CN104094102B - 检测和/或定量氢的装置及检测和/或定量氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监测设施(1)，用于检测和/或定量分析氢的装置(100)。所述装置(100)包含：用于配备所述设施(1)的第一测量用光学纤维(10)，和光学地连接到所述第一测量用光学纤维(10)上的光学系统(20)，并适于测量所述第一光学纤维的至少一个参数。所述光学系统(20)适于根据Brillouin测量原理，沿着所述第一光学纤维(10)测量其参数。本发明还涉及使用这样的装置(100)的方法。

Description

检测和/或定量氢的装置及检测和/或定量氢的方法
技术领域
本发明涉及氢的检测和定量分析领域。
化学和/或放射性产品的设施如货仓、地热钻孔、仓储用地和工业罐可能经受与产品储存有关的氢的释放的风险，这些氢的释放是爆炸性的并且在某些情况下可能对人类是有害的。
为了控制这些风险并预防性地检测可能发生的任何氢的释放，通常用适于检测和/或测量氢的化学检测器配备这种类型的货仓。由于化学或放射性产品的长的储存期(几年)和储存结构的不便，为了明显的安全的原因，相关仪器和化学检测器，如氢检测器，随着时间的推移必须是耐用的，即贯穿整个或部分储存期，具有最佳的稳定性和灵敏度。此外，它们必须大量配置，以便覆盖大面积和表征非均匀环境。最后，所述测量装置必须考虑到爆炸的风险方面并必须能够保证装置的本质安全。
因此，本发明更具体地涉及用于检测和/或定量分析氢的装置，及用于检测和/或定量分析氢的方法。
背景技术
当在设施如化学和/或放射性产品的储存地，其具有超过大约一百米范围的待监测区域中监测氢的存在的情况时，使用已知的检测和/或定量分析氢的使用光学纤维作为氢传感器的装置。除了其他优势，由于它使用没有火花的风险的光学测量，而火花在含有大量氢气的气态环境中可能引发爆炸，这种类型的装置具有提供保证设施本质安全的检测。
下面和本文的余下部分中氢是指在其原子形式、在其分子形式(即二氢)或在其同位素形式即氘。
因此，文献WO2009/067671描述了这样的检测和/或定量分析氢的装置。文献WO2009/067671中描述的装置包含：
-测量用光学纤维，用于在待监测区域中配备设施，
-光学地连接到光学纤维上的光学系统，并适于通过所述光学纤维在明确定义的波长下测量光吸收的变化。
这样的装置利用光学纤维中氢的扩散的性质和由其导致的在某些波长下跃迁性质的变劣。这是由于在纤维中氢的吸收导致羟基OH的创建和分子二氢H2在红外区如在1080，1180和1240nm处吸收某些波长。因此，在这些波长下纤维传送的衰减直接与其中的氢的浓度有关。
因此，当这样的装置用部署在整个待监测区域的光学纤维配备待监测设施时，氢的泄漏将通过传感光学纤维引起部分氢的吸收，其可由所述的光吸收的测量检测。
然而，尽管这样的装置提供在设施中氢的存在的有效检测，它确实有一定数量的缺点。这是因为这样的装置依赖于光学纤维的老化，如果这种状态不能被完全地知道，可导致氢的存在的错误检测。这是因为光学纤维的老化导致传送的损耗，通常在近红外的光谱范围内不均匀，并因此引起使用在WO2009/067671中所描述的发明中氢检测的不确定性。
文献WO2008/136870描述了另一种检测和/或定量分析氢的装置，对其测量用光学纤维包含至少一种刻蚀的布拉格光栅，即部分纤维上的折射率是定期调整的，并且部分光学纤维的目标涂层接收该布拉格光栅。所述目标涂层适于氢的吸收。这样的装置包含，与在WO2009/067671中描述的装置类似的方式，测量用光学纤维，用于配备设施，和光学地连接到光学纤维上的光学系统。
配置这样的装置的光学系统以便在光学纤维中在各种波长下发射电磁辐射并在反射所述电磁辐射的每个刻蚀的布拉格光栅下测量波长。这是因为刻蚀的布拉格光栅的特征取决于由目标涂层吸收的氢的量。因此，有可能通过测量在该布拉格光栅之一反射下的波长，以确定由相应涂层吸收的氢的量。
因此，当这样的系统放置到待检测的设施中，包含刻蚀的布拉格光栅或光栅的光学纤维部署到整个待监测区域时，刻蚀的布拉格光栅之一附近的氢的泄漏导致由该布拉格光栅反射的电磁辐射的波长的移动并在发生的点监测泄漏。
因此，这样的装置使得氢在设施中每个刻蚀的布拉格光栅处被检测到，如果有多路复用的布拉格光栅，具有识别氢泄漏的地理来源的可能性。
虽然WO2008/136870中描述的装置使得在设施中检测氢的存在成为可能，具有识别氢泄漏的地理来源的可能性，该装置确实有一定数量的缺点。这是因为光学纤维具有一些点，在这些点处获得的检测和/或定量分析是有限的，因为它取决于布拉格光栅的刻蚀和使用的多路复用技术。还应注意，目标涂层的老化，如WO2009/067671中描述的，是未知的并且对产品敏感度的维护存在不确定性，其周期大于几年。
此外，由于光学纤维暴露于氢的情况，这样的装置还存在布拉格光栅消失的风险。
发明内容
本发明旨在补救这些缺点。
因此本发明的目的之一是提供使用光学纤维用于氢的检测的用于检测和/或定量分析氢的装置，当它配备设施的待监测区域时，其能够连续不断地在光学纤维的整个长度上检测氢的存在并识别氢的该来源的位置，这样的装置与先前技术的装置相比，必须表现出氢的检测和/或定量分析很少地依赖于光学纤维的老化的状态。
为此，本发明涉及用于检测和/或定量分析氢的装置，用于设施的监测，所述装置包含：
–第一测量用光学纤维，用于配备设施，
-光学地连接到第一测量用光学纤维上的光学系统，并适于测量所述第一光学纤维的至少一个参数，
所述光学系统适于根据Brillouin型测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维测量第一光学纤维的参数。
因此这样的装置，通过利用Brillouin测量原理测量第一测量用光学纤维的参数，使得沿着第一测量用光学纤维检测光模neff的有效传播指数上的变化成为可能。该变化直接影响Brillouin峰并因此影响根据Brillouin型测量原理测量时测得的参数。在光学纤维中氢的扩散对光模neff的有效传播指数有影响，此扩散通过引起折射率的变化，并因此引起根据Brillouin测量原理测得的参数的变化，用这样的装置是可检测并可量化的。
这样的测量，依赖于光模neff的有效传播指数，与依赖于在给定波长下光学纤维的传送中的变化不同，并仅与Brillouin峰中的变化有关，与光学纤维的老化状态相比，不表现任何显著的相依性。因此，这样的装置能够不依赖于光学纤维的老化状态而进行检测和/或定量分析并且它因此随着时间的推移保持可靠。
根据与沿着光学纤维的Brillouin温度测量相同的原理，该测量能够在第一测量用光学纤维的整个长度上进行，在大于大约十公里的距离下具有小于一米的空间分辨率，使定位参数变化发生的精确点成为可能并因此使定位第一测量用光学纤维中氢扩散发生的精确部分成为可能。
因此，当配备设施的待监测区域时，这样的装置使得通过在该待测区域中识别该源的精确位置来检测并量化氢的来源成为可能，不必须预测经过很长一段时间这些事件的点，因为该测量受测量用光学纤维的老化的影响很小。
上面和本文的余下部分中，根据Brillouin测量原理的测量意指关于至少一个参数的测量：(i)Brillouin反向散射光谱(不论是Stokes或反-Stokes频率的情况，主要的和次要的峰，与各种具有与光模非零重叠的声模有关)或(ii)Brillouin增益。该参数可例如相对于电磁脉冲引起的Brillouin反向散射现象，在频率上抵消两个Brillouin反向散射峰之一或在峰之间，这两个Brillouin峰的强度或它们的形式(如在峰的半最大值处充满)。
上面和本文的余下部分中，Brillouin峰意指自发的Brillouin反向散射峰或Brillouin增益峰，峰的类型直接取决于其使用时由装置进行的Brillouin测量的类型。因此，例如，根据所述反射计原理进行Brillouin测量的装置。
所述第一光学纤维的参数可根据Brillouin测量原理测量，所述的Brillouin测量原理选自包含与通过在时域中编码的空间分辨率法相关的Brillouin光学反射计测量，与通过在频域中编码的定位法相关的Brillouin光学反射计测量，在相关域中的Brillouin光学反射计测量，与在时域中分析相关的Brillouin增益光学测量，在频域中的Brillouin增益光学测量和通过在相关域中分析的Brillouin增益光学测量的组。
因此所述装置可根据与待监测设施相关的要求，空间分辨率、沿进行监测的距离、氢检测阈值和定量的氢分辨率做调整。
在时域中Brillouin光学反射计的测量，在频域中Brillouin光学反射计的测量，在相关域中的Brillouin光学反射计的测量，通过在时域中分析的Brillouin光学的测量，在频域中的Brillouin光学的测量和通过在相关域中分析的Brillouin光学的测量的英文名称已经被熟知并且相应的缩写分别为Brillouin光时域反射计(BOTDR)，Brillouin光频域反射计(BOFDR)，Brillouin光时域分析(BOTDA)，Brillouin光时域频域分析(BOFDA)和Brillouin光相关域(BOCDA)。这些测量是通常在光学纤维温度测量装置和/或变形监测装置中实施的测量。
所述装置可适于在第一测量用光学纤维的至少一个位置上，进行测量用光学纤维的至少一个参数的参照测量，所述的参照测量不受氢的存在的影响。
在该结构中，第一测量用光学纤维的参数的测量使得对于影响Brillouin测量的参数，校正根据Brillouin测量原理进行的测量成为可能以，并因此通过限制或甚至消除在参照测量时测得参数的影响，改进氢的检测和/或定量分析。
影响Brillouin测量的参数尤其可为温度，第一测量用光学纤维的变形和大气的放射性，压力，相对湿度和含水量。
所述光学系统可适于在两个或更多不同波长下进行沿着第一光学纤维的参照测量。为此，所述装置可含有几个泵浦激光器或在级联中促使Brillouin线产生。
在两个不同的泵浦波长下参数的测量，氢的存在显示两个不同的影响，当该影响已知时，使得消除该影响并提供对氢不敏感的所述参数的参照测量成为可能。
所述光学系统可通过加入其他类型的置于接近测量氢的纤维的光学纤维调整，以测量所述测量用光学纤维的至少一个其他影响参数的变化，以提供沿着测量用光学纤维的温度和/或变形和/或其他上述列出的参数的参照测量。
所述装置根据其他的反向散射测量，无论是拉曼还是瑞利扩散原理，适于进行沿着第一光学纤维的至少一个参数的参照测量。
所述第一测量用光学纤维可包含对氢不敏感的至少一部分，以便为在所述部分通过所述光学系统的第一测量用光学纤维的参数的测量提供参照测量。
上面和本文的余下部分中，对氢不敏感的部分光学纤维，或光学纤维意指该部分光学纤维，或该光学纤维，其具有这样的结构，大气环境中的所述部分光学纤维，或所述光学纤维中氢的存在不影响在所述部分光学纤维，或所述光学纤维上进行的测量。
此部分使得提供不受氢影响的参照测量以校正根据Brillouin测量原理的所述第一测量用光学纤维的参数的测量成为可能。
为了配备设施，可提供连接于所述光学系统的参照光学纤维，所述参照光学纤维用于提供参照测量。
为了配备设施，还可提供连接于所述光学系统的参照光学纤维，所述参照光学纤维用于提供沿着第一测量用光学纤维的温度和/或变形的参照测量。
这样的参照光学纤维，根据Brillouin测量原理，通过提供可能干扰氢检测和/或定量分析测量的参数的测量，使得校正所述第一测量用光学纤维的检测和/或定量分析测量成为可能。这样的校正使得限制，或消除对参照光学纤维进行参照测量时测得参数的影响成为可能。
所述参照光学纤维，配置其以使降低对氢的灵敏度，优选地以使对氢不敏感。
这样所述参照光学纤维对氢的降低的灵敏度或不敏感性，使得降低或甚至消除氢对通过参照光学纤维获得的参照测量的影响成为可能。
所述参照光学纤维可包含核芯和包皮，配置包皮的材料以便所述参照光学纤维具有对氢的降低的灵敏度，优选地为零。
根据该可能性，所述核芯和/或包皮可为基于硅或硫族化物或充满空气或液体的孔(有孔纤维)的玻璃。
所述参照光学纤维可包含核芯和包皮，其中配置掺杂元素的分布以便所述参照光学纤维具有对氢的降低的灵敏度，优选地为零。
所述参照光学纤维可包含适于在所述参照光学纤维中限制氢的扩散的涂层。
还可提供用于配备设施的连接于所述光学系统的第二测量用光学纤维，所述第二测量用光学纤维配置其以便具有不同于第一测量用光学纤维的与氢的相互作用。
因此，具有这样的第二测量用光学纤维，所述装置提供两种与氢相互作用的不同的测量并根据所述相互作用不同，使得在检测到的氢来源上提供补充信息，如较具有单一测量用光学纤维的装置更广范围的时间信息或优化灵敏度，成为可能。
所述第二测量用光学纤维可包含在所述第二测量用光学纤维中限制氢扩散的部件。
这样的限制扩散的部件降低氢进入光学纤维的速度，因此提供在氢的来源上的时间信息引起氢的检测。
所述第二测量用光学纤维的用于限制氢扩散的部件可包含所述第二测量用光学纤维的涂层，所述涂层对氢具有部分渗透性。
对氢部分渗透性意指所述涂层适于限制氢渗透到配备有所述涂层的光学纤维中，不为所有完全消除在所述光学纤维中的扩散。
这样的涂层提供了限制氢在所述第二测量用光学纤维中扩散的部件，具有对第二测量用光学纤维的光学性质低的，或甚至零影响。
限制氢在第二测量用光学纤维中扩散的部件可以是光学纤维内部结构修改的选择，或者通过选择其掺杂体，或通过选择其玻璃基体，或通过预处理，如配置预先的氢负载，以增加所述第二测量用光学纤维对氢的灵敏度，或如电离辐射负载，例如γ和/或紫外辐射。
这些预处理使得改变氢检测阈值成为可能，并因此改变从对这样的第二测量用光学纤维进行测量中获得的检测和/或定量分析的灵敏度。
这些具体的预处理和光学纤维的选择(根据自然的和主要的和次要的涂层)改变氢吸收的饱和阈值。
第二测量用光学纤维可配置有预先的氢负载，以便改变所述光学纤维与氢的相互作用。
测量用光学纤维(fibre)或纤维(fibres)和参照光学纤维可以串或带的形式放置。
这样的光学纤维彼此之间相互的放置，使得对于所有的光学纤维从热点的角度和从它们所受的应力、压力和辐射水平的角度提供相同的环境成为可能。因此，对于包含参照光学纤维的装置，所述参照测量可在与那些用于检测和/或定量分析氢相同的条件下进行。同样地，对于包含第二测量用光学纤维的装置，由第一和第二测量用光学纤维进行的测量相互具有可比性。
本发明还涉及用于检测和/或定量分析氢的方法，用于监测设施，所述方法包含由如下步骤组成：
-在所述设施中安装第一测量用光学纤维，
-根据Brillouin测量原理，沿着所述测量用光学纤维进行参数的测量。
本发明还涉及使用根据本发明的装置用于检测和/或定量分析氢的方法并包含由如下步骤组成：
-根据Brillouin测量原理，沿着第一测量用光学纤维，使用所述光学系统测量所述第一测量用光学纤维的参数，
-根据Brillouin测量原理，在所述测量用光学纤维中，从沿着所述测量用光学纤维测得的参数中分别检测和/或定量分析氢。
这样的方法使得无论设施的待监测区域在什么范围内均可在设施中影响检测和/或定量分析氢成为可能。它还使得当检测氢的存在时，沿着第一测量用光学纤维，识别发生氢的检测的点成为可能。
可使用适于进行参照检测的装置，检测和/或定量分析氢的各步骤包含由如下子步骤组成：
-沿着第一测量用光学纤维，使用所述光学系统进行参照测量，
-基于所述参照测量，校正根据Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维测量的所述第一测量用光学纤维的参数，
从使用参照测量校正的，根据Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维测量的第一测量用光学纤维的参数，分别检测和/或测量在所述第一测量用光学纤维中氢的存在。
包含这样的校正指数变化测量步骤的方法，限制了可能与例如温度的变化有关的氢存在错误检测的风险。
附图说明
从阅悉说明书中示例实施方案，其仅仅以指示的方式而绝不是限制地，本发明将更好理解，参照附图，其中：
-图1图示地示出根据本发明提供有单一测量用光学纤维的装置，所述系统包含根据Brillouin原理适于进行反射计测量的光学系统，
-图2示出相同的Brillouin反向散射峰的两个光谱，分别使用图1示出的装置获得，分别地当所述第一测量用光学纤维放置在大量氢存在时和氢从所述第一测量用光学纤维脱气后，
-图3示出两个Brillouin测量光谱，均具有两个相同的Brillouin峰，这两个光谱分别由图1示出的装置获得，该分别地在所述装置的所述第一测量用光学纤维暴露于含32％氢的气氛之前和期间，
-图4示出集中于图3中出现光谱的主要的Brillouin峰的近视图，
-图5示出集中于图3中出现光谱的次要的Brillouin峰的近视图，
-图6示出在使用图1示出的装置对两种类型的第一测量用光学纤维和对氢不敏感的光学纤维进行Brillouin测量时，主峰频率随着大气中的氢的比例的变化，
-图7示出根据本发明提供有单一测量用光学纤维的装置，所述系统包含根据Brillouin原理适于进行光学分析测量的光学系统，
-图8示出根据本发明的第二实施方案的装置，其中所述装置包含测量用光学纤维和参照光学纤维，所述光学系统根据Brillouin测量原理适于进行反射计测量，
-图9示出根据本发明的第二实施方案的装置，其中所述装置包含相互连接的测量用光学纤维和参照光学纤维，所述光学系统根据Brillouin测量原理，适于沿着由所述测量用光学纤维和所述参照光学纤维形成的回路进行分析测量，
-图10示出根据本发明的第二实施方案的装置，其中所述装置包含各自独立地连接到光学系统上的测量用光学纤维和参照光学纤维，所述光学系统根据Brillouin测量原理，适于沿着所述测量用光学纤维和所述参照光学纤维进行分析测量，
-图11示出根据本发明的第三实施方案的装置，其中所述装置包含第一和第二测量用光学纤维和参照光学纤维，所述光学系统根据Brillouin测量原理，适于沿着所述第一和第二测量用光学纤维和所述参照光学纤维进行反射计测量。
相同的，各图中类似的或等价的部分具有相同的标号以便于从一个图到另一个图的转变。
为了使图更清晰，图中示出的各部分不一定示出一致的比例。
必须理解，各种可能性(变式和实施方案)相互之间不排斥并且可相互结合。
具体实施方案的详细公开
图1示出用于检测和/或定量分析氢的装置100，配备设施1的待监测区域，所述设施如储存点，地热钻孔，化学和/或放射性产品的储存点和工业罐。示于图1中的所述装置100是根据本发明的第一实施方案的装置。图1示出该第一实施方案的第一可能性，其中该装置的结构根据反射计原理适于进行Brillouin测量。
这样的装置100包含：
-配备设施1的第一测量用光学纤维10，
-连接于第一测量用光学纤维10上的光学系统20并适于进行Brillouin测量。
应当注意，根据图1示出的结构的装置中，所述光学系统适于在反射计结构中测量，所述光学纤维仅通过其一端连接到系统。
所述第一测量用光学纤维10是适于所述光学系统20的工作波长的光学纤维。光学纤维可例如类似于那些通常用于进行Brillouin温度测量的纤维。
对于具有降低的可接近性的设施，所述第一光学纤维优选地适于允许可超过数十年而不需要任何维护的耐用的和稳定的测量。
所述第一测量用光学纤维10常规包含核芯，光学包皮和保护涂层。所述核芯和包皮可由二氧化硅制得，所述核芯较包皮具有更高的折射率，以限制在核芯中的光。具有指数梯度的单模光学纤维也是合适的。折射率的变化可通过并入用于该类型应用的常规的掺杂元素例如锗、磷、氟、铝等类型获得。所述涂层可适于操作条件以便限制对所述第一测量用光学纤维10的破坏，所述条件可能与安装第一测量用光学纤维10的条件有关。这样的涂层，对于对所述第一测量用光学纤维10不具有不利条件的设施，为例如简单的塑料涂层如丙烯酸酯或聚酰亚胺。
所述第一光学纤维的涂层也可为特别适于增加对氢的灵敏度的涂层，例如钯涂层。光学纤维也可由具体的玻璃，基于例如硫族化物的玻璃构成。“有孔纤维”(通过留下孔制造-可选地随后填充)也是适合的。
所述第一测量用光学纤维10适于引导由所述光学系统20发射的波长下的电磁辐射。
所述第一测量用光学纤维10可通过修改掺杂元素中镭的比例有改变，以使Brillouin反向散射光谱，或Brillouin增益易于测量。随着这种改变，所述第一测量用光学纤维10特别地可具有与光学纤维中氢的扩散基本相同的方式，各种声模引起Brillouin线为谱分开或改变。
为了限制施加到所述第一测量用光学纤维10上的力的影响，所述第一测量用光学纤维10可配备有浮动的中间套(也以英文术语“松套管”(loose tube)已知)以减少所述第一测量用光学纤维10所受的力。这样该力对氢的检测的影响被限制。
所述第一测量用光学纤维10部署在设施中覆盖待监测区域。进行该部署以覆盖待监测区域的最大表面积并因此保证在所述区域氢的任何泄漏或释放的检测。
所述第一测量用光学纤维10包含第一和第二端，所述第一端连接到所述光学系统20，用于图1.d示出结构中反射计型的Brillouin测量。
所述光学系统20是适于沿着所述第一测量用光学纤维在空间分辨方式中进行Brillouin测量的光学系统。
所述光学系统适于根据Brillouin测量的类型。因此，在图1示出的结构中，所述光学系统适于进行Brillouin反射计测量，如Brillouin光时域反射计测量(英文缩写BOTDR)，Brilloui光频域反射计测量(英文缩写BOFDR)和Brillouin光相关域反射计测量(BOCDR)。
为此，所述光学系统20包含：
-光发射装置21，如激光器，适于发射至少一种电磁辐射，
-光学测量用装置22，适于检测和测量电磁辐射，如光谱分析系统、增益分析系统或耗差分析系统，和
-控制和分析装置23，适于控制所述发射装置和所述测量用装置，和用于分析测量用装置22进行的测量。
所述发射装置21通常包含激光器，其波长可为固定的或根据本发明的可能性可调谐。根据Brillouin测量类型，所述装置可包含一种或多种发射连续的或脉冲的激光器。在这个或这些激光器中，一种激光器堪称是主要的，也称作泵，并在主要波长下发射主要辐射。
为了应用需求，所述发射装置的主要发射波长是根据Brillouin温度测量原理常规用于测量温度的波长。为了获得氢的存在的最大灵敏度的目的，该主要发射波长可选自于氢的扩散出现最大灵敏度的波长范围，如在国际申请WO2009/067671中提及的那些。根据该原则，发射波长可为大约1.2μm。
所述测量用装置22适于在非常接近由所述发射装置典型地发射的接近于大约10GHz并通常为9和13GHz的波长下，检测和/或测量电磁辐射。这样的测量用装置22是适于Brillouin测量的类型。因此，例如，对于适于进行BOTDR测量的光学系统，所述测量用装置是光谱分析系统。而且由于该类型的测量用装置22以Brillouin光学纤维温度传感器已知，因此本文不再进一步详细描述。
所述控制和分析装置23适于控制所述发射装置21和所述测量用装置22，以根据Brillouin测量原理进行所述第一测量用光学纤维10的参数的测量。具有此适应的所述控制和分析装置23，能够控制所述发射装置21以发射合适的电磁辐射并控制所述测量用装置22以检测和测量由Brillouin现象发出的电磁辐射，无论是在电磁辐射经过时，沿着所述第一测量用光学纤维10发生的Brillouin反向散射、增益还是损耗。
由于所述控制和分析装置23这样的适应与通过Brillouin型的光学纤维传感器的温度测量过程使用的相同，因此本文不再进行更详细的解释。
所述控制和分析装置23也适于分析通过所述检测装置22进行的测量，以识别在所述第一测量用光学纤维的点上的潜在扩散，以检测在该相同的光学纤维10上的光模neff的有效传播指数的变化。
根据本发明的可能性，其中所述设施具有可局部地或全局地变化的温度，这样的变化能够引起沿着所述第一测量用光学纤维10的Brillouin测量的变化，所述装置可适配以测量在所述第一测量用光学纤维10上的至少一个位置处的参数，以提供参照测量，该参照测量优选为所述第一测量用光学纤维10的温度和/或变形的测量。
根据该可能性，这样的测量，以作为参照测量，必须不受氢的存在的影响。这样的条件可例如使用沿着所述第一光学纤维的温度测量，使用所述发射装置22的两个不同的发射波长的测量，凭借可除Brillouin测量之外的测量，如文献WO2011/115686中所描述的一个测量，来获得。
根据该相同的可能性，所述第一测量用光学纤维10可具有规则分布到其整个长度的部分，其对氢不敏感并用来提供参照测量以校正沿着所述第一测量用光学纤维10的对氢不敏感的部分的测量。所述对氢不敏感的部分既可通过依照文献EP1195628中描述的原理，修改光学纤维内部的结构制得，或通过在所述部分的表面上合适的涂层的存在制得，如文献EP1426804中描述的一个。
图2示出根据该第一实施方案，在使用装置100过程中进行的测量的例子。Y轴代表振幅A，为任意单位的反向散射的电磁辐射的强度及X轴代表关于发射装置21发射的辐射，反向散射的辐射的移频f(MHz)。在所述装置100的该使用中，所述第一测量用光学纤维10被置于高氢压(150bar)存在中7天时间，以使所述光学纤维被氢饱和。然后所述第一测量用光学纤维10恢复到空气中放置相同时间，以便氢从所述第一测量用光学纤维10中脱出来。示于图中的第一光谱202和第二光谱201，分别为在暴露7天结束时和返回到空气时期结束时产生的。
因此，所述第一光谱202显示相应于用氢饱和的第一测量用光学纤维10的Brillouin反向散射峰的频移，而所述第二光谱201相应于在所述第一测量用光学纤维10中不存在氢时观察到的Brillouin反向散射峰。
因此，从图中可能看到，当所述第一测量用光学纤维10与氢接触放置时，氢扩散导致Brillouin频的增加和该相同峰的强度降低。该双重影响直接与光模neff的有效扩散指数的变化有关，所述的变化根据如下的公式发生在Brillouin移频中，所述公式中νB为Brillouin移频，Va为声波速率，即声子引起的Brillouin反向散射现象，及λ为发射的电磁辐射的波长。
图2出现的测量示出为了检测和/或评估光波neff的有效传播指数的变化，适应所述控制和分析装置各种可能性。这是因为以下均可获得检测和/或评估折射率的变化：
-a)通过直接测量主要峰或次要峰的Brillouin频率的变化，
-b)通过测量主要峰或次要峰之一的Brillouin峰的强度，
-c)在氢不存在下，在基本相应于主要Brillouin峰或次要峰之一的预定频率下，通过测量强度，通过后者的可能性，强度的下降将与频移和Brillouin峰强度的下降有关。
图3和后者出现在图4和5中的近视图示出在主要的Brillouin峰上和在次要Brillouin峰上均起作用的可能性。图4和5是集中在分别地主要的和次要Brillouin峰的频率上的近视图。
在图3至5中，Y轴代表幅度A，为任意单位的反向散射的电磁辐射的强度及Y轴代表，这在图3中为GHz及在图4和5中为MHz，为对所述发射装置21发射的辐射，反向散射的辐射的频率。
出现在图3至5中的测量是当第一测量用光学纤维10与分别含有32％和0％氢的气氛接触放置时，得到的Brillouin型的两个测量211和212。因此，可以看出，在该第一测量用光学纤维10与氢接触放置期间，氢的扩散导致在主要的和次要Brillouin峰上的强度的移动和变化。因此，可修改所述测量系统22以进行在主要峰或次要峰之一上的Brillouin测量，或在主要峰和一个或多个次要峰两者上的Brillouin测量。
因此，所述设施配备有装置后，依照包含如下步骤的方法进行检测和/或定量分析氢：
-依据Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维10使用光学系统测量所述第一测量用光学纤维10的参数变化，
-使用根据Brillouin测量原理，沿着第一测量用光学纤维10的测量，在第一测量用光学纤维10中检测和/或定量分析氢。
对于为进行参照测量修改的光学系统，所述步骤包含在第一测量用光学纤维10中测量和/或检测氢的存在，包含由如下子步骤组成：
-沿着所述第一测量用光学纤维10，使用光学系统以进行参照测量，
-基于所述参照测量，校正沿着所述第一测量用光学纤维10测量的所述第一测量用光学纤维10的参数的变化，
-使用根据校正的Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维10测量的参数，在所述第一测量用光学纤维10中检测和/或定量分析氢。
在使用所述光学系统进行参照测量的步骤中，所述测量可与沿着所述第一测量用光学纤维10的光模neff的有效传播系数的变化的测量同时进行，如果所述参照测量通过所述第一测量用光学纤维10对氢不敏感的部分获得。
应当注意，对于在所述光学纤维上的位置的氢吸收的精确测量，也有必要提供校准所述装置100的在先步骤。
图6示出三种不同的光学纤维的这样的步骤的例子，第一个包含基于氟的掺杂，第二个包含基于锗的掺杂和第三个，将在随后看到，进行的对氢不敏感的处理。
在图6中，Y轴代表移频f(MHz)，对所述发射装置21发射的辐射，反向散射的辐射及X轴代表光学纤维所经受的氢的量。
因此，在图6中可以看到，两种光学纤维，如果它们在类似的整体外观的Brillouin主要峰的频移上表现出变化，这两种纤维与氢不具有相同的相互作用，表明对于使用根据本发明的装置的氢的量的精密测量，需要这样的校准步骤。此外，图6出现的测量还显示根据Brillouin测量测得的参数随着光学纤维经受的氢的量的变化是非线性的。
由于这样的校准步骤对本领域技术人员是容易得到的，因此，本文中没有任何更详细的描述。
图7示出根据第一种实施方案的第二种可能性的装置100，其中所述装置100的结构适于进行Brillouin测量，所述测量通过分析时间、频率或相关域进行。
这样的结构适于根据Brillouin测量原理，进行参数的测量的装置，所述的Brillouin测量为Brillouin光时域分析(BOTDA)测量，Brillouin光学频域分析(BOFDA)测量或Brillouin光相关域分析(BOCDA)测量。
根据该第一种实施方案的该第二种可能性的装置不同于根据第一种可能性的系统，在其中所述第一测量用光学纤维10通过两端连接到光学系统，以能够分析从所述光学纤维发射的电磁辐射。所述光学纤维20具有类似于光学纤维温度传感器的光学系统的结构，通过分析相关域(即时间、频率或相关)进行Brillouin测量。
对于具有根据第一种可能性的结构的装置，部分的所述第一光学纤维可制成对氢不敏感。这样的部分有利于第一测量用光学纤维的第二半部分。因此通过沿着其第一部分安装第一测量用光学纤维10的第二半部分，使得在所述第一测量用光学纤维10的第一部分的整个长度上进行参照测量成为可能。
图8示出根据第二种实施方案的装置，其中提供有参照光学纤维30。图8示出第二种实施方案的第一种可能性，其中该装置的结构适于根据反射计原理进行Brillouin测量。
根据第二种实施方案的装置不同于根据该第一种实施方案的装置，在其中包含连接到所述光学系统上的参照光学纤维30并且在其中所述光学系统20适于沿着参照光学纤维30进行参照测量。
根据第二种实施方案的第一种可能性，所述参照光学纤维30是为了具有对氢降低的灵敏度配置的光学纤维。所述参照光学纤维30这样的结构既可通过根据文献EP1195628中描述的原理改进纤维内部的结构得到，或通过在所述参照光学纤维表面上合适的涂层的存在得到，如在文献EP1426804中描述的一个。
所述参照光学纤维30优选地具有，为便于沿着第一测量用光学纤维10测量的光模neff的有效传播指数的变化的校正，其特征与所述第一测量用光学纤维10的那些类似。
当所述设施配备有所述装置时，所述第一测量用光学纤维10和所述参照光学纤维30是并排安装的。为便于所述设施的这样配备，所述第一测量用光学纤维10和所述参照光学纤维30可以以纤维的一串的形式或带的形式放置。
所述参照光学纤维30通过一端连接到所述光学系统上。
所述光学系统20优选地适于进行称作参照测量的测量，在与根据Brillouin测量，沿着所述第一测量用光学纤维10的参数的测量相同的条件下，根据Brillouin测量测量沿着所述参照光学纤维30的参数的变化。它还有可能，在不脱离本发明的范围内，用于所述光学系统适于沿着所述参照光学纤维30测量参数，如温度，以根据Brillouin测量原理，沿着所述测量用光学纤维10校正测得参数的变化，其仅仅与沿着所述参照光学纤维30测得的该参数有关。
根据本发明的可能性，其中所述第一参照用光学纤维配备有浮动的中间套，所述参照光学纤维也可配备有这样的装置。
根据该第二种实施方案装置的使用类似于根据该第一种实施方案装置的使用，其包含使用所述光学系统20进行参照测量和沿着所述第一测量用光学纤维10校正测量的参数的步骤。
图9和10分别示出第二种实施方案的第二种和第三种可能性，其中所述装置100的结构适于进行Brillouin测量，其通过分析时间、频率或相关域完成。
第二种实施方案这样的第二种和第三种可能性不同于根据第二种实施方案的系统的第一种可能性，在其中所述第一测量用光学纤维10通过两端连接到所述光学系统20上，以使得能够分析自所述光学纤维出现的辐射。所述光学系统20具有类似于光学纤维温度传感器的光学系统的结构，通过分析相关域(即时间、频率或相关)进行Brillouin测量。
图9示出这样的可能性，根据其所述第一测量用光学纤维10通过其未连接到光学系统20上的端，光学地耦合到所述参照光学纤维30的端上。所述参照光学纤维未连接到所述第一测量用光学纤维10上的端与所述光学系统20连接。因此，这给出了类似于第一种实施方案的第二种可能性的结构，其光学纤维的第二部分对氢不敏感。
图10示出第二种实施方案的第三种可能性，其所述第一测量用光学纤维10和所述参照光学纤维30相互独立地连接到所述光学系统10上。所述光学系统，如同第二种实施方案的第一种可能性，适于所述沿着第一测量用光学纤维10独立地进行参数的测量及通过所述参照光学纤维20的参照测量。
图11示出根据第三种实施方案的装置，在其中所述装置包含第二测量用光学纤维11。
图11中示出的所述装置100，与第一和第二种实施方案的第一种可能性的方式类似，具有适于根据反射计原理进行Brillouin测量的结构。
根据第三种实施方案的装置不同于根据第二种实施方案的装置，在其中包含第二测量用光学纤维11，其具有不同于所述第一测量用光学纤维10的与氢的相互作用。而且所述光学系统还适于沿着所述第二测量用光学纤维11，根据Brillouin测量进行参数的测量，该参数与沿着所述第一测量用光学纤维10测得的相同。
所述第二测量用光学纤维11具有不同的与氢的相互作用，其可能有各种各样的类型。
不同于所述第一测量用光学纤维10的第一种相互作用是在所述第二测量用光学纤维11中氢的降低的扩散。这样的扩散可通过扩散势垒，如所述第二测量用光学纤维11合适的具有对氢部分渗透性的涂层得到。这样的涂层可为碳的涂层，其特征为，如选择厚度和密度以提供在所述第二测量用光学纤维11中氢的扩散的降低而不全部消除它。这样的涂层的影响可从图6中看到，其显示对于光学纤维Brillouin峰的频移223通过这样的涂层对氢不敏感，是恒定的并不受氢的存在的影响。
不同于所述第一测量用光学纤维10的第二种相互作用是所述第二测量用光学纤维11对氢降低的灵敏度。所述第二测量用光学纤维11这样降低的灵敏度可由不同于所述第一测量用光学纤维10结构的所述第二测量用光学纤维11的结构获得。结构中这样的不同是例如所述光学纤维的核芯和/或包皮的构成的改变，如由文献EP1195628所描述的。
自然地，并与文献EP1195628所描述的相反，所述第二测量用光学纤维11这些各部件的构成被修改以便所述光学纤维11具有对氢的非零灵敏度。还应当注意，根据同样的原理，还可设想通过使用所述光学纤维11不同的结构增加第二测量用光学纤维11对氢的灵敏度。
不同的相互作用的第三种类型是对于相同量的氢，光模neff的有效传播指数的变化，例如通过压缩材料形成所述光学纤维的核芯和包皮得到(例如二氧化硅)。该不同的相互作用的第三种类型还可通过用氢或氘预负载所述第二测量用光学纤维11得到，该预负载由例如紫外辐射处理限定。
因此，对于相同量的由所述第一测量用光学纤维和所述第二测量用光学纤维11吸收的氢，第二测量用光学纤维11具有光传播的有效指数的变化等于向其加入吸收的氢的量的用氢预负载的变化。如图6所示，由于光模neff的有效传播指数的变化是非线性的，因此所述第二测量用光学纤维11的结果是，根据吸收的氢的量，具有不同的灵敏度。
因此，所述第二测量用光学纤维11具有不同于所述第一测量用光学纤维10的与氢的相互作用，使得向第一测量用光学纤维10提供补充的测量成为可能。
在所述第二测量用光学纤维11具有灵敏度不同于所述第一测量用光学纤维10的情况下，无论它是通过其结构还是通过用氢预装载，所述装置具有的氢可被检测和/或定量分析的范围，通过结合由第一和第二测量用光学纤维10、11提供的范围扩展。
在所述第二测量用光学纤维11具有氢的扩散降低的情况下，该不同导致在所述第二测量用光学纤维11中降低的氢的扩散速度。在所述第一和第二测量用光学纤维10、11之间测量结果的不同，使得基于设施中氢来源获得时态信息成为可能。
自然地，根据该第三种实施方案，有可能在所述第一和第二测量用光学纤维10、11之间结合这些各种相互作用的差别，通过修改它们至所述装置安装的条件。
还有可能，根据与第三种实施方案类似的原理，结合多于两种测量用光学纤维，只要或者能够使装置在氢能被检测和/或定量分析上具有更大的范围，或者结合与氢各种相互作用的优势。
自然地，这样的实施方案，尽管其可能性示于图11中，根据其可能性装置适于根据反射计原理进行Brillouin测量，也还有未示出的可能性，根据该可能性的装置100的结构适于进行Brillouin测量，所述测量通过分析时间、频率或相关域进行。根据该可能性，所述第一和第二测量用光学纤维10、11和所述参照光学纤维30可相互平行地耦合到所述光学系统上，串联地或任何混合组合，混合组合中来自所述第一和第二测量用光学纤维10、11的两种光学纤维和所述参照光学纤维30平行放置，所述第三光学纤维单独地耦合到所述光学系统20上。
根据未示出的可能性，在不脱离本发明的范围下，对于所述参照光学纤维10还可能被改变以进行除了光学纤维的温度和/或变形的参数的测量，如所述设施中存在的放射性。这样的测量使所述装置除了在待监测设施中检测和/或定量分析的主功能外，还能够具有监测该其他参数的功能。
应当注意，每个发射装置21和测量用装置22可包含一个或多个模块，所述模块可在单一光学纤维、几个光学纤维或所有的光学纤维上进行测量，无论该测量是参照还是测量，均不脱离本发明的范围。

Claims (16)

1.用于监测设施(1)的用于检测和/或定量分析氢的装置(100)，所述装置(100)包含：
-第一测量用光学纤维(10)，用于配备所述设施(1)，
-光学地连接到所述第一测量用光学纤维(10)上的光学系统(20)，并适于测量所述第一测量用光学纤维的至少一个参数，
所述装置(100)的特征为，所述光学系统(20)适于根据Brillouin型测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维(10)测量所述第一测量用光学纤维(10)的参数，
其中所述第一测量用光学纤维(10)包括核芯、光学包皮和保护涂层，所述保护涂层为塑料涂层。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中所述第一测量用光学纤维的参数测量根据Brillouin测量原理测量，所述的Brillouin测量原理选自由在时域中的Brillouin光学反射计测量，在频域中的Brillouin光学反射计测量，在相关域中的Brillouin光学反射计测量，通过在时域中分析进行的Brillouin光学测量，通过在频域中分析进行的Brillouin光学测量和通过在相关域中分析进行的Brillouin光学测量组成的组。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置在第一测量用光学纤维(10)的至少一个位置上，适于进行所述第一测量用光学纤维(10)的至少一个参数的参照测量，所述的参照测量不受氢的存在的影响。
4.根据权利要求1所述的装置(100)，其中所述光学系统(20)适合于在两个不同的波长下沿着第一测量用光学纤维进行参照测量。
5.根据权利要求3所述的装置(100)，其中所述第一测量用光学纤维(10)包含对氢不敏感的至少一部分，以便在所述部分通过所述光学系统(20)的所述第一测量用光学纤维的参数的测量提供参照测量。
6.根据权利要求1所述的装置(100)，其中用于配备所述设施(1)还提供连接于所述光学系统(20)的参照光学纤维(30)，所述参照光学纤维(30)用于沿所述第一测量用光学纤维(10)提供参照测量。
7.根据权利要求6所述的装置(100)，其中配置所述参照光学纤维(30)以便对氢不敏感。
8.根据权利要求1所述的装置(100)，其中用于配备设施还提供的接于所述光学系统(20)的第二测量用光学纤维(11)，配置所述第二测量用光学纤维(11)以便具有不同于所述第一测量用光学纤维(10)的与氢的相互作用。
9.根据权利要求8所述的装置(100)，根据其所述第二测量用光学纤维(11)包含在所述第二测量用光学纤维(11)中限制氢扩散的部件。
10.根据权利要求8所述的装置(100)，根据其所述第二测量用光学纤维(11)的用于限制氢扩散的部件包含所述第二测量用光学纤维的包皮，所述包皮对氢具有部分渗透性。
11.根据权利要求8所述的装置(100)，根据其所述第二测量用光学纤维(11)具有预先的氢负载，配置其以便改变所述第二测量用光学纤维(11)与氢的相互作用。
12.根据权利要求6所述的装置(100)，其中所述第一测量用光学纤维(10)和所述参照光学纤维(30)以串的形式放置。
13.用于监测设施，用于检测和/或定量分析氢的方法，所述方法包含由如下步骤组成：
-在所述设施中安装第一测量用光学纤维(10)，其中所述第一测量用光学纤维(10)包括核芯、光学包皮和保护涂层，所述保护涂层为塑料涂层，
-根据Brillouin测量原理，沿着所述测量用光学纤维进行参数的测量，
-根据Brillouin测量原理，在所述第一测量用光学纤维(10)中，从沿着所述第一测量用光学纤维测得的参数中分别检测和/或定量分析氢。
14.检测和/或定量分析氢的方法，其特征在于，其使用根据权利要求1所述的装置(100)并包含由如下步骤组成：
-根据Brillouin测量原理，沿着第一测量用光学纤维，使用所述光学系统(20)测量所述第一测量用光学纤维(10)的参数，
-根据Brillouin测量原理，在所述第一测量用光学纤维(10)中，从沿着所述第一测量用光学纤维(10)测得的参数中分别检测和/或定量分析氢。
15.根据权利要求14的方法，其中根据权利要求1所述的装置在第一测量用光学纤维(10)的至少一个位置上，适于进行所述第一测量用光学纤维(10)的至少一个参数的参照测量，所述的参照测量不受氢的存在的影响，所述分别检测和/或定量分析氢的步骤包含由如下子步骤组成：
-沿着所述第一测量用光学纤维，使用所述光学系统(20)进行参照测量，
-基于所述参照测量，校正根据Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维(10)测量的所述第一测量用光学纤维(10)的参数，
-基于使用参照测量校正的，根据Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维(10)测量的第一测量用光学纤维(10)的参数，分别检测和/或测量在所述第一测量用光学纤维(10)中氢的存在。
16.根据权利要求14的方法，其中根据权利要求1所述的装置用于配备所述设施(1)还提供连接于所述光学系统(20)的参照光学纤维(30)，所述参照光学纤维(30)用于沿所述第一测量用光学纤维(10)提供参照测量，所述分别检测和/或定量分析氢的步骤包含由如下子步骤组成：
-沿着所述第一测量用光学纤维，使用光学系统(20)以使用所述参照光学纤维(30)进行参照测量，
-基于所述参照测量，校正根据Brillouin测量原理，沿着所述第一测量用光学纤维(10)测量的第一测量用光学纤维(10)的参数，
-基于使用参照测量校正的，根据Brillouin测量原理，沿着第一测量用光学纤维(10)测量的第一测量用光学纤维(10)的参数，分别检测和/或测量在第一测量用光学纤维(10)中存在的氢。
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