CN109154537A - 使用光耦合到实芯光纤的空芯光纤的分布式气体检测系统和方法 - Google Patents

使用光耦合到实芯光纤的空芯光纤的分布式气体检测系统和方法 Download PDF

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CN109154537A CN201780029273.0A CN201780029273A CN109154537A CN 109154537 A CN109154537 A CN 109154537A CN 201780029273 A CN201780029273 A CN 201780029273A CN 109154537 A CN109154537 A CN 109154537A
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Abstract

一种分布式气体检测系统，其包括实芯光纤、空芯光纤和询问器装置。所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光。所述空芯光纤设置在不同位置处。每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过对应实芯光纤进行传输的至少一些光。所述询问器装置被配置成接收通过所述实芯光纤和所述空芯光纤进行传播的至少一些光。所述询问器装置被配置成通过检查在至少一个所述空芯光纤中吸收的光的至少一个波长，识别所关注气体的存在位置。

Description

使用光耦合到实芯光纤的空芯光纤的分布式气体检测系统和 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月13日提交的美国专利申请第15/154,509号的优先权，所述申请的公开内容以全文引用的方式并入本发明中。
政府许可权利
本发明按照美国能源部授予的DE-AR0000543号合同在美国政府支持下进行。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
已经开发了各种装置来感测和测量在人造位置或自然位置处(例如油井、管道、矿井、制造厂、精炼厂等)不同气体的浓度。监测气体的存在和浓度可以用于各种应用中，例如检测管道中的泄漏，以确保不存在大量浓度的有毒气体(一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)等)，以确保爆炸性气体(甲烷(CH4))、氢气(H2)等)低于相应的爆炸极限，以识别混合物中的气体(出于运输监护、热含量等原因)，或者出于各种其它原因。可以使用光谱提供高灵敏和选择性传感器，原因是每种气体呈现唯一的光谱指纹，使得气体吸收和发射特定波长的光能。气体相对是透明的，然而，气体的吸收线强度可能相对较小，难以检测。
为了适应小吸收线强度，在光谱中使用的光需要通过气体中的长路径长度，以便建立光谱传感器的足够的灵敏度，提供在测试样本中所关注气体的浓度的测量。例如，光谱传感器的光源可以与光谱传感器的检测器分开一公里或者更长的距离以实现必要的路径长度，但此距离在大多数应用中是不实际的。
其它已知类型的光谱传感器限定具有两个反射镜的光腔，并被称作光腔传感器。气体被约束在光腔内，并且光在被检测之前在两个反射镜之间反射多次。尽管此技术允许有可管理的装置大小，但由于需要维持反射镜的非常精确的对准，所以是有问题的。例如温度变化、振动、湿度等的条件的变化可以使反射镜不对准，或者另外干扰这些光腔传感器的灵敏度和/或准确度。因此，本技术通常不用于在各种现场环境(例如油井垫或气井垫(wellpad)、管道、矿等)中的远程无人值守的测量。而且，光腔传感器通常相对较贵。
一些气体泄漏检测系统使用靠近传送气体所通过的管道定位的感测管路(sensing pipe)或感测管(sensing tube)。此感测管路或感测管可以具有开口，允许从管道泄漏的气体扩散到感测管路或管中。气浪或另一气体可被引入到感测管路或感测管中，以通过感测管路或感测管移动从管道泄漏的气体。感测管路或感测管可包括在一端处的气体传感器，用以感测通过感测管路或感测管且由气浪推向传感器的泄漏气体。
这些类型的泄漏检测系统可能不能够准确地确定沿非常长的管道的长度上泄漏的位置。泄漏的位置近似基于在传感器处检测的气体的浓度和气浪被引入到感测管路或感测管时之间的时间延迟。因为气体可能通过气浪沿感测管路或感测管的长度分散，所以如果气体在达到管一端的传感器之前必须通过管行进非常长的距离，则准确地确定气体首先扩散到感测管路或感测管中的哪个地方是困难或不可能的。例如，在气浪将泄漏气体推向传感器之前可能要花数天的时间，导致在泄漏被检测之前有大的延迟，并且相对于快速地检测泄漏，可能增加损失气体的程度和/或环境破坏。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种系统(例如分布式气体检测系统)，其包括实芯光纤(solid core fibers)、空芯光纤(hollow core fibers)和询问器装置(interrogatordevice)。所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光。所述空芯光纤设置在不同位置处。每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应实芯光纤进行传输的至少一些光。所述询问器装置被配置成接收通过所述实芯光纤和所述空芯光纤进行传播的至少一些光。所述询问器装置被配置成通过检查在至少一个所述空芯光纤中吸收的光的至少一个波长，识别所关注气体(gas-of-interest)的存在位置(location of a presence)。
在一个实施例中，提供了一种系统(例如分布式气体检测系统)，其包括细长的感测管、实芯光纤、空芯光纤和询问器装置。所述感测管具有开口，通过所述开口，所关注气体可以从所关注气体源进入所述感测管中。所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光。所述空芯光纤沿所述感测管的长度设置在不同位置中。所述空芯光纤至少部分地设置在所述感测管的内部。每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应实芯光纤进行传输的至少一些光。所述询问器装置被配置成接收通过一个或多个所述实芯光纤和一个或多个所述空芯光纤进行传播的至少一些光。所述询问器装置被配置成通过检查在一个或多个所述空芯光纤处吸收的光的至少一个波长，识别来自所关注气体源的所关注气体的存在位置。
在一个实施例中，提供了一种方法(例如用于分布式气体检测)，所述方法包括沿具有开口的细长感测管的长度的不同位置处提供多个空芯光纤，通过所述开口，所关注气体可从所关注气体的源进入所述感测管中。所述空芯光纤至少部分地设置在所述感测管的内部。每个所述空芯光纤与多个实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应的实芯光纤进行传输的光。所述方法包括：接收已通过一个或多个所述实芯光纤和一个或多个所述空芯光纤进行传播的光；以及基于被接收的光，确定一个或多个波长的光是否已经被一个或多个空芯光纤内部的所关注气体吸收。所述方法还包括基于光的所述一个或多个波长被其中的所关注气体吸收的一个或多个空芯光纤的位置，确定所关注气体的源的位置。
附图说明
图1图示了分布式气体泄漏检测系统的一个实施例。
图2图示了分布式气体泄漏检测系统的另一个实施例。
图3图示了根据一个实施例的感测管和可以设置在感测管内部的空芯光纤的一个区段的横截面图。
图4图示了根据一个实施例的感测管和可以设置在感测管内部的空芯光纤的一个区段的横截面图。
图5图示了根据一个实施例的感测管的一个区段的横截面图。
图6图示了根据另一个实施例的气体泄漏检测系统。
图7图示了用于检测在检测位置处所关注气体的存在的方法的一个实施例的流程图。
图8图示了分布式气体检测系统的另一个实施例。
图9图示了根据实施例的分布式气体检测系统的一个区段，还示出了系统900的区段的一部分的放大图。
图10是根据一个实施例在接合位置处分布式气体检测系统的一个区段的横截面图。
图11是根据另一实施例在接合位置处分布式气体检测系统的一个区段的横截面图。
图12图示了根据另一实施例的分布式气体检测系统的一个区段，还示出了所述系统的区段的一部分的放大图。
图13图示了用于检测在检测位置处所关注气体的存在的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地了解各个实施例。图在某种程度上说明了各种实施例的功能块的图，这些功能块未必指示硬件(包括电路)之间的划分。因此，例如，功能框中的一个或多个(例如，处理器、控制器或存储器)可以被实现为单件硬件(例如，通用信号处理器或随机存取存储器、硬盘等)或多件硬件中。类似地，程序可以是独立式程序，可以作为子例程并入操作系统中，可以在安装的软件包中起作用，等等。应当理解，各个实施例不限于附图所示的布置和手段。图中所示的部件的大小不一定是成比例的，且/或可以具有不同的长宽比。
如本说明书所用的术语“系统”或“装置”可以包括用来执行一个或多个功能的硬件和/或软件系统。举例来说，装置或系统可包括一个或多个计算机处理器、微处理器、现场可编程门阵列、集成电路、控制器或其它基于逻辑的装置，他们基于存储于例如计算机存储器的有形和非暂时性计算机可读存储介质上的指令进行操作。替代性地，装置或系统可包括基于装置的硬接线逻辑进行操作的硬接线装置。在附图中示出的装置可以表示根据软件或硬连线指令而操作的硬件、指导硬件执行操作的软件、或其组合。硬件可以包括电子电路，所述电子电路包括和/或连接到一个或多个基于逻辑的设备诸如微处理器、处理器、控制器等。这些装置可以是现成的装置，它们用上文所描述的指令适当地编程或者指导以执行在本说明书所描述的操作。另外或替代地，这些设备中的一个或多个可以利用逻辑电路硬接线来执行这些操作。
如本发明所使用，以单数形式叙述且跟在词语“一(a)”或“一个(an)”后的元件或步骤应理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非明确陈述此类排除。另外，对“一个实施例”的提及并不希望被解释为排除也并有所叙述的特征的额外实施例的存在。此外，除非明确地陈述为相反情况，否则“包括”或“具有”带有特定属性的一个元件或多个元件的实施方案可以包括不带有该属性的其他此类元件。
本发明中描述的本发明主题的一个或多个实施例提供分布式气体泄漏检测系统和方法。所述系统和方法可以检测从管道泄漏的气体的存在以及泄漏的位置。例如，甲烷可能从油气井垫或者从管道(pipelines)泄漏。甲烷还是地下煤矿井中的一个棘手的爆炸源。由于气体可能大面积存在，所以可能需要在多个感测位置确定泄漏源的位置。
本发明中描述的系统和方法可以使用空芯光纤(hollow core optical fibers；HCF)用于沿相对长的路径长度传输红外光(或其它波长的光)，以灵敏地检测甲烷和其它类型的气体泄漏。可以沿HCF的长度在不同的位置从侧面对HCF穿孔，使得在外部环境中的泄漏气体可以扩散到光束正在传播的HCF的空芯中。替代性地，HCF只在HCF长度的端部具有开口，在侧面不穿孔。光吸收测量，例如可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)能够用来进行气体浓度的高灵敏度测量，还可以基于通过HCF接收的光区分呈现不同的吸收波长的不同类型的气体。
本发明中描述的系统和方法可以用来检测和测量在各种应用中所关注气体的浓度。例如，气体感测系统可以用来监测在油井或井垫处、沿管道长度、在矿井中、在制造厂、在精炼厂、在工厂等处的气体。一种具体应用是检测来自管道的逸出甲烷泄漏。甲烷是温室效应的强有力的贡献者，其捕获地球的臭氧层内的红外辐射。本发明中描述的低成本但高灵敏度(～(约)百万分之10，或10ppm，较低检测极限)的气体感测系统可以沿管道设置以检测甲烷泄漏。甲烷泄漏的检测目的可以是降低可以作为产品出售的甲烷的损失，降低对由于温室气体排放造成的对环境的破坏等。在测量来自油气井垫的逸出(fugitive)甲烷排放的实例应用中，甲烷排放可以被监测，以便符合设计成降低温室气体排放的规定，降低可作为产品出售的甲烷的损失等。尽管气体感测系统在现场定位在管道或井垫处，但气体感测系统可以被远程地监测，允许远程监测例如在不同管道和/或井垫处的多个气体感测系统。
通过检测气体样本吸收并发射光能的波长，光谱(spectroscopy)可以用于气体感测。这些波长称作吸收光谱，其对各种类型的气体是特定的或唯一的。例如，甲烷在不同波长具有几个吸收带，例如在近红外(NIR)范围中的1.65微米处的吸收带。此吸收带位于由电信业使用的波长的“窗口”内，并通过常规的实芯光纤传输数据，吸收带可从1260nm(“O”带)一直延伸到1675nm(“U/XL”带)。在此波长范围中具有吸收线的其它气体包括水蒸汽、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)。
微结构(microstructured)(或“有洞的”)光纤具有多孔的光纤结构，并以几种不同方式利用此多孔性将光局限于光纤芯，使得光可沿光纤长距离进行传播。这些类型的光纤可以用作本发明中描述的HCF。美国专利申请第14/876,411号描述了各种空芯微结构光纤，其可以用作本发明中描述的HCF，所述申请的全部公开内容通过引用被并入本发明中。
图1图示了分布式气体泄漏检测系统200的一个实施例。系统200沿测试位置104检测一种或多种所关注气体的存在、浓度和/或位置。在图示的实施例中，测试位置104是运送一种或多种所关注气体的管道102，但可选地，测试位置104可以是地下矿井(undergroundmine)、填埋物、水处理厂、油井平台或气井平台等。系统200监测沿测试位置104的长度的所关注气体。测试位置104可能遭遇可能对例如恒温器(hermocouples)、LED或光电二极管等的某些电子设备有害的环境条件，或者可能包含气体或其它物质的爆炸性混合物的环境条件，因为其不可能接近地定位电设备。例如，测试位置104可以是地热井，油井和/或气井，油井垫和/或气井垫，油管道和/或气管道、矿井等。在其它实例中测试位置104可以是工业设施，例如制造厂、精炼厂或工厂。作为再一实例，测试位置104可以是与水力压裂结合使用的井眼(wellbore)。
测试位置104可以理解为是远程的是因为测试位置104可以定位在距系统200的部件的某距离处，系统200被配置成生成和/或接收通过测试位置104传送的信号。例如，测试位置104所包括的或表示测试位置104的管道102的部分可以距离系统200的部件有100公里。因此，信号生成和/或信号处理设备例如可以保持在与沿测试位置104的系统200的部件不同的环境条件下。替代性地，系统200的信号生成和/或信号处理部件可以定位在测试位置104处或者接近测试位置104，且可以容置在保护壳体或外壳内，以保护这些部件免受测试位置104的环境条件的影响，所述环境条件例如高温和低温、湿度、碎片、振动、爆炸性气体混合物等。
系统200包括光纤组件206，光纤组件206沿测试位置104的各种长度或整个长度延伸。光纤组件206可以由与实芯光纤210光耦合的多个HCF 108形成。与多个HCF 108相比，实芯光纤210可以是不具有空心内部的光纤。当光可以沿多个HCF 108和实芯光纤210以及在多个HCF 108和实芯光纤210内传输时，多个HCF 108和实芯光纤210可以相互光耦合。
在图示的实施例中，光纤组件206通过穿孔的感测管120延伸，穿孔的感测管120沿测试位置104延伸。所述感测管120可以是塑料管或者在其中设置光纤组件206的空间体积(例如在塑料板和管道102之间)。感测管120是多孔的，并包括开口122，通过开口122测试位置104处的气体可(例如从管道102泄漏)扩散到管120的内部空间中。尽管只示出几个开口122，但更多的开口122可以沿感测管120的长度存在于不同位置处。开口122可以钻孔到感测管120中，或者替代性地，可以是感测管120本身的材料或覆盖感测管120的膜的材料中的整体开口。例如，感测管120可以由具有可渗透(permeable to)所关注气体的多孔开口122的多孔橡胶或橡胶类材料制成。在另一实例中，感测管可以用膜(membrane)覆盖，膜具有可渗透所关注气体的多孔开口122。可选地，开口122可以制成抵制或阻碍不关注或可能阻塞管的水或其它液体和/或气体进入的尺寸。
光纤组件206包括与不同的多个HCF 108单独地耦合的几个不同的实芯光纤210。每个HCF 108可以与HCF 108的相对侧上的实芯光纤210连接，并设置在HCF 108的相对侧上的实芯光纤210之间。多个HCF 108可以沿感测管120的长度设置在不同位置，以提供对气体泄漏的分布式感测。例如，如图1中所示，从光源114延伸到多个HCF 108的实芯光纤210的长度对不同的HCF 108可以不同。替代性地，光纤组件206可包括拼接在一起(splicedtogether)的一串或一系列实芯光纤210。
系统200包括询问器装置(interrogator device)212，询问器装置212检测沿光纤组件206的长度一种或多种所关注气体的存在和/或位置。询问器装置212包括与光纤组件206光耦合的光源114。如本发明中所使用，两个部件“光耦合(optically coupled)”时，有充足量的光从部件中的一个发射以在另一部件处感测。光源114产生光，光传输到光纤组件206。光源114可以是发射红外范围内的光的激光器，例如近-IR范围。由光源114产生的光进入实芯光纤210并通过其传播到多个HCF 108。多个HCF 108的空芯从实芯光纤110接收光。
多个HCF 108可包括端口孔，端口孔从多个HCF 108的外表面延伸到HCF 108的空芯中。端口孔被制成允许外部环境中的气体(例如可以从管道102或另一源泄漏)扩散到空芯中的尺寸，其中，气体可以与通过空芯传播的光相互作用。如本发明中所使用，气体与光的“相互作用”涉及由气体对不同波长的光能的吸收和发射，这影响和/或改变通过光纤的空芯进行传播的光能的特性。替代性地，取代端口孔或者除了端口孔之外，多个HCF 108可包括在多个HCF 108端部处的开口，这些开口被制成允许气体扩散到空芯中并与通过空芯传播的光相互作用的尺寸。例如，在一个实施例中，多个HCF 108包括在端部的开口，但不包括端口孔。
在图示的实施例中，光源114将光发射到通向多路复用器(multiplexer)228(在图1中为“10:1MUX”)的一个或多个实芯光纤中，多路复用器228划分光并传送所分的光进入与不同的多个HCF 108光耦合的实芯光纤210中。多路复用器228可以将从光源114接收的光在不同时间传送到不同实芯光纤210中。通过多个HCF 108的芯传播的光继续通过HCF 108的另一侧上的实芯光纤210传播到光束组合器(beam combiner)230。光束组合器230从不同的实芯光纤210接收光，之后将所接收的光传送到检测器116。在替代性实施例中，系统200包括功率分配器(power divider)来代替多路复用器228。功率分配器被配置成划分并分配从光源114发射的光进入不同的实芯光纤210中。
询问器装置212还包括检测器116，检测器116测量所接收的光。检测器116可以是被配置成用在红外气相光谱中的光学传感器、光学相机等。询问器装置212的一个或多个处理器118表示硬件电路，该硬件电路包括一个或多个微处理器、现场可编程门阵列或集成电路和/或与一个或多个微处理器、现场可编程门阵列或集成电路连接。处理器118基于由检测器116接收的光确定多个HCF 108中一种或多种气体的存在、浓度和/或位置。例如，处理器118可以分析所反射的光，识别在多个HCF 108内与光相互作用的各种所关注气体以检测这些气体的存在。处理器118可使用气相IR光谱分析光。例如，处理器118可以将在检测样本中检测的吸收带的波长与已知气体的已知吸收带波长比较，以便识别测试样本中的一种或多种气体。除了识别气体之外，处理器118还可以确定气体的浓度。处理器118可以确定多个HCF 108中的气体包括例如水蒸汽、二氧化碳、甲烷和乙烷，还可以检测这些所识别气体的浓度和/或相对浓度。
处理器118可以被配置成响应于检测到泄漏生成控制信号，例如发送警告。处理器118还可以响应于检测到一种或多种所关注气体生成控制信号，例如用于自动地调度附加检查，发起井的关闭，激活停止气体泄漏或出口的系统等。例如，询问器装置212可包括通信装置126，通信装置126将信号传送到另一位置，所述信号例如是通知其它人检测到泄漏和/或泄漏的位置的信号，或为使得一个或多个阀门关闭并阻止通过管道102传送的气体通过管道102的泵送的信号等。通信装置126可以表示一个或多个天线、一个或多个调制解调器和/或关联的收发电路。
在一个实施例中，多个实芯光纤210和多个HCF 108传送由光源114以各种模式生成的光，且不局限于沿光纤210和HCF 108只以一种模式传播光。光可以通过例如实芯光纤210的光纤以垂直极化模式、水平极化模式和/或光的垂直和水平极化的组合或混合进行传播。多个光纤210和HCF 108可以不局限于只传播或传送单个模式(single mode)的光。例如，通过实芯光纤210和HCF 108进行传播的光可以通过实芯光纤210以垂直极化、水平极化和/或垂直和水平极化的混合方式传播到HCF 108(并且可选地，在到达一个或多个其它HCF108之前通过一个或多个HCF 108)。光可以相同或不同的极化继续或反射返回检测器116。例如，光纤108、210可以不限制光以单个极化或模式传播到HCF 108或者从HCF 108传播。
在一个实施例中，系统200包括控制气体源124(例如，在图1中“泵”)，控制气体源124提供气浪或空气进入感测管120中。由源124提供的控制气体或空气可以与被系统200检测的所关注气体不同，防止在泄漏气体相对由源124提供的控制气体或空气的检测之间混淆。源124可以是推动环境空气通过感测管120的泵或风扇。源124可以周期性地、不规则地或者根据需要推动空气或另一气体通过感测管120，使得在测试位置104泄漏的气体通过感测管120移动。泄漏气体将在感测管120中泄漏位置处具有比沿感测管120的其它位置更大的局部浓度。通过推动来自源124的空气或气体，泄漏气体的局部浓度可以通过感测管120移动。当泄漏气体通过感测管120移动时，询问器装置212可以发射光并测量所反射的光，以识别泄漏气体浓度达到HCF 108(代表感测鼻部)中的一个的时间，以帮助识别沿着测试位置104或在测试位置104中泄漏所处的位置。
如上面描述的，测试位置104可以表示沿着运送一种或多种所关注气体的管道102或在其周围的面积(area)或体积，不过替代性地可以在地下矿井、油井或气井的平台周围、沿线或内部等。本发明中描述的系统可包括在寻求被监测一种或多种所关注气体的存在的面积内不同位置处的多个HCF 108，所关注气体例如但不限于甲烷。多个HCF 108可以定位在沿管道的长度的不同位置，在地下矿井的不同位置，在采矿平台上的不同位置等，以检测气体的存在。尽管本发明中的描述和所示的图示涉及沿管道的长度设置的多个HCF 108，但并非本发明主题的所有实施例都局限于管道。
与使用单个HCF 108检测沿测试位置104的气体泄漏的存在和/或位置相比，系统200可包括沿测试位置104在不同位置的几个HCF 108，以检测气体泄漏的存在和/或位置。HCF 108可以相互间隔开相对大的距离，例如十千米或者另一距离，以提供沿测试位置104延伸非常大的面积或距离的泄漏检测。实芯光纤210可以允许光通过光纤210在比多个HCF108更长的距离上进行传播。结果，实芯光纤210可以与HCF 108拼接(be spliced with)，以允许HCF 108与光源114和/或检测器116间隔开。
另外，将光纤组件206与询问器装置212连接的单个或多个实芯光纤210可以允许询问器装置212定位成距离测试位置104相对远。询问器装置212可以设置得远离测试位置104，使得在询问器装置212的位置中泄漏气体爆炸的风险可以非常低或不存在。这可以允许询问器装置212在不必减小功率限制和/或相对于靠近测试位置104的询问器装置而不必定位在防爆包装内操作。
图2图示了分布式气体泄漏检测系统300的另一实施例。与图1中所示的系统200类似，系统300检测沿测试位置104的一种或多种所关注气体的存在、浓度和/或位置。系统300包括光纤组件306，光纤组件306沿测试位置104的各种长度或整个长度延伸。光纤组件306可以由与多个实芯光纤310光耦合的多个HCF 108形成。与HCF 108相比，实芯光纤310可以是不具有空心内部的光纤。当光可以沿HCF 108和实芯光纤310以及在HCF 108和实芯光纤310内传输时，HCF 108和实芯光纤310可以相互光耦合。光纤组件306可以至少部分地设置在感测管120内。尽管感测管120中的开口122(图1中示出)在图2中不可见，但感测管120可包括开口122，以允许感测管120外部的气体到达HCF 108。感测管还可以用膜覆盖，膜可渗透所关注气体，但抵制或阻止水或其它液体和/或不关注或可能阻塞管的气体进入。
与图1中示出的光纤组件206相比，光纤组件306包括单独地与不同的多个HCF 108耦合的几个不同的实芯光纤310。每个HCF 108可以与HCF 108的一侧上的一个实芯光纤310连接。实芯光纤310具有不同的长度，使得HCF 108设置在沿感测管120的长度的不同位置，以提供气体泄漏的分布式感测。HCF 108可包括在HCF 108的端部内部、之处或附近的反射器，所述端部与连接实芯光纤310以反射光的端部相对。
系统300包括询问器装置312，询问器装置312检测沿光纤组件306的长度的一种或多种所关注气体的存在和/或位置。询问器装置312包括光源114，光源114在光纤组件306的一端上与光纤组件306光耦合。光源114产生光，所述光传输到光纤组件306。在图示的实施例中，光源114将光发射到通往多路复用器228(在图2中为“MUX”)的一个或多个实芯光纤中，多路复用器228划分光并传送所分的光进入与不同的多个HCF 108光耦合的多个实芯光纤310中。通过HCF 108的芯传播的光反射回询问器装置312的检测器116。
多路复用器228从不同的实芯光纤310接收反射的光，之后将所接收的光传送到检测器116。如上面描述的，检测器116接收光，处理器118检查光以确定沿测试位置104或者在测试位置104内气体泄漏的存在和/或位置。
图3图示了根据一个实施例的感测管420的一个区段和可以设置在感测管420内部的多个HCF 108中的一个的横截面图。感测管420可以表示本发明中描述的一个或多个感测管。如图3中示出的，HCF 108可具有由包层(cladding)433径向围绕或包围的空芯432，如在美国专利申请第14/876,411号中所描述。图3中没有示出如上面描述的可以与HCF 108光耦合的实芯光纤210、310(在图1和图2中示出)。
为了测量从源102(示于图2中)泄漏的气体的存在，气体通常通过一个或多个开口122(在图3中没有示出但在图1中示出)进入感测管420，并逐渐移动到HCF 108的空芯432中。气体移动到空芯432中可能花费大量的时间，例如几小时或几天，原因是可能从源102泄漏的相对低的气体浓度和对应的扩散速率。结果，使用多个HCF 108检测泄漏气体的气体泄漏检测系统可能在一个或多个HCF 108的空芯432的内部不具有足够的气体而在泄漏开始之后相当长时间检测到泄漏。
感测管420包括增大从源102泄漏的气体可以进入感测管420内部的一个或多个HCF 108的空芯432中的速率的内部形状。这可能导致相对于其它感测管在泄漏开始之后不久就有更多的气体进入HCF 108中。感测管420在HCF 108的相对端434,436的两端产生压力差，使得气体被吸入到HCF 108的空芯432中。
感测管420包括内部表面438，内部表面438围绕或包围管420的内部空间440径向延伸。允许泄漏气体进入管420中的开口122延伸通过管420的外部主体442，以提供到管420的内部空间440的入口。结果，从源102泄漏的气体可以进入到管420的内部空间440中。相比相同的HCF 108的相对端434，在HCF 108的一端436或者更靠近所述一端436处，内部表面438可以具有减小的喉部442。减小的喉部442是管420的一个区段，在此管420的内部空间440的横截面面积小于HCF 108的相对端434处或其附近位置处的面积。例如，在HCF 108的一端434的管420的横截面面积421(在垂直于流动方向442和/或管420的中心轴线的平面测量)可以比在HCF 108的一端436的管420的横截面面积423(在垂直于流动方向442和/或管420的中心轴线的平面中测量)更大。相对于较大面积421，较小的面积423限制气体和空气通过管420的流动。
感测管420中在HCF 108的不同端434,436的横截面面积的不同使得在不同端434,436的泄漏气体中有压力差。此压力差可以使得气体被吸引、拉动或另外吸入到HCF 108的内芯432中。例如，相比在管420的内部空间440的其它体积中，在管420的减小的喉部442内的管420的内部空间440的体积中，在感测管420内部从源102泄漏的气体的压力可以更低。在HCF 108的端部436处的此较低压力可以使得气体通过HCF 108的端部434被吸引、拉动或吸入到HCF 108的内芯432中。在感测管420的体积中的HCF 108的端部434中，泄漏气体压力高于HCF 108的相对端436所位于的体积中的压力，这可称作较高压力端，而相对端436可以称作较低压力端。
相比较小的压力差，此压力差迫使泄漏气体更快速地进入HCF 108的空芯432中。相比较小压力差，感测管420的内部形状可以产生压力差，使得空芯432内部的泄漏气体的浓度在较短时段内变得较大。相比HCF 108内的较小的浓度，HCF 108内气体的更大浓度或量可导致气体的存在被更可能地检测到。结果，相比没有压差的系统，可以更早更快地检测泄漏气体。
尽管在图3中只示出感测管420的一个减小喉部区段，但感测管420可包括几个减小喉部区段。例如，HCF 108的几个或全部可以各自定位在感测管420中，HCF 108的一端在管420的相应减小喉部面积内，HCF 108的相对端在管420的较大面积内。
图4图示了根据一个实施例感测管520的一个区段和可以设置在感测管520内部的HCF 508的横截面图。感测管520可以表示本发明中描述的一个或多个感测管。HCF 508可以类似于上面描述的HCF 108。例如，HCF 508可以具有由包层533径向围绕或包围的空芯532，且可以允许光通过内部的芯532传播，检测气体的存在，如在美国专利申请第14/876,411号中所描述的。图4中没有示出如上面描述的可以与HCF 508光耦合的实芯光纤110、210、310(在图1和图2中示出)。
还如上面所描述，为了测量从源102(图1中示出)泄漏的气体的存在，气体通常通过一个或多个开口122(在图4中没有示出但在图1中示出)进入感测管520中，且逐渐移动到一个或多个HCF 508的空芯532中。为了增大气体进入到一个或多个HCF 508的空芯532中的速率，并降低检测气体的存在所需的时间(也称作检测时间)，一个或多个HCF 508可包括挡板(baffle)544。挡板544可以在感测管520内产生压力差，这类似于图3中所示的感测管420的减小的喉部442。此压力差可以将感测管520中的气体吸引、拉动或吸入到HCF 508中时。
在图示的实施例中，挡板544为锥形体，锥形体的较小直径的横截面面积附接或设置得比同一HCF 508的相对端534更靠近HCF 508的一端536。可选地，挡板544可以具有另一形状，例如金字塔形、截锥形状、球形形状等，或者可以由从HCF 508延伸的平面体形成。挡板544相对于在挡板544外部(例如沿流动方向442在挡板544的上游)的HCF 508的包层533的外表面的部分成钝角，相对于在挡板544内部(例如沿流动方向442在挡板544的下游)的HCF 508的包层533的外表面的部分成锐角。
挡板544可以更靠近一个HCF 508的端部536设置，在HCF 508的端部534,536之间感测的气体中生成压力差。与图3中所示的管420中的减小的喉部442类似，挡板544可以相对于同一HCF 508的另一端部534减小在HCF 508的端部536处或附近的管520的内部空间540的横截面面积。相对于在管520远离挡板544或不包括挡板544的位置处，在HCF 508和管520的内表面之间的横截面面积521，在管520的内部空间540中流动的气体和/或空气(例如由于沿流动方向442空气的流动)具有减小的横截面面积523，在该面积523中，气体和/或空气在挡板544和管520的内表面之间流动。结果，产生压力差，管520中的气体的压力在HCF508的端部536处、附近或靠近处低于同一HCF 508的相对端部534。
此压力差可以使得气体被吸引、拉动或另外吸入到HCF 508的内部的芯532中。例如，相比在管520的内部空间540的其它体积中，在挡板544和管520的内表面之间的减小的横截面面积内的管520的内部空间540中，在感测管520内部从源102泄漏的气体的压力可以更大。在HCF 508的端部536处的此较低压力可以使得气体通过HCF 508的端部534被吸引、拉动或吸入到HCF 508的内部的芯532中。
相比较小的压力差，此压力差迫使泄漏气体更快速地进入HCF 508的空芯532中。相比HCF 508内的较小的浓度，HCF 508内气体的更大浓度或量可导致气体的存在被更可能地检测。结果，相比没有压差的系统，可以更快地检测泄漏气体。
图5图示了根据一个实施例的感测管620的一个区段的截面图。感测管620可以表示本发明中描述的一个或多个感测管。感测管620包括较大直径级或区段646和较小直径级或区段648。如图5中所示，从源102泄漏的气体和/或空气在感测管620的较大区段646中流动所通过的横截面面积621可以比从源102泄漏的气体和/或空气在感测管620的较小区段648中流动所通过的横截面面积623更大。
与图1-2中所示的感测管120相比，感测管620可以从一端652延伸到相对端654，相对端652,654设置得比没有弯曲650(例如图1中所示的管120)的管620更靠近在一起(例如在图1中所示的测试位置104的相同端)。将管620的端部652,654设置成靠近在一起，可允许相比端部652,654分开定位，气体泄漏检测系统的更多部件共同定位。例如，泵124(示于图1中)可以与端652联接，并与询问器装置212(示于图1中)共同定位，而不是在感测管120的相对端。
区段646,648相互流体联接。在图示的实施例中，区段646,648由管620中的弯曲650流体联接。可选地，可以使用另一管道来流体联接区段646,648。区段646,648的流体联接允许在管620的端部652处或者与管620的端部652联接处从泵124流动的空气(在泄漏的情况下从源102泄漏的气体)沿流动方向442通过管620的较大区段646，通过弯曲650或者区段646,648之间的其它流体联接并通过较小区段648(例如在较大区段646中的流动方向442相对的方向)流动。
几个HCF 108可以与感测管620联接。图5中没有示出如上面描述的可以与HCF 108光耦合的实芯光纤110、210、310(在图1和图2中示出)。在图示的实施例中，每个HCF 108的一端656延伸到感测管620的较大区段646中(例如，通过感测管620中的一个或多个开口)，同一HCF 108的相对端658延伸到同一感测管620的较小区段648中。
为了测量从源102泄漏的气体的存在，气体通常通过一个或多个开口122进入感测管620(图5中未示出，但在图1中示出)并逐渐移动到一个或多个HCF 108的空芯中。泵124可以与感测管620的较大区段646的端部652流体联接，沿流动方向442生成气流。如上面所描述，此气流可以使泄漏气体通过感测管620移动。
感测管620的区段646、648的不同的横截面面积621、623可以跨一个或多个HCF108的相对端656、658在泄漏气体中生成压力差。在感测管620的较大区段646中的较大横截面面积621使得在一个或多个HCF 108的端部656处的泄漏气体的压力高于在较小区段648中同一HCF 108的端部658的泄漏气体的压力(例如由于较小的横截面面积623)。在感测管620的较小区段648中流动的气体和/或空气具有较小的横截面面积623，其中，气体和/或空气在相对于感测管620的较大区段646的横截面面积621上流动。结果，产生压力差，管620中的气体的压力在HCF 108的端部658处、附近或靠近处低于同一HCF 108的相对端部656。
此压力差可使得气体被吸引、拉动或另外吸入到HCF 108的内芯中。相比较大区段646，在较小区段648中，在感测管620内部的从源102泄漏的气体的压力可以更低。在HCF108的一端658处的此较低压力可以使得气体通过HCF 108的端656被吸引、拉动或吸入到HCF 108的内芯中。相比HCF 108内的较小的浓度，HCF 108内气体的更大浓度或量可导致气体的存在被更可能地检测。结果，相比没有压差的系统，可以更快地检测泄漏气体。
图6图示了根据另一实施例的气体泄漏检测系统700。图6还图示了系统700的一部分的放大视图701。系统700包括感测管720，感测管720可以与图1中所示的感测管120相似或相同。尽管图6中没有示出，感测管720可包括开口122(示于图1中)，以允许从源102(示于图1中)泄漏的气体进入到感测管720的内部。
一个或多个HCF 108通过一个或多个实芯光纤710与系统700的询问器212或312(图6中没有示出，但在图1-2中示出)光耦合，这可以与实芯光纤110,210或310相似或相同。与图1-4中所示的气体泄漏检测系统和感测管相比，实芯光纤710和HCF 108的部分或大部分(例如至少大部分)设置在系统700中感测管720的外部。实芯光纤710可以附接到感测管720的外表面，且可以通过机械接头接头(mechanical splice)或连接器(connector)760与一个或多个HCF 108连接。所述接头760将实芯光纤710与HCF 108的端部658光耦合，允许通过实芯光纤710传播的光进入到HCF 108的空芯中并通过所述空芯传播。在一个实施例中，所述接头760可以用来将实芯光纤与本发明中描述的一个或多个其它实施例的HCF光耦合。所述接头760可以开放到感测管720外部的大气压力。
包括HCF 108的端部656的HCF 108的区段可以设置在感测管720内部，而HCF 108的剩余部分设置在感测管720的外部。在一个实施例中，HCF 108在感测管720内部的区段比HCF 108在感测管720外部的区段要短。感测管720包括一个或多个传感器孔762，HCF 108通过传感器孔762延伸到感测管720的内部。除了从源102(示于图1中)泄漏的气体进入感测管720中所通过的开口122之外，传感器孔762可以是传感器管720中的开口。替代性地，气体进入感测管720所通过的一个或多个开口122可以用作一个或多个传感器孔762。
HCF 108的端部656通过或经由传感器开口762插入到感测管720的内部空间中。在传感器开口762上提供密封件764，HCF 108通过密封件764延伸。密封件764可以是不允许感测管720内部的气体或空气通过传感器开口762流入或流出传感器管720的气密密封件。密封件764可以由刚性或弹性材料形成，例如热塑料材料、橡胶材料等。
如上面所描述，从源102泄漏的气体可通过管720中的一个或多个开口122进入感测管720的内部。此气体可通过相应HCF 108的端部656进入一个或多个HCF 108的空芯中。如上文所描述，在实芯光纤710中在感测管720外部传播的光可以进入HCF 108中，可选地由HCF 108的端部656处或附近的反射器反射，检测在HCF 108的空芯中气体的存在。
在感测管720外部设置实芯光纤710和HCF 108的至少一个区段允许系统700增加到现有的感测管720，而不必更换或明显更改感测管720。例如，尽管可能需要在感测管720中产生附加孔以形成传感器孔762，可能不需要对感测管720进行其它更改(包括对感测管720的内部进行变化)。这可以允许使用图6中示出的系统700的实施例容易地用系统700改装现有的感测管。
流动气体离开所通过的管720的端部可以另外具有流动限制阀或溢流阀。当空气从另一端被泵入管720中时，由于限制阀或溢流阀管720内部的压力增大。这在HCF两端产生压力差，使得管720内的气体被迫使进入HCF的开口656中，原因是HCF 658的另一端在管外部，并处于较低的大气压力。
图7图示了用于检测测试位置中所关注气体的存在的方法800的一个实施例的流程图。方法800可以由本发明中描述的系统的一个或多个实施例执行，以检测在地下矿井中、在采矿平台上或者在另一位置处从管道泄漏的所关注气体(例如但不限于甲烷)的存在。
在802处，可选地通过感测管引导空气，所述感测管具有在感测管中或者沿感测管的不同位置设置的多个空芯光纤。此空气可通过感测管被推动，使所关注气体通过感测管移动以帮助检测气体。空气可在周期性间隔、在所选时间或者按需时间连续地、或者在其它时间被迫使通过感测管。例如，空气可以不连续地被迫使或泵送通过感测管。
在804处，可选地更改感测管内部的压力。如上面所描述，此压力可以被更改，以跨越或者在一个或多个空芯光纤的相对端之间产生压力差。可以产生此压力差，以便将感测管中的空气和/或气体吸引、拉动或吸入到一个或多个HCF中，而减小检测所关注气体可能存在所需的时间段。替代性地，可以不执行804。
在806处，朝多个空芯光纤引导光。具有一个或多个指定的或操作员选择的波长的光可以朝空芯光纤引导。这些波长可以基于所关注气体选择。例如，不同的气体可吸收不同量的不同波长的光。控制传播到并进入空芯光纤的光的波长允许确定检测到哪些气体。如上面所描述，光可以通过一个或多个实芯光纤引导到空芯光纤。
在808处，在光通过一个或多个空芯光纤之后接收至少一些光。例如，光可以通过空芯光纤，且光的一部分可以被一个或多个空芯光纤中的气体吸收。可选地，光可以通过一个或多个空芯光纤，并通过空芯光纤中或者与空芯光纤连接的反射器反射回来。
在810处，检查所接收的光，确定光的一个或多个波长是否在一个或多个空芯光纤中被吸收。光的一个或多个波长(例如根据所检测的光子的数目，强度或其它测量)相对于光的其它波长在幅值上的减小可以指示光的减小的波长被一个或多个空芯光纤内的气体吸收。
在812处，对所吸收的光是否指示所关注气体的存在进行确定。例如，如果光的一个或多个波长减小，则可以对减小的一个或若干波长是否是由所关注气体吸收的光的波长进行确定。如果所关注气体没有吸收这些波长的光，则所关注气体可能在空芯光纤(曾由此接收被检查的光)处不存在。结果，方法800的流程可返回802，或者可选地返回804处，806处或者可以终止。但是，如果所关注气体确实吸收这些波长的光，则所关注气体可能存在于空芯光纤(曾由此接收被检查的光)处。结果，方法800的流程可朝814继续。
在814处，确定所关注气体的位置。例如，基于减小被所关注气体吸收的光的一个或多个波长的空芯光纤的位置和通过感测管的空气的流动速率，可以确定气体的泄漏位置或者气体源的位置。通过计算在检测到气体信号之前空气流到空芯光纤的时间，并通过基于此时间计算的距离气体源的距离，可以确定所述位置。
在816处，可以执行一个或多个响应动作。例如，响应于检测气体泄漏或气体源，处理器118可以生成并传送使得输出装置(例如光、扬声器等)警告气体的存在及气体的位置的警告信号。可选地，警告信号可以传送到正将气体通过管道移动的泵，以关闭泵，停止气体通过管道的移动。替代性地，可以执行一个或多个其它动作。
图8图示了分布式气体检测系统900的另一实施例。与图2中所示的系统300类似，系统900检测沿测试位置104一种或多种所关注气体的存在、浓度和/或位置。系统900包括光纤组件906，其沿测试位置104的各种长度或整个长度延伸。光纤组件906由与实芯光纤310光耦合的多个HCF 108形成，使得光可以在HCF 108和实芯光纤310之间的界面内及跨越所述界面传输。与图3中所示的光纤组件306类似，每个HCF 108光耦合到HCF 108的一端上的对应(单个)的实芯光纤310。
系统900包括沿测试位置104延伸的空的细长感测管120。感测管120包括开口122，开口122沿感测管120的长度间隔开。可选地，开口122可以是多孔的或者微型多孔开口，其被制成充分小的大小，以便允许气体通过开口122扩散，同时禁止或阻止液体和/或固体通过开口122。可选地，感测管120还可以用膜覆盖，膜可渗透所关注气体，但抵制或阻止水或其它液体和/或可能阻塞管120的固体进入。
系统900还包括来自图2中所示的系统300的询问器装置312，询问器装置检测沿光纤组件906的长度一种或多种所关注气体的存在和/或位置。询问器装置312包括光源114，光源114在光纤组件906的一端上与光纤组件906光耦合。光源114产生光，光传输到光纤组件906。在图示的实施例中，多路复用器228划分光，并将所分的光传送到实芯光纤310中。例如，多路复用器228可以将光作为脉冲按指定序列一次一个地传送到不同实芯光纤310中。多个实芯光纤310与不同的HCF 108光耦合，使得HCF 108根据所述序列接收光。通过HCF108的所述芯传播的光在HCF 108的远端处、之内或邻近处通过存在的反射器(例如反射镜)反射回询问器装置312的检测器116，所述远端与连接实芯光纤310的相对端相对。多路复用器228从实芯光纤310接收反射的光，之后将所接收的光传送到检测器116。如上面描述的，一个或多个处理器118检查由检测器116接收的光，确定沿测试位置104或者在测试位置104内气体泄漏的存在和/或位置。
由于HCF 108沿感测管120的长度被设置在不同的间隔开的位置，提供气体泄漏的分布式感测，所以实芯光纤310具有不同的长度以在询问器装置312和对应的HCF 108之间延伸。HCF 108之间的距离可以相对较大，例如大约5千米或大约10千米。此外，询问器装置312可以远离测试位置104。为了从询问器装置312到对应的HCF 108延伸全部距离，实芯光纤310的一些可以表示在端部光拼接在一起的一连串或一系列实芯光纤310。例如，分别具有10千米长度的四个实芯光纤310可以拼接(spliced)在一起以延伸40千米的距离而将HCF108中的一个光耦合到询问器装置312。
类似于图6中所示的气体泄漏检测系统700，系统900的实芯光纤310和HCF 108的部分设置在感测管120外部。例如，每个HCF 108的第一端908光耦合到感测管120外部的对应的实芯光纤310。HCF 108在HCF 108的相应位置处延伸到感测管120中，使得每个HCF 108的相对的第二端910设置在中空感测管120的内部空间内。感测管120包括通过感测管120的外壁延伸的传感器孔912。每个HCF 108通过传感器孔912的对应一个延伸。替代性地，一个或多个开口122(通过其从源(管道102)泄漏的气体进入感测管120)可以用作传感器孔912，通过传感器孔912，HCF 108延伸到感测管120中。尽管图8中未示出，但感测管120可包括在传感器孔912处或邻近处围绕HCF 108的密封件(例如图10中所示的密封件1020)，以便密封感测管120。例如，密封件可以填充在HCF 108和传感器孔912的边缘之间限定HCF 108突出所通过的任何气隙或间隙。所述密封件可提供不允许气体通过传感器孔912流入或流出感测管120的密封。
在图示的实施例中，任何实芯光纤310的任何部分都不定位在感测管120内。实芯光纤310可以通过机械接头或者连接器760(示于图6中)光耦合到感测管120外部的HCF 108的第一端908。如上面关于图6所描述，机械接头760可以固定并定位实芯光纤310的端部和HCF 108的相对的第一端908，允许通过实芯光纤310传播的光进入到HCF 108的空芯并通过所述空芯传播，对于反射光反之亦然。
如上面所描述，从管道102或其它源泄漏的气体可通过管120中的一个或多个开口122进入感测管120的内部中。此逸出气体可通过感测管120内相应HCF 108的第二端部910进入一个或多个HCF 108的空芯中。从光源114通过实芯光纤310传输的光进入HCF 108中，并由HCF 108的端部910处或附近的反射器反射。一个或多个HCF 108内的逸出气体可以吸收至少一些波长的光，这可由询问器装置312的检测器116和/或处理器118检测，检测HCF108中气体的存在。
控制气体源124(例如泵)通过感测管120引导控制气体，例如空气，以将感测管120内的任何逸出气体推向下游HCF 108。由于被泵送通过感测管120的空气的量、流量、温度和/或压力，感测管120内的压力增大到比感测管120外部的环境压力更大的压力。例如，感测管120可以配装有流动限制或溢流阀，以控制感测管120中的压力。如上面所描述，感测管120可以是气密密封的，这允许在感测管120内的气体和感测管120外部的气体之间产生压力差。由于HCF 108的第二端910在感测管120内，第二端910相比在管120外部的第一端908处于较大的压力。感测管120内的较大压力迫使管120内的气体在第二端910处进入HCF 108的开口中。因此，通过迫使所关注气体进入HCF 108中，此压力差支持气体泄漏的检测，其中，可使用本发明中描述的光谱技术检测所关注气体。压力差迫使气体以比依赖于没有压力差(例如等压扩散)扩散的更大的速度进入HCF 108中，相对于依赖等压扩散，这可提高检测的准确度。
将实芯光纤310和HCF 108的至少一个区段设置在感测管120外部，允许系统900被并入现有的感测管120，而不必更换或明显更改感测管120。例如，尽管可能需要在感测管120中产生附加孔以形成传感器孔912，可能不需要对感测管120进行其它更改(包括对感测管120的内部进行变化)。因此，系统900可以用来容易地改装已经沿测试位置104延伸的现有的感测管120。
在图示的实施例中，实芯光纤310至少部分地设置在空的细长的光纤导管(fiberconduit)914内，光纤导管914邻近感测管120设置，并沿感测管120的长度延伸。实芯光纤310被容置或包含在光纤导管914的内部空间中。除了将管、管道或电缆的相邻区段接合在一起的轴环、连接器等之外，光纤导管914可包括或表示管、管路、电缆等。光纤导管914可以由例如钢的金属和/或塑料构成。可选地，光纤导管914可以具有比感测管120更小的直径。例如，光纤导管914可以具有1/4英寸的直径，而感测管120的直径为至少1/2英寸。在图示的实施例中，HCF 108的第一端908设置在光纤导管914内，且光耦合到光纤导管914内的对应的实芯光纤310。
除了容置分布式气体检测系统900的实芯光纤310和HCF 108的部分之外，光纤导管914中可选地还可以包含其它电线和/或光纤。例如，光纤导管914可以包含用于其它气体检测技术的光纤，例如，声学感测(例如分布式声学感测(DAS))、温度感测(例如分布式温度感测(DTS))、应力感测等等。DAS和/或DTS使用的光纤未光耦合到HCF 108。而且，光纤导管914可包含用来传送例如控制信号或数据的信号的电线和/或光纤。光纤导管914可选地还可包含用于将电功率(例如电流)提供至负载的电线。因此，本发明中描述的分布式气体感测可与其它感测技术或形式结合安装，使得本发明中描述的分布式气体感测使用与其它感测技术相同的光纤导管914。本发明中描述的分布式气体感测可以与其它感测技术结合。
光纤导管914可选地可以是现有的管道，实芯光纤310可以吹制(blown)、拉动、吸引或另外插入到光纤导管914中。可以邻近光纤导管914或者在光纤导管914内，只在沿光纤导管914的长度的特定、间隔开的位置，安装HCF 108。因此，系统900可以用来容易地改装已经沿测试位置104延伸的现有的光纤导管914。
图9图示了根据实施例分布式气体检测系统900的一个区段。图9还示出系统900的一个区段的一部分的放大图915。由于感测管120和光纤导管914可沿管道102的长度或者另一测试位置104延伸长距离，例如高达或超过100千米，所以感测管120和光纤导管914包括沿所述距离间隔开的接合位置916。接合位置916(和其中的HCF 108)可以与相邻接合位置916(和HCF 108)分开至少0.5千米(500米)的距离，例如5千米或10千米。图9中只示出一个接合位置916，但图示的接合位置916可以与其它接合位置相同或至少相似。接合位置916代表操作员可进入感测管120和/或光纤导管914的接近点。例如，操作员可以在接合位置916处将实芯光纤310和/或HCF 108插入到光纤导管914中。操作员可以通过例如打开盖或者去除管的小部分通过端口孔(未示出)在接合位置916处进入感测管120和光纤导管914的内部空间。操作员还可以检查和/或操纵在接合位置916处在光纤导管914内的光纤，例如进行测试或者执行维修。接合位置916还可以表示管或管道的两个分立长度通过连接器、轴环或其它联接构件机械接合在一起的连接点。例如，管或管道的长度可以为五千米或十千米，接合位置916可以间隔开与管或管道的长度对应的距离。
在图示的实施例中，管道102设置在地下(例如在地表918下面)。感测管120和光纤导管914的长度的大部分类似地埋入地下。在接合位置916处，感测管120和光纤导管914在地上延伸，允许地面918上的操作员接近感测管120和光纤导管914。如图9中所示，在接合位置916处感测管120和光纤导管914的区段定位得相对靠近在一起，例如彼此之间大约两米，大约一米或者更小。
如在感测管120和光纤导管914的放大横截面图915中所示，感测管120在一个实施例中通过在其之间延伸的桥接管920在接合位置916处连接至光纤导管914。桥接管920可以连接至感测管120的传感器孔912中的一个。桥接管920可以在传感器孔912周围气密密封到感测管120。桥接管920中包含HCF 108中的一个的至少一部分。由于桥接管920将感测管120连接至光纤导管914，所以桥接管920限定节点。HCF 108定位在节点处。例如，HCF 108从感测管120内通过桥接管920的至少一部分延伸，光耦合到对应的实芯光纤310。在图示的实施例中，HCF 108光耦合到桥接管920内部的实芯光纤310，使得第一端908定位在桥接管920内。例如，HCF 108通过定位在桥接管920内的机械接头921光耦合到实芯光纤310。在另一实施例中，HCF 108可以完全通过桥接管920延伸，使得第一端908在光纤导管914之内，且光耦合到光纤导管914内的实芯光纤310。尽管图9中未示出，但桥接管920中可包括至少一个密封件，其在HCF 108周围将桥接管920密封。例如，密封件可以在HCF 108的外表面和桥接管920的内表面之间径向延伸而气密密封管920，以阻止气流通过管920从感测管120到光纤导管914(或反之亦然)流动。
图10是根据实施例在接合位置916处的系统900的一个区段的横截面图。图10示出将光纤导管914和感测管120连接以限定节点的桥接管920。在图示的实施例中，光纤导管914包括导管连接器1002，其将光纤导管914的两个管区段1004机械连接，延伸光纤导管914的长度。要认识到，如上面所描述，管区段1004可以是管道、管、电缆等。导管连接器1002是连接器构件，例如轴环(collar)、套筒(sleeve)、套圈(ferrule)、接头等。此外，图10中的感测管120包括管连接器1006，其将感测管120的两个管区段1008机械连接，以延伸感测管120的长度。管连接器1006可以是轴环、套筒、套圈、接头等，管区段1008可以是管道、管、电缆等的长度。
在图示的实施例中，桥接管920机械联接到导管连接器1002和管连接器1006。替代性地，桥接管920可以联接到管区段1004中的一个和/或管区段1008中的一个。HCF 108在图示的实施例中完全通过桥接管920延伸，使得第一端908设置在光纤导管914的导管连接器1002内，第二端910设置在感测管120的管连接器1006内。第一端908通过机械接头921(以虚线示出)光耦合到对应的实芯光纤310的远端1012。机械接头921包括用来控制光射线通过两个光纤310,108的方向的两个光控制装置(例如透镜)1010。HCF 108具有在两个端部908,910之间的长度，且可以在大约0.1米到10米之间，例如在一个实例中为大约1米。HCF 108的长度可以基于在节点处光纤导管914和感测管120之间的空间。如图10中所出，桥接管920包括密封件1020，其将桥接管920密封在HCF 108周围。密封件1020可以由刚性或弹性材料形成，例如热塑料材料、橡胶材料等。密封件1020可以是气密(或密闭)密封件，其允许感测管120中的压力和光纤导管914中的压力之间存在压力梯度。HCF 108的空芯432可以提供从感测管120到光纤导管914的唯一泄漏路径。然而，空芯432的直径可能足够小，例如小于50微米，来保持压力梯度。
在图示的实施例中，系统900包括在感测管120内与HCF 108的第二端910光耦合的反射器1014。反射器1014图示为凹透镜，但在其它实施例中可以具有其它形状和/或部件(例如一个或多个透镜)。反射器1014被配置成将从HCF 108接收的光反射回HCF 108，使得光通过HCF 108和实芯光纤310传播回询问器装置312(示于图8中)。在图示的实施例中，反射器1014与HCF 108的端部910至少稍微间隔开，使得端部910暴露到感测管120中的周围环境。尽管未示出，但实芯光纤的短的区段可光学定位在HCF 108的第二端910和反射器1014之间，并用来将光在HCF 108和反射器1014之间引导。
HCF 108具有在第二端910处的远端开口1016，通过该开口1016，允许例如所关注气体的气体扩散到HCF 108的空芯432中。空芯432内的气体可以与通过HCF 108传播的光相互作用，吸收光的至少一些波长，这可以由询问器装置312检测。HCF 108在第一端908处还具有近端开口1018。可选地，包层433沿近端开口1018和远端开口1016之间的HCF 108的长度并不包括任何端口孔，但在替代性实施例中，HCF 108可以具有沿所述长度的至少一些端口孔。
如图10中所示，除了光耦合到图示的HCF 108的实芯光纤310A之外，光纤导管914包括多个光纤。例如，光纤导管914包括用于声学感测的DAS光纤1022以及两个附加实芯光纤310B、310C。实芯光纤310B、310C分别光耦合到位于不同节点和/或接合位置916的不同的对应HCF 108(示于图8中)，提供分布式气体检测。在接合位置916处，每个光纤1022、310B、310C的两个区段通过相应的光学接头1024拼接在一起。光学接头1024可以与机械接头921相似或者可以与之不相似。
图11是根据另一实施例在接合位置916处系统900的一个区段的横截面图。类似于图10中所示的实施例，系统900包括桥接管920，HCF 108通过桥接管920延伸到感测管120中。桥接管920所连接的光纤导管914在图11中没有示出。与图10中所示的实施例相对，图11中的桥接管920由上游管区段1102和下游管区段1104限定。每个管区段1102,1104在光纤导管914(示于图10中)和感测管120的管连接器1006之间延伸，并将其两者连接。根据气体(或另一控制气体)泵送通过感测管120的流动方向，管区段1102,1104称作上游管区段和下游管区段。在接合位置916处的HCF 108通过上游管区段1102延伸并通过管连接器1006中的第一传感器孔912A进入感测管120中。在感测管120内通过接头921实芯光纤310被光耦合到HCF 108的第二端910。实芯光纤310从感测管120通过第二传感器孔912B并通过下游管区段1104延伸到光纤导管914中。因此，图11中示出的实芯光纤310的大部分或至少一部分设置在感测管120外部。
如上面所描述，HCF 108的第一端908光耦合到感测管120外部的对应的实芯光纤310A(示于图10中)。实芯光纤310A称作上游实芯光纤310A，图11中的实芯光纤310称作下游实芯光纤310B。根据气体(或另一控制气体)泵送通过感测管120的流动方向，实芯光纤310A、310B称作上游光纤和下游光纤。HCF 108因此链接在上游实芯光纤310A和下游实芯光纤310B之间，限定提供光传输路径的一连串或一系列光纤。图11中示出的分布式气体检测系统900的实施例包括图1中示出的询问器装置212或者相似的询问器装置，其中，光源114(图1)和检测器116(图1)彼此远程定位，例如在测试位置104(图1)的相对端。例如，上游实芯光纤310A(示于图10中)可以将光从光源114传输到HCF 108，在此光可以与HCF 108内的气体相互作用。下游实芯光纤310B可以将光从HCF 108传输到检测器116，用于对光进行光谱分析，确定HCF 108内的气体特性。在一个实施例中，上游管区段1102包括第一密封件1020A，下游管区段1104包括第二密封件1020B。第一密封件1020A密封HCF 108周围，如图10中所描述，第二密封件1020B密封下游实芯光纤310B周围。
图12图示了根据另一实施例的分布式气体检测系统900的区段，还示出了系统900的区段的一部分的放大图1202。图示的实施例类似于图9中所示的实施例。例如，感测管120和光纤导管914设置在地下，沿包括气体管道102的测试位置104延伸。在接合位置916处，感测管120和光纤导管914延伸到地表918，允许操作员接近感测管120和光纤导管914。与图9中所示的实施例不同，图12中图示的实施例包括在接合位置916处的接线盒1204。尽管只示于一个接线盒1204，系统900可包括在所有(或者至少一些)接合位置916处的接线盒1204。因此，接线盒1204可以沿感测管120的长度间隔开。
放大视图1202示出根据实施例的接线盒1204的横截面。接线盒1204围绕感测管120的一部分和光纤导管914的实芯光纤310的长度。例如，感测管120通过第一入口端口1206延伸进接线盒1204中，并通过第一出口端口1208离开接线盒1204。光纤导管914耦合到接线盒1204的第二入口端口1210，且可选地通过接线盒1204的第二入口端口1210至少部分地延伸。光纤导管914还耦合到第二出口端口1212，并在第二出口端口1212处从接线盒1204延伸。实芯光纤310A中的一个光耦合到在感测管120的外部但在接线盒1204内的HCF 108的第一端908。例如，HCF 108可以通过接线盒1204内(但在感测管120的一部分的外部)的机械接头921光耦合到实芯光纤310A。HCF 108通过感测管120中的传感器孔912从感测管120延伸到接线盒1204的内部(并且延伸到接头921)。感测管120可以通过传感器孔912处的密封(未示出)与接线盒1204中的空气密封。其它实芯光纤310和光纤导管914内的任何附加的光纤、线或缆线可以通过第二入口端口1210和第二出口端口1212之间的接线盒1204，无需耦合到HCF 108或者与感测管120相互作用。
在一个实施例中，接线盒1204是压力密封的(例如气密)，并包括减压阀1216(或另一压力控制装置)来缓和接线盒1204内的压力。例如，减压阀1216可以被配置成将接线盒1204内的压力保持在大气压力。感测管120内的压力可以大于接线盒1204内的压力，这在HCF 108的第一端908和第二端910之间产生压力差。如上面所描述，相比不存在压力梯度或者接线盒1204内的压力大于感测管120中的压力，此压力差迫使更多的气体从感测管120进入到HCF 108中。HCF 108内增大量的气体可以改进分布式气体检测系统900的性能(例如准确度)。
图13图示了用于检测测试位置中所关注气体的存在的方法1300的一个实施例的流程图。方法1300可以由本发明中描述的系统的一个或多个实施例执行，以检测在地下矿井中、在采矿平台上或者在另一位置处从管道泄漏的所关注气体(例如但不限于甲烷)的存在。例如，方法1300可以由图8-12中所示的系统900的一个或多个实施例执行。
在1302处，将实芯光纤安装到光纤导管中。可以通过各种安装技术将实芯光纤安装到沿测试位置延伸的现有的光纤导管，例如吹制、吸引或拉动实芯光纤在接合位置处进入光纤导管中。例如，光纤导管可以被掩埋，且延伸到地表的光纤导管的唯一区段是接合位置。可以通过吹制、吸引或拉动等操作使实芯光纤在接合位置处进入预先存在的光纤导管中，将实芯光纤在接合位置安装到光纤导管中。因此，无需挖掘光纤导管，实芯光纤可以安装到光纤导管中。
在1303处，提供空芯光纤(HCF)以通过感测管沿测试位置的不同位置延伸。HCF可以安装成使得HCF的第一端在感测管的外部，HCF的相对的第二端设置在感测管内。感测管穿孔和/或多孔，以允许来自测试位置的气体扩散到感测管的内部空间中。至少一些气体可扩散到感测管内的一个或多个HCF中。可选地，HCF可以安装在现有的感测管上，例如沿感测管的长度在接合位置处。在1306处，HCF光耦合到感测管的外部的实芯光纤。例如，每个HCF的第一端光耦合到在光纤导管内、接线盒内或者桥接管内对应的实芯光纤，所述桥接管在光纤导管和感测管之间延伸及将光纤导管和感测管连接。HCF可以可选地在接合位置处光耦合到实芯光纤。可以使用机械接头将HCF光耦合到实芯光纤。
在1306处，可选地通过感测管轴向地引导例如空气的控制气体。通过泵或另一控制气体源，控制气体可以被推动或吸引通过感测管。控制气体使任何所关注气体通过感测管移动，帮助检测气体。流动控制气体可以将所关注气体移动到延伸进入感测管中的一个或多个HCF中，使得至少一些所关注气体扩散到一个或多个HCF中。例如，感测管可以具有比感测管的外部的环境更大的内压，这可能部分是由于感测管内控制气体的压力造成。因此，感测管内的HCF的第二端可以比感测管的外部的HCF的第一端压力更大。压力差可以将所关注气体吸入感测管一个或多个HCF的第二端中。可以按周期间隔、以所选时间或按需时间连续地、或者在其它时间迫使控制气体通过感测管。例如，空气可以不连续地被迫使或泵送通过感测管。
在1308处，光通过实芯光纤引导到HCF中。光可以具有一个或多个指定的或操作员选择的波长。这些波长可以基于所关注气体选择。例如，不同的气体可吸收不同量的不同波长的光。控制传播到HCF并进入HCF中的光的波长允许确定检测哪些气体。HCF内的光可以与HCF内的气体相互作用。例如，取决于每个HCF中气体的类型，气体可以吸收光的一个或多个波长。
在1310处，在光通过一个或多个HCF传输之后，接收至少一些光。在一个实施例中，光可以通过HCF，并通过附加的实芯光纤进行传输到检测器。在替代性实施例中，光可以通过HCF，并通过HCF中的反射器或者光耦合到HCF的反射器朝光源反射回来。在任一种情况下，光可以由询问器装置的检测器接收。在1312处，检查所接收的光，确定光的波长是否在一个或多个HCF中被吸收。光的一个或多个波长(例如根据所检测的光子的数目，强度或其它测量)相对于光的其它波长的幅值的减小可以指示光的减小的波长被一个或多个HCF内的气体吸收。
在1314处，对所吸收的光是否指示所关注气体的存在进行确定。例如，如果光的波长减小，则可以对减小的波长是否是由所关注气体吸收的光的特征波长进行确定。如果所关注气体没有吸收减小的光的这些波长，则在HCF(由其曾接收被检查的光)处可能不存在所关注气体。结果，方法1300的流程可返回1306，或者可选地返回1308或者可以终止。但是，如果减小的光的波长是所关注气体吸收的特征波长，则所关注气体可以在HCF(由其接收被检查的光)处存在。结果，方法1300的流程可继续到1316。
在1316处，确定所关注气体的位置。例如，可以通过按序列一次将光引导到一个HCF，确定接收被检查的光的特定HCF。还按序列一次从一个HCF接收光，使得被检查的光与对应的HCF关联。沿测试位置的HCF的位置是已知的。基于由所关注气体吸收的光的一个或多个波长在HCF中的位置和通过感测管控制气体(例如空气)的流动速率，可以确定气体源的位置(例如泄漏位置)。在检测气体信号之前，可通过测量控制气体从感测管中的起始位置流到HCF的时间量，并基于此时间量和控制气体的流速，通过计算从起始位置到气体源的距离，确定位置。
在1318处，可以执行一个或多个响应动作。例如，响应于检测气体泄漏或气体源，处理器118可以生成并传送使得输出装置(例如灯、扬声器等)警告气体的存在并提供气体的位置的警告信号。可选地，警告信号可以传送到正将气体通过管道移动的泵，以关闭泵，停止气体通过管道的移动。在另一实例中，警告信号可以作为消息被自动化地传送到与操作员和/或控制中心关联的移动装置。警告信号可以提供关于所检测的逸出气体的信息，例如气体类型、气体浓度和沿测试位置(例如管道、井眼、矿、井垫等)气体的位置的识别。替代性地或者另外，可以执行一个或多个其它动作。
在一个实施例中，提供了一种系统(例如分布式气体检测系统)，其包括实芯光纤、空芯光纤和询问器装置。所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光。所述空芯光纤设置在不同位置处。每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应实芯光纤进行传输的至少一些光。所述询问器装置被配置成接收通过所述实芯光纤和所述空芯光纤进行传播的至少一些光。所述询问器装置被配置成通过检查在至少一个所述空芯光纤中吸收的光的至少一个波长，识别所关注气体的存在位置。
可选地，所述空芯光纤和所述实芯光纤至少部分地设置在具有开口的细长感测管内，通过所述开口，所关注气体可以从所关注气体的源进入所述感测管中。所述空芯光纤沿所述感测管的长度设置在不同位置处。
可选地，所述感测管包括具有一个或多个减小的喉部的内表面，在一个或多个空芯光纤的第一端处所述内表面的横截面面积比在一个或多个空芯光纤的相对的第二端的内表面的横截面面积更小。
可选地，一个或多个空芯光纤与从所述空芯光纤向外延伸的挡板联接。相比所述空芯光纤的相对的第二端，所述挡板更靠近所述空芯光纤的第一端定位。相对于空芯光纤的第二端，所述挡板减小在空芯光纤的第一端处感测管的横截面面积。
可选地，所述感测管包括与较小区段流体联接的较大区段。较大区段具有比较小区段更大的横截面面积。一个或多个所述空芯光纤的第一端设置在感测管的较大区段中，一个或多个空芯光纤的相对的第二端设置在感测管的较小区段中。
可选地，所述实芯光纤设置在具有开口的细长感测管的外部，通过所述开口，所关注气体可从所关注气体的源进入感测管中。所述空芯光纤包括与在所述感测管的外部的实芯光纤光耦合的第一端和延伸进所述感测管的内部空间中的第二端。
可选地，第二实芯光纤附接到延伸到所述感测管的内部空间中的所述空芯光纤的至少一个的第二端。
可选地，所述空芯光纤被配置成设置在地下矿井、采矿平台或沿管道延伸的感测管中的一个或多个的不同位置。
在一个实施例中，提供了一种系统(例如分布式气体检测系统)，其包括细长感测管、实芯光纤、空芯光纤和询问器装置。所述感测管具有开口，通过所述开口，所关注气体可以从所关注气体源进入所述感测管中。所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光。所述空芯光纤沿所述感测管的长度设置在不同位置中。所述空芯光纤至少部分地设置在所述感测管的内部。每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应实芯光纤进行传输的至少一些光。所述询问器装置被配置成接收通过一个或多个所述实芯光纤和一个或多个所述空芯光纤进行传播的至少一些光。所述询问器装置被配置成通过检查在一个或多个所述空芯光纤处吸收的光的至少一个波长，识别来自所述源的所关注气体的存在位置。
可选地，所述空芯光纤和所述实芯光纤设置在所述感测管内。
可选地，所述实芯光纤设置在所述感测管的外部。所述空芯光纤包括与在所述感测管的外部的实芯光纤光耦合的第一端和延伸进所述感测管的内部空间中的第二端。
可选地，所述系统还包括在所述感测管内的反射器。所述反射器设置成至少部分地与所述空芯光纤的第二端邻近并与之光耦合，以将通过所述空芯光纤进行传输的光在朝向所述光源的方向上反射回所述询问器装置。
可选地，与所述空芯光纤的第一端光耦合的实芯光纤为上游实芯光纤。所述系统还包括与感测管内的空芯光纤的第二端光耦合的下游实芯光纤。下游实芯光纤从所述感测管突出，使得下游实芯光纤的一部分设置在所述感测管的外部。
可选地，所述空芯光纤包括限定空芯的包层。每个所述空芯光纤被配置成接收通过在所述空芯光纤的第二端处的远端开口进入所述空芯中的所关注气体。
可选地，所述感测管限定由所述空芯光纤延伸通过的传感器孔。所述感测管包括在所述传感器孔处围绕所述空芯光纤以密封所述传感器孔的密封件。
可选地，所述系统还包括邻近所述感测管设置并沿所述感测管的长度延伸的光纤导管。所述实芯光纤设置在所述光纤导管内。
可选地，所述空芯光纤的第一端设置在所述光纤导管内并与其中对应的实芯光纤光耦合。
可选地，所述系统还包括在所述光纤导管和所述感测管之间延伸并连接所述光纤导管和所述感测管的桥接管(bridging tubes)。每个空芯光纤至少部分地设置在桥接管的相应一个内。
可选地，所述系统还包括沿感测管的长度间隔开的接线盒(junction boxes)。每个接线盒围绕所述感测管的一部分和所述实芯光纤的长度。每个空芯光纤至少部分地设置在对应的一个接线盒中，并与接线盒内的对应实芯光纤光耦合。
可选地，接线盒为压力密封的，包括减压阀(pressure relief valves)来控制所述接线盒内的压力。
可选地，除了所述实芯光纤之外，所述光纤导管还包含用于声学感测、温度感测或应力感测中的至少一种感测的至少一个光纤。
可选地，所述感测管定位成沿测试位置的长度延伸。测试位置表示管道、矿井、井眼或井垫中的一个或多个。
在一个实施例中，提供了一种方法(例如用于分布式气体检测)，其包括沿具有开口的细长感测管的长度的不同位置处提供多个空芯光纤，通过所述开口，所关注气体可从所关注气体的源进入所述感测管中。所述空芯光纤至少部分地设置在所述感测管的内部。每个所述空芯光纤与多个实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应的实芯光纤进行传输的光。所述方法包括接收已通过一个或多个所述实芯光纤和一个或多个所述空芯光纤进行传播的光；以及基于被接收的光，确定光的一个或多个波长是否已经被一个或多个空芯光纤内部的所关注气体吸收。所述方法还包括基于光的所述一个或多个波长被其中的所关注气体吸收的一个或多个空芯光纤的位置，确定所关注气体的源的位置。
可选地，每个所述空芯光纤的第一端设置在所述感测管的外部，每个所述空芯光纤的相对的第二端设置在所述感测管内。所述空芯光纤的第一端光耦合到定位在所述感测管的外部的对应实芯光纤。
可选地，所述方法还包括将所述实芯光纤安装到邻近所述感测管设置并沿所述感测管的长度延伸的光纤导管中。
可选地，所述方法还包括引导通过所述感测管的控制气体，以推动所关注气体轴向通过所述感测管并进入一个或多个所述空芯光纤中。
可选地，所述方法还包括响应于确定所关注气体的源的位置停止所关注气体在管道中的流动。
如本发明中所用，“被配置成”执行任务或操作的结构、限制或元件特别地以对应于所述任务或操作的方式在结构上形成、构造或调适。出于清楚目的并且为了避免疑惑，只能通过修改来执行任务或操作的对象并非“被配置成”执行如本发明中所用的任务或操作。替代地，如本发明中所用，使用“被配置成”表示结构适应或特征，并且表示被描述为“配置成”执行任务或操作的任何结构、限制或元件的结构要求。
应注意，可以以硬件、软件或者其组合实施各种实施例。各种实施例和/或部件，例如其中的模块或部件和控制器也可实施为一个或多个计算机或处理器的部分。计算机或处理器可以包括计算设备、输入设备、显示设备和界面，例如用于访问因特网。计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可联接到通信总线。计算机或处理器还可以包括存储器。存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory；RAM)和只读存储器(Read OnlyMemory；ROM)。计算机或处理器还可以包括存储设备，存储设备可以是硬盘驱动器或可移动的存储驱动器，例如固态驱动器、光学驱动器等。存储设备也可以是其它用于将计算机程序或其它指令加载到计算机或处理器内的类似构件。
应了解，以上描述希望为说明性而非限制性的。例如，上述实施方案(和/或其方面)可相互组合使用。例如，上述实施方案(和/或其方面)可相互组合使用。另外，可作出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导而不脱离其范围。本发明中描述的各种组件的尺寸、材料类型、定向和各种组件的数目与位置希望定义某些实施例的参数，且决非限制性且仅为示范性实施例。在审阅以上描述后，在权利要求书的精神和范围内的许多其它实施例和修改将对所属领域的技术人员显而易见。因此，本发明的范围应参考所附权利要求书以及此类权利要求被赋予的等效物的完整范围而确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作对应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英文等价词。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，且并旨在对其对象强加数字要求。此外，以下权利要求书的限制并不按照装置加功能格式编写并且不旨在基于35 U.S.C.§112(f)来解释，除非且直到这类权利要求限制明确使用短语“用于……的装置”随后没有进一步结构的功能陈述。
本书面描述使用实例来公开各种实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践各种实施例，包括制造和使用任何装置或系统和执行任何并入的方法。各种实施例的专利保护范围由权利要求限定，且可以包括所属领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者所述实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么所述实例预期在权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种系统，所述系统包括：
实芯光纤，所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光；
空芯光纤，所述空芯光纤设置在不同位置，每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过所述对应实芯光纤进行传输的至少一些光；以及
询问器装置，所述询问器装置被配置成接收通过所述实芯光纤和所述空芯光纤进行传播的至少一些光，所述询问器装置被配置成通过检查在所述空芯光纤的至少一个中吸收的光的至少一个波长，识别所关注气体的存在位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空芯光纤和所述实芯光纤至少部分地设置在具有开口的细长感测管内，通过所述开口所关注气体能从所关注气体源进入所述感测管中，所述空芯光纤沿所述感测管的长度设置在不同位置处。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述感测管包括具有一个或多个减小的喉部的内表面，在一个或多个所述空芯光纤的第一端处所述内表面的横截面面积比在所述一个或多个所述空芯光纤的相对的第二端处的内表面的横截面面积更小。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，一个或多个所述空芯光纤与从所述空芯光纤向外延伸的挡板联接，所述挡板定位成比所述空芯光纤的相对的第二端更靠近所述空芯光纤的第一端，其中，相对于所述空芯光纤的第二端，所述挡板减小在所述空芯光纤的第一端处所述感测管的横截面面积。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述感测管包括与较小区段流体联接的较大区段，所述较大区段具有比所述较小区段更大的横截面面积，其中，一个或多个空芯光纤的第一端设置在所述感测管的较大区段中，所述一个或多个空芯光纤的相对的第二端设置在所述感测管的较小区段中。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述实芯光纤设置在具有开口的细长感测管的外部，通过所述开口所关注气体能从所关注气体源进入所述感测管中，并且其中，所述空芯光纤包括与所述感测管的外部的实芯光纤光耦合的第一端和延伸进入所述感测管的内部空间中的相对的第二端。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，第二实芯光纤附接到延伸到所述感测管的内部空间中的所述空芯光纤的至少一个的第二端。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空芯光纤被配置成设置在地下矿井、采矿平台或沿管道延伸的感测管中的一个或多个的不同位置。
9.一种系统，所述系统包括：
具有开口的细长的感测管，通过所述开口，所关注气体能从所关注气体源进入所述感测管中；
实芯光纤，所述实芯光纤被配置成从光源接收一个或多个波长的光；
空芯光纤，所述空芯光纤沿所述感测管的长度设置在不同位置中，所述空芯光纤至少部分地设置在所述感测管的内部，每个所述空芯光纤与所述实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过对应实芯光纤进行传输的至少一些光；以及
询问器装置，所述询问器装置被配置成接收通过一个或多个所述实芯光纤和一个或多个空芯光纤进行传播的至少一些光，所述询问器装置被配置成通过检查在一个或多个空芯光纤处吸收的光的至少一个波长，识别来自所关注气体源的所关注气体的存在位置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述空芯光纤和所述实芯光纤设置在所述感测管内。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述实芯光纤设置在所述感测管的外部，所述空芯光纤包括与在所述感测管的外部的实芯光纤光耦合的第一端和延伸进所述感测管的内部空间中的相对的第二端。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括在所述感测管内的反射器，所述反射器设置成至少与所述空芯光纤的第二端邻近并与之光耦合，以将通过所述空芯光纤进行传输的光在朝向所述光源的方向上反射回所述询问器装置。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，与所述空芯光纤的第一端光耦合的所述实芯光纤为上游实芯光纤，所述系统还包括与所述感测管内所述空芯光纤的第二端光耦合的下游实芯光纤，所述下游实芯光纤从所述感测管突出，使得所述下游实芯光纤的一部分设置在所述感测管的外部。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述空芯光纤包括限定空芯的包层，每个所述空芯光纤被配置成接收通过在所述空芯光纤的第二端处的远端开口进入所述空芯中的所关注气体。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述感测管限定由所述空芯光纤延伸通过的传感器孔，所述感测管包括在所述传感器孔处围绕所述空芯光纤以密封所述传感器孔的密封件。
16.根据权利要求11所述的系统，还包括邻近所述感测管设置并沿所述感测管的长度延伸的光纤导管，所述实芯光纤设置在所述光纤导管内。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述空芯光纤的第一端设置在所述光纤导管内并与其中对应的实芯光纤光耦合。
18.根据权利要求16所述的系统，还包括在所述光纤导管和所述感测管之间延伸并连接所述光纤导管和所述感测管的桥接管，每个空芯光纤至少部分地设置在所述桥接管的对应一个内。
19.根据权利要求16所述的系统，还包括沿所述感测管的长度间隔开的接线盒，每个接线盒围绕所述感测管的一个区段和所述实芯光纤的长度，每个空芯光纤至少部分地设置在对应一个接线盒中并光耦合到所述接线盒内的对应的实芯光纤。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述接线盒是压力密封的并且包括减压阀来控制所述接线盒内的压力。
21.根据权利要求16所述的系统，其中，除了所述实芯光纤之外，所述光纤导管还包含用于声学感测、温度感测或应力感测中的至少一种感测的至少一个光纤。
22.根据权利要求9所述的系统，其中，所述感测管定位成沿测试位置的长度延伸，所述测试位置表示管道、矿井、井眼或井垫中的一个或多个。
23.一种方法，所述方法包括：
沿具有开口的细长感测管的长度在不同位置处提供多个空芯光纤，通过所述开口所关注气体可从所关注气体的源进入所述感测管中，所述空芯光纤至少部分地设置在所述感测管的内部，每个所述空芯光纤与多个实芯光纤的不同的对应一个光耦合，并被配置成接收通过对应的实芯光纤进行传输的光；
接收已通过一个或多个所述实芯光纤和一个或多个所述空芯光纤进行传播的光；
基于被接收的光，确定光的一个或多个波长是否已经被一个或多个空芯光纤内部的所关注气体吸收；以及
基于光的所述一个或多个波长被其中的所关注气体吸收的一个或多个空芯光纤的位置，确定所关注气体的源的位置。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，每个所述空芯光纤的第一端设置在所述感测管的外部，每个所述空芯光纤的相对的第二端设置在所述感测管内，所述空芯光纤的第一端光耦合到定位在所述感测管的外部的对应实芯光纤。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括将所述实芯光纤安装到邻近所述感测管设置并沿所述感测管的长度延伸的光纤导管中。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括引导控制气体通过所述感测管，以推动所关注气体轴向通过所述感测管并进入一个或多个所述空芯光纤中。
27.根据权利要求23所述的方法，还包括响应于确定所关注气体的源的位置停止所关注气体在管道中的流动。
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