胀和收缩时相应地膨胀和收缩；和
张紧装置，所述张紧装置将所述传感器的第一端连接到所述保护套管，布置成拉伸所述保护套管中的所述传感器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述保护套管包括盘绕的细长构件，并且所述张紧装置包括偏压装置，所述偏压装置在所述保护套管的第一端处连接到所述盘绕的细长构件并且连接到所述传感器的第一端。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述偏压装置在所述保护套管内定位在所述保护套管的第一端和所述传感器的第一端之间，并且布置成将各个第一端朝着彼此偏压。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述张紧装置包括：螺线，所述螺线将所述传感器的第一端连接到所述偏压装置；和套环，所述套环布置成将所述螺线固定到所述传感器的第一端。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述套环布置成在暴露于热时收缩，从而将所述螺线固定到所述传感器的第一端。
6.根据先前权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光纤在其第一端处包括反射面，所述反射面布置成将发射到所述光纤中的光沿着所述光纤反射回来。
7.根据先前权利要求中任一项所述的装置，还包括：
光学装置，所述光学装置布置成将光发射到所述光纤中并且检测来自所述光纤的光；和
处理装置，所述处理装置操作地连接到所述光学装置并且布置成处理与检测到的光相关的数据。
8.根据权利要求7所述的装置，还包括发送器，所述发送器操作地连接到所述处理装置并且布置成传输携带被处理的数据的信号。
9.根据先前权利要求中任一项所述的装置，还包括第二传感器，其中所述第一传感器布置成对第一流体的存在作出反应，而所述第二传感器布置成对不同于所述第一流体的第二流体的存在作出反应。
10.一种软管区段，所述软管区段具有内胎体和外胎体，包括根据任意先前权利要求的装置，相对于所述软管区段的第一端固定所述装置，其中所述或每个传感器布置在所述软管区段的软管内胎体和软管外胎体之间。
11.根据权利要求10所述的软管区段，还包括相对于所述软管区段的第二端固定的第二传感器装置，其中所述第二装置的所述或每个传感器布置在所述软管内胎体和所述软管外胎体之间。
12.一种泄漏检测系统，包括：
根据权利要求7所述的或者当权利要求8和9在引用权利要求7时根据权利要求8和9中的任一项所述的泄漏检测传感器装置；和
监测装置，所述监测装置包括布置成接收来自所述发送器的信号的检测器和用于处理接收到的信号的装置。
13.一种大致如以上参考附图中的任意一个或多个所述的泄漏检测传感器装置。
14.一种大致如以上参考附图中的任意一个或多个所述的软管区段。
15.一种大致如以上参考附图中的任意一个或多个所述的泄漏检测系统。
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