CN108318450A - 一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统
技术领域
本发明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，属于气体检测技术领域。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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)。
本发明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。
本发明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是本发明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，22.准直器，3.气液分离模块，31.气液分离室，32.气液分离膜，33.进水泵，34.减压阀，35.出水泵，36.环流通道，37.环流水泵，4.光学气体检测室，41.入射孔，42.出射孔，43.曲面反射镜，5.压力温度监测控制模块，51.温度控制器，52.压力控制器，6.激光探测器，7.光谱信号处理分析模块，71.前置放大器，72.锁相解调器，73.模数转换器，8.信号远传模块，9.地面信息站。
具体实施方式
本发明采用气体分离膜进行深海气体检测，可潜入深海在海上拖曳运行，更适用于深海原位气体检测。使待测水样在气液分离器内直接通过气液分离膜，利用气液分离膜半透特性将待测水样中的气体选择性滤出，然后将待测水样中的气体送入光学检测室，再通过TDLAS技术对待测气体进行甲烷浓度的检测。
如图1所示，本发明的潜水拖曳式深海甲烷浓度原位检测系统，包括激光发生器1、光束整型装置2、气液分离模块3、压力温度监测控制模块5、光学气体检测室4、激光探测器6、光谱信号处理分析模块7和信号远传模块8。
激光发生器1用于发出包含甲烷气体波长的范围波长激光。采用单波长的DFB激光器模块，内部采用热控制模块保证稳定的波长，可保证较高的功率，用于输出甲烷气体吸收对应波长的激光束。激光发生器1发出的波长由光束整型器2进行光束整型。
光束整型装置2由声光调制器21和准直器22两部分组成，光束整型装置2的光路连接至激光发生器1，用以对激光发生器1发出的激光束进行整型。准直器22设置在声光调制器21的前方(更靠近光学气体检测室4的入射孔41)。声光调制器21对激光光束进行进一步的波长选择，准直器22对激光束进行准直，以达到检测标准要求，并将检测激光射入光学气体检测室4中。
气液分离模块3包括气液分离室31和气液分离膜32，气液分离膜32设置在气液分离室31的底部，气液分离室31的两侧设置有进水口和出水口。此外，气液分离模块3与压力温度监测控制模块5连接，压力温度监测控制模块5用于对气液分离室31内的液体进行温度和压力实时监测，使其保持一个可以使待测液体中溶解气体充分分离的压力，达到使待测液体中溶解气体充分分离的目的。压力温度监测控制模块5包括温度控制装置51和压力控制装置52。
温度控制装置51包括环流通道36、加热装置、温度传感器和温度控制器。环流通道36设置在气液分离室31的外侧，其两端与气液分离室31连通，环流通道36的进口处设置有环流水泵37，以控制环流通道36的水流速度，气液分离室31内的液体可以通过环流通道36的循环起到降温的目的。加热装置和温度传感器设置在气液分离室31内，环流水泵37、加热装置和温度传感器与温度控制器连接。加热装置可接收来自温度控制器的电信号对海水水样进行加热，环流水泵37同样可以接收来自温度控制器的信号，通过改变转速来控制气体分离室31外侧环流的流速，来对气液分离室21内的液体进行降温。
甲烷溶解度随温度的增加具有缓慢递减阶段(0～80℃)、快速递增阶段(80～150℃)和缓慢递增阶段(大于150℃)三段式演变特征。温度传感器和温度控制器可实现80-150℃范围的温度调节，以通过调节海水水样的温度从而调节甲烷气体的溶解度，可使甲烷气体最大的析出并通过气液分离膜32进入光学气体检测室4。
压力控制装置52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31内，压力传感器与压力控制器连接，压力控制装置52可实时改变调节气液分离室31内的压力。进水泵33通过减压阀34与气液分离室31的进水口连接，出水泵35与气液分离室31的出水口连接。进水泵33、减压阀34和出水泵35均与压力控制器电相连，接收压力控制器传来的控制信号，通过改变减压阀34开度大小来改变进水口处局部压力损失，从而改变气液分离室31内的压力大小；压力控制器发出的信号同时控制进水泵33和出水泵35，通过改变进水泵33和出水泵35的电机转速，来改变其进出水速率，从而改变气液分离室31内压力大小，从而防止其产生压力过大或压力过小，导致气液分离膜32的损坏、气液分离速度过低或气液分离不彻底的情况发生。气液分离膜32是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现气液的分离、纯化的过程。气液分离膜10与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂，气液分离彻底，无需添加干燥装置。
光学气体检测室4连接在气液分离模块3的底部，两者之间通过气液分离膜32隔开。光学气体检测室4的两侧开有两个通光孔，一个为入射孔41，一个为出射孔42，两个通光孔用高强度石英玻璃密封，供激光束射入和射出，入射孔41与光束整型模块2相连，出射孔42与激光探测器6相连。入射孔41与出射孔42之间固定有两个相对的曲面反射镜43，实现检测激光束在检测室4中的来回反射，从而增加激光束在检测气室中通过的光程，亦增加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，增加了痕量气体检测的精度。被吸收后的激光射出后被激光探测器6接收。
激光探测器6与光谱信息处理分析模块7连接，用于将接受的光信号转换成电信号并传输给光谱信息分析模块7。激光探测器6的输出端与光谱信号处理分析模块7中的锁相解调器72的输入端相连。
光谱信号处理分析模块7对接受的电信号进行分析处理得到甲烷气体浓度。光谱信号处理分析模块7包括依次连接的前置放大器71、锁相解调器72和模数转换器73，前置放大器71将激光探测器6接收的光电信号进行前置放大滤波去噪，通过锁相解调器72进行微弱信号的处理，进而得到与气体浓度相关的电信号，通过模数转换器73对计算所得的电信号进行模数转换，以此来表征光学气体检测室4中甲烷气体的浓度信息。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。
信号远传模块8与光谱信号处理分析模块7连接，信号远传模块8采用水下无线通信技术，接收来自光谱信号处理分析模块7的气体浓度信号之后，将浓度信号转换成无线通信信号并传回地面信号站9，实现深海原位气体浓度实时监测。
上述深海甲烷浓度原位检测系统的工作过程如下所述。
激光发生器1发出包含甲烷气体波长的范围波长激光，由光束整型装置2进行光束整型，完成对接受的激光的波长选择以及准直(通过声光调制器21对激光光束进行波长选择，通过准直器22准直)，并将检测激光射入光学气体检测室4中。由进水泵和出水泵完成对气液分离室31的进水出水动作，通过压力温度监测控制模块5实时监测气液分离室31的压力温度变化，并对其进行压力控制，使其保持一个可以使待测液体中溶解气体充分分离的压力，达到使待测液体中溶解气体充分分离的目的。光学气体检测室4内固定的曲面反射镜使检测激光在其中进行多次反射(增加其光程，亦增加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)，被吸收甲烷气体后的激光射出后被激光探测器6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7，进行分析处理得到甲烷气体浓度。信号远传模块8将分析处理得到的浓度信息传回信号站9。
上述深海甲烷浓度原位检测系统中的各电气部件均密闭封装，如激光发生器1、光束整型装置2、压力温度监测控制模块5(其中的温度控制器和压力控制器)、激光探测器6、光谱信号处理分析模块7和信号远传模块8，以满足潜水应用需要。同时未详细描述的部分均为现有技术。
本发明采用声光调制器对激光束进行整型，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，采用多反射原理气室，增加光程，提高了仪器的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。
本发明采用气液分离膜进行水样的气液分离，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；分离装置与干燥装置相结合，大大简化了系统，设备操作简单，便于仪器的小型化和便携式设计，增加了仪器的使用范围，除水效率高,减少待测气体的管壁吸附,提高了仪器的使用寿命,测定数据精密度更佳。采用海下原位检测远传至信号站，可实时在线检测，亦可远传分析监控，且仪器制造成本低，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。

Claims (7)

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。
4.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。
5.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。
6.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：所述光学气体检测室内设置有两个曲面反射镜。
7.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：还包括与光谱信息处理分析模块连接的信号远传模块。
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