CN111458310A - 基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征在于基于如下所述的检测系统，该系统包括：折射率检测单元、温度检测单元、湿度检测单元、外部探头以及计算单元；所述的外部探头包括：无源的光纤气室、无源干涉探头以及光纤光栅；检测过程如下：‑获取温度、湿度、压力及空气中CO₂的含量；‑根据Fdlen公式，计算空气折射率是温度、湿度、压力及空气中CO2含量的函数，针对这四个参数进行修正，最终得到当前原油挥发气体浓度数值，完成检测。

Description

基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法

技术领域

本发明涉及基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法。涉及专利分类号：G物理G01测量；测试G01N借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料G01N21/00利用光学手段，即利用红外光、可见光或紫外光来测试或分析材料G01N21/17入射光根据所测试的材料性质而改变的系统G01N21/25颜色；光谱性质，即比较材料对两个或多个不同波长或波段的光的影响G01N21/31测试材料在特定元素或分子的特征波长下的相对效应，例如原子吸收光谱术。

背景技术

现有技术中，由光源发出的散射光经聚光镜聚焦的光束到达平面镜，其中一部分光束通过平面镜反射，经气室的空气到达折光棱镜，折光棱镜将其折射回另一侧的空气室后回到平面镜并折射到后表面的反射膜上，通过反射膜反射到棱镜后经偏折进入望远镜系统。另一部分光束折射入平面镜后，在其后表面反射膜反射，穿过气室的甲烷经折光棱镜反射又回经甲烷室到平面镜，经平面镜的反射后与上述部分光束一同进入反射棱镜，经偏折进入望远镜系统。由于光程差的结果，在物镜的焦平面上产生干涉条纹，通过目镜既能观察到干涉条纹。当甲烷室与空气室都充满相同的气体时，干涉条纹位置不移动，但当甲烷抽进甲烷室，由于光束通过的介质发生改变，干涉条纹相对原位置移动一段距离。测量这个位移量，便可知甲烷在空气中的含量。

传统的可见光源和开放式的光路结构使得光干涉式甲烷检定器的检测精度和应用范围严重受限。

发明内容

本发明针对以上技术问题，提出的一种基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，基于如下所述的检测系统，该系统包括：

折射率检测单元、温度检测单元、湿度检测单元、外部探头以及计算单元；

所述的外部探头包括:

无源的光纤气室、无源干涉探头以及光纤光栅；

检测过程如下：

—获取温度、湿度、压力及空气中CO₂的含量；

—根据Edlen公式，计算空气折射率是温度、湿度、压力及空气中CO2含量的函数，针对这四个参数进行修正，最终得到当前原油挥发气体浓度数值，完成检测。

作为优选的实施方式，

激光通过环形器进入中心波长为1550nm的光纤光栅，光栅返回来的光进入环形器到达光电探测端PD，PD将反射光转化为电流，通过对PD电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量。进而测量出光栅所处位置的温度。

作为优选的实施方式，

所述的激光光源包括：通过光纤照射无源光纤气室的第一激光器以及通过耦合器分别照射干涉光路和光纤光栅温度传感器的第二激光器。

更进一步的，光纤光栅温度传感器包括光纤环形器、光电接收器，数据处理模块；

所述的第二激光器发射的激光通过所述的光纤环形器进入光纤光栅，光栅返回光进入环形器进入光电接收器转化为电流，通过对电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量，进而测量出光栅所处位置的温度。

更进一步的，待检测的气体浓度计算方法如下：

定义：修正后浓度P1、当前温度T、当前湿度Q、未修正浓度P、基准温度 T0、基准湿度Q0；

系统使用前进行初始化，初始化期间记录基准温度和基准湿度。

浓度修正算法如下：

P1＝(Q-Q0)*A+(T-T0)*B+P

A为湿度修正因数，B为温度修正因数，AB参数在初始化过程中进行设置。

更进一步，所述的探头还包括：

光纤分路器，外部入射光源经由该光纤分路器1，分为至少2束，进入气体检测回路和参考回路；

所述的检测回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于两准直器之间的开放型气体检测区域；

所述的参考回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于所述发射准直器和接收准直器之间的开放型参考区域。

更进一步的，所述的检测回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为检测光纤和对照光纤；

所述的检测光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型气体检测区域，由一接收准直器接收后，由一接收光纤传到至检测回路的末端光纤分路器；

所述的回路光纤分路器通过对照光纤与所述的末端光纤分路器连接。

更进一步的，所述的参考回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为参考光纤和对照光纤；

所述的参考光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型参考区域，由一接收准直器接收后经光纤传递至参考回路的末端光纤分路器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明干涉光路示意图

图2为本发明光强变化数据示意图

图3为本发明系统光学结构示意图

图4为本发明光栅测温原理示意图

图5为本发明探头的结构原理图

图6为本发明探头的结构示意图

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-3所示:一种基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，主要包括：折射率检测系统、温度检测系统、湿度检测系统。

折射率检测系统：

两列波在同一介质中传播发生重叠时，重叠范围内介质的质点同时受到两个波的作用。若波的振幅不大，此时重叠范围内介质质点的振动位移等于各别波动所造成位移的矢量和，这称为波的叠加原理。若两波的波峰(或波谷)同时抵达同一地点，称两波在该点同相，干涉波会产生最大的振幅，称为相长干涉；若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点，称两波在该点反相，干涉波会产生最小的振幅，称为相消干涉。理论上，两列无限长的单色波的叠加总是能产生干涉，但实际物理模型中产生的波列不可能是无限长的，并从波产生的微观机理来看，波的振幅和相位都存在有随机涨落，从而现实中不存在严格意义的单色波。例如太阳所发出的光波来源于光球层的电子与氢原子的相互作用，每一次作用的时间都在10秒的量级，则对于两次发生时间间隔较远所产生的波列而言，它们无法彼此发生干涉。基于这个原因，可以认为太阳是由很多互不相干的点光源组成的扩展光源。从而，太阳光具有非常宽的频域，其振幅和相位都存在着快速的随机涨落，通常的物理仪器无法跟踪探测到变化如此之快的涨落，因而无法通过太阳光观测到光波的干涉。类似地，对于来自不同光源的两列光波，如果这两列波的振幅和相位涨落都是彼此不相关的，称这两列波不具有相干性。相反，如果两列光波来自同一点光源，则这两列波的涨落一般是彼此相关的，此时这两列波是完全相干的。光波产生干涉现象需要满足3个条件：两列波的频率相同、振动方向相同以及有固定的相位差。只有满足了这3个条件的两束光称这两束光为相干光。假设有两个相干光波S1和S2在P点相遇，振幅为E10和E20，初相位分别为φ10 和φ20，S1和S2的光强为I1和I2，那么P点的光强为：

由以上公式可知，P点处的光强与△φ有关，△φ＝±2kπ时，I最大，此时干涉条纹最亮；△φ＝±(2k+1)π时，干涉条纹最暗。其中，△φ＝φ20-φ10-2π(r2-r1)/λ，r1和r2分别为S1光源位置与S2光源位置到P 点的距离，所以，I的大小与(r2-r1)有关，称(r2-r1)为光程差。

由以上公式可知，P点处的光强与△φ有关，△φ＝±2kπ时，I最大，此时干涉条纹最亮；△φ＝±(2k+1)π时，干涉条纹最暗。其中，△φ＝φ20-φ10-2 π(r2-r1)/λ，r1和r2分别为S1光源位置与S2光源位置到P点的距离，所以，I的大小与(r2-r1)有关，称(r2-r1)为光程差。

使用蝶形激光器作为光源，激光通过光纤输出，将光纤输出的激光通过一个准直透镜进行准直，将准直光通过一个半透半反的分光棱镜将其一分为二，分开的两束光沿相互垂直的方向进行传输，然后两束光分别经过一个反射镜垂直反射后再次进入半透半反棱镜，这样两束光在棱镜中合成一束后继续向前传播。

给激光器施加依次增加的扫描电流，激光器就会发出波长连续增加的连续光。在干涉光路中，光强的幅度是与光的波长和光程差共同决定的，如果光程差不变，波长改变的话，在接收端光电探测器接收到的光强随着波长的变化呈周期性强弱变化。当光路内部气体环境是空气时，系统多次检测得到的光强数据的相位是一致的，可以将此时的状态标记为零点。若光路中进入其他气体，那么光路中的折射率会发生变化，进而导致光程差发生变化，此时得到的光强相位会发生变化，通过相位的变化量可以判定折射率的变化量(只能得到混合气体折射率)，进而计算得到气体浓度。

2.温度检测系统

采用布拉格光纤光栅来进行温度在线测量。光纤光栅(以下简称光栅)是一种可以后向反射特定波长的光的一种光纤器件，该反射光的波长称为光栅的中心波长。在环境条件一定时，光栅反射光的中心波长是一定的，当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。

采用1550nm的可调谐窄带激光器作为检测光源，通过电流调制来控制激光器的出光波长，激光通过环形器进入中心波长为1550nm的光纤光栅，光栅返回来的光进入环形器到达光电探测端(以下称PD)。PD将反射光转化为电流，通过对PD电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量。进而测量出光栅所处位置的温度。

3.湿度检测系统

本方案采用TDLAS技术来进行湿度测量。TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，特定波长的半导体激光穿过被测气体后，光强会产生衰减，气体浓度越高，对光的衰减也越大。因此可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。

本方案根据水蒸气的红外吸收谱，选择特定波长的半导体激光器，基于无源光纤探头，测量二次密封舱内的水蒸气浓度，即目标位置的绝对湿度。

为了得到理想的干涉光源，采用激光作为的检测光源。激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后的又一重大发明，被称为“最快的刀，最准的尺”。激光具有三大特性，分别为単色性好，方向性好和相干性强。由于具有较高的単色性和方向性，所以激光可以很容易的耦合到光纤中进行传输，同时激光的强相干性为激光的干涉提供了很重要的条件，可以很容易的得到以激光作为光源的干涉现象。

本方案采用干涉原理来测量气体的折射率。使用蝶形激光器作为光源，激光通过光纤输出，将光纤输出的激光通过一个准直透镜进行准直，将准直光通过一个半透半反的分光棱镜将其一分为二，分开的两束光沿相互垂直的方向进行传输，然后两束光分别经过一个反射镜垂直反射后再次进入半透半反棱镜，这样两束光在棱镜中合成一束后继续向前传播。

准直透镜发出的光经过分光棱镜分为两束，这两束光为相干光，然后经过反射镜1和反射镜2反射后进入分光棱镜汇聚为一束，如果光束1和光束2所经过的路程差时刻在变化，那么输出光束的强度也会发生变化。上图中的多芯光锥的原理是内部包含很多根光纤，其中一端光纤较粗，另一端光纤较细，这样一来就形成一个锥形的多芯光纤，其作用是将一束较粗的光束收集起来汇聚成一束较细的光束，使用该元件的主要目的是将具有一定发散角度的出射光束进行收集汇聚成很小的一束光，然后将其耦合到光纤进行传输。在该光路系统中，由于两个反射镜与分光棱镜的位置关系是固定的且两光束传输的光程几乎相等，没有较大的光程差，无法得到明显的干涉现象，所以在反射镜2前端增加一个薄玻璃片，人为的制造出一个光程差，这样一来，在空气环境中，光束1与光束2的光程差固定。下图为试验用光纤干涉气室。

给激光器施加依次增加的扫描电流，激光器就会发出波长连续增加的连续光。在干涉光路中，光强的幅度是与光的波长和光程差共同决定的，如果光程差不变，波长改变的话，在接收端光电探测器接收到的光强随着波长的变化呈周期性强弱变化。当光路内部气体环境是空气时，系统多次检测得到的光强数据的相位是一致的，可以将此时的状态标记为零点。若光路中进入其他气体，那么光路中的折射率会发生变化，进而导致光程差发生变化，此时得到的光强相位会发生变化，通过相位的变化量可以判定折射率的变化量(只能得到混合气体折射率)，进而计算得到气体浓度。

如图5和6所示：

作为优选的实施方式，本发明采用的传感器中的探头具体包括，检测回路：光纤分路器2、外部光纤1、发射准直器1、接收准直器1、光纤2、光纤分路器 4、光纤3。

所述的参考回路包括：光纤分路器3、光纤4、发射准直器2、接收准直器2、光纤5、光纤分路器5、光纤6；检测回路的光程差L1由光纤1、光纤2和光纤3 的长度以及检测区域长度La决定。参考回路的光程差L2由光纤4、光纤5和光纤6的长度以及参考区域长度Lb决定。

详细结构如图2所示：

图中，光纤1A对应前述图中的外部光纤1，光纤1A、分路器封装钢管2A(对应光纤分路器2)、光纤3A和光纤11A形成所述的光纤分路器1，将外部光源射入的激光分成2路。

光纤7A,分路器封装钢管8A,光纤9A,光纤17A形成所述的分路器4和5。

准直镜头4A和6A的两个准直镜头分别固定在参考气室5A两端；准直镜头 12A和准直镜头16A分别固定在检测气室14A的两端；通过4个卡箍将分路器的封装钢管和2个气室固定到探头外壳19A上，使得所有光纤和钢管都悬空到探头平台上的凹槽里，然后在凹槽中灌胶固定。

为提高检测精度，La、Lb的差值应尽可能大，现设计La＝10cm，Lb＝0.1cm。

光电二极管分别接收到检测回路和参考回路波形，理想干涉波形为正弦波，频率w与光程差L和激光器扫描电流范围I成正比；

相位差θ与L1-L2的变化量成正比。为了计算相位差θ，两列正弦波应频率一致，所以应调节光纤3、6的长度使初始状态L1≈L2。干涉波形分别为： U1＝Asinwt，U2＝Bsin(wt+θ)

相位差计算：

ΔU＝Asinwt-Bsin(wt+θ)

＝Asinwt-B(sinwt*cosθ+coswt*sinθ)

＝sinwt*(A-B*cosθ)-B*coswt*sinθ

U3＝ΔU*U1＝(sinwt*(A-B*cosθ)-B*coswt*sinθ)

*Asinwt＝A*(A-B*cosθ)*sinwt*sinwt-A*B*coswt*sinwt*sinθ

＝A*(A-B*cosθ)*1/2*(1-cos2wt)-A*B*1/2*sin2wt*sinθ

滤除得到直流

U4＝A*(A-B*cosθ)*1/2

通过对U4进行标定计算出气体浓度。

作为优选的实施方式，探头实测标准气体浓度为1000ppm，测量得出 U4a＝500mv；再已知空气中气体浓度为0时U4b＝0。根据这两点确定标定基准，气体的实时浓度P＝U4*1000/(U4a-U4b)单位ppm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征在于基于如下所述的检测系统，该系统包括：

折射率检测单元、温度检测单元、湿度检测单元、外部探头以及计算单元；

所述的外部探头包括：

无源的光纤气室、无源干涉探头以及光纤光栅；

检测过程如下：

-获取温度、湿度、压力及空气中CO₂的含量；

-根据Edlen公式，计算空气折射率是温度、湿度、压力及空气中CO2含量的函数，针对这四个参数进行修正，最终得到当前原油挥发气体浓度数值，完成检测。

2.根据权利要求1所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征在于：

激光通过环形器进入中心波长为1550nm的光纤光栅，光栅返回来的光进入环形器到达光电探测端PD，PD将反射光转化为电流，通过对PD电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量，进而测量出光栅所处位置的温度。

3.根据权利要求1所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征还在于：

所述的激光光源包括：通过光纤照射无源光纤气室的第一激光器以及通过耦合器分别照射干涉光路和光纤光栅温度传感器的第二激光器。

4.根据权利要求3所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征还在于光纤光栅温度传感器包括光纤环形器、光电接收器，数据处理模块；

所述的第二激光器发射的激光通过所述的光纤环形器进入光纤光栅，光栅返回光进入环形器进入光电接收器转化为电流，通过对电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量，进而测量出光栅所处位置的温度。

5.根据权利要求4所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征还在于浓度计算方法如下：

定义：修正后浓度P1、当前温度T、当前湿度Q、未修正浓度P、基准温度T0、基准湿度Q0；

系统使用前进行初始化，初始化期间记录基准温度和基准湿度。

浓度修正算法如下：

P1＝(Q-Q0)*A+(T-T0)*B+P

A为湿度修正因数，B为温度修正因数，AB参数在初始化过程中进行设置。

6.根据权利要求4所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征还在于所述的探头还包括：

光纤分路器，外部入射光源经由该光纤分路器1，分为至少2束，进入气体检测回路和参考回路；

所述的检测回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于两准直器之间的开放型气体检测区域；

所述的参考回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于所述发射准直器和接收准直器之间的开放型参考区域。

7.根据权利要求6所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征还在于：

所述的检测回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为检测光纤和对照光纤；

所述的检测光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型气体检测区域，由一接收准直器接收后，由一接收光纤传到至检测回路的末端光纤分路器；

所述的回路光纤分路器通过对照光纤与所述的末端光纤分路器连接。

8.根据权利要求7所述的基于气体折射率比较技术的原油挥发气检测方法，其特征还在于：所述的参考回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为参考光纤和对照光纤；

所述的参考光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型参考区域，由一接收准直器接收后经光纤传递至参考回路的末端光纤分路器。

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