CN1135807A - 烃类燃料的检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测处在液态和气态二者中至少一态的烃类的存在的方法和装置。装置(21)包括一条光纤(22)和一以机械方式联接于(32)光纤(22)、在吸收烃类(33)时产生沿着光纤(22)的光传导变化的吸收—膨胀件(31)。吸收—膨胀件(31)是选来吸收各种烃类的，而不是水，并且能够实现多次可逆的膨胀和收缩循环而没有显著的结构劣化。吸收—膨胀件(31)沿着光缆(32)的位置可以由光学时域反射现象或者由各数字传感节点(122)确定，而用于把各吸收—膨胀件(152)安装于光纤(151)的多个联接件(57)和各偏置联接件(153)可以用来提高灵敏度。

Description

烃类燃料的检测方法和装置
本发明一般地涉及处于或是液态或是气态的烃类分析物(anal-ytes)的检测，更为具体地说，涉及一种利用光纤的微弯现象或者光纤各段的不对中现象以及光学时域反射现象(optical timedomain reflectometry)的烃类燃料的检测方法和装置。
检测或探测从储罐泄漏出来的诸如柴油、汽油和喷气燃料这种烃类燃料已经受到很大的关注。这些烃类燃料以相当大的容积储存在地面和地下储罐之中，如果漏入周围环境，则对安全和健康会构成极大的危害。
一般采取两种办法来处理烃类燃料泄漏问题。第一种，储罐可以建成带有双底，以致出自内罐的泄漏物可以由外底壁板捕集和盛放起来。这种办法花费很大，并且往往在一些翻新改建的场合下是不切合实际的。第二种方法是，在储罐附近设置检测或探测装置，这种装置能够探测从罐中漏出的燃料。一旦检测出泄漏燃料，泄漏源就可以被找到并予以修理。这两种办法也可以一起使用。
不过，检测漏出的烃类燃料仍然存在相当大的问题。储罐本身经常是很大的，并位于更大的罐区之内，这就必须使用大量的检测器并重视确定泄漏源的位置。由于采用许多分散的检测装置，检测费用就会迅速增多。如果不使用多个检测器，大量的油就会在检测发生之前漏至周围环境，以致形成显著的健康和/或安全危害。再者，随着更多的燃料逸出，将更难确定泄漏的位置。
烃类泄漏检测装置往往以如下方式设计，即一当检测出某种泄漏物，就需要更换或修理，亦即一旦受到某种烃类燃料触及，检测装置或者其关键部件必须在检测器能够重新使用之前予以更换。另一问题是，在大多数储罐罐区内，会有大量的地下水出现，而任何检测器必须能够辨别地下水和烃类和能够不被地下水淹没而发挥作用，以便避免虚假的检测信号。最后，大多数烃类检测器都建立在探测处于或是气态或是液态的烃类的基础之上，而不是两者均可。因而，以气态为基础的传感器趋向于在有地下水或各种液体时不工作，而以液态为基础的传感器趋向于对于蒸气的出现不够敏感。
近年来，一直多方企图在检测装置中利用光学光纤的独特和变化的光传导特性。在通讯光缆的应用场合下，光纤的微弯现象已经用来检测进入光缆的水分或地下水的位置。在Diemeer等人的美国专利第4,596,443号中，一种未作详细说明的膨胀料剂置放在光缆里面，并以机械方式联接起来，由料剂膨胀把一肋状的型样压靠于光纤。光学时域反射原理或一种背散射技术(back-scatter tech-nique)可以用来沿着光纤寻定微弯的位置；该位置就是水漏入电缆的位置。不过，这种装置是用来检测水的存在的，而不是对水不敏感而检测烃类燃料的存在的。在Diemeer等人的专利中也没有提出或披露膨胀料剂膨胀的可逆反性问题。
Moorehead的美国专利第4,590,462号也在一种检测装置中利用了光纤的微弯现象，并且Moorehead的装置用来检测烃类燃料。一旋转致动器以机械方式联接于一条光纤以产生光纤的微弯。旋转致动器包括一具有贮能的弹簧，能量可在安全销在烃类作用下变质时释放出来。因而，在烃类分析物大量出现而足以劣化安全销时，弹簧释放出来，而光纤移动以产生可以用光学时域反射方法予以检测的某种微弯。不过，这种办法显然是不可逆反的，因为它取决于安全销在接触烃类时的破坏。
许多先有技术中基于光纤光学原理的检测装置一直依据沿着光纤芯线外部下行的损耗波的耦联作用。美国专利第4,270,049号、第5,1 38,15 3号、第5,144,690号和第5,168,156号全都基于损耗波现象。在Tanaka等人的美国专利第4,270,049号中采用一种光纤探测装置，其中沿着光纤芯线所传导的光线由于某种分析物，比如一种烃类燃料，粘附于芯线而减小强度。芯线镀有一种材料，其折射率小于芯线折射率，而分析物触及和粘附于镀层则会导致镀层折射率增大，这将导致沿着芯线传导的光线减弱。Tanaka等人的专利还教导使用硅树脂作为一种镀层，这种镀层是会受到烃类损害或破坏的。
在Gergely等人的美国专利第5,138,153号中，披露了一种基于损耗效应的分布式光纤传感器，其中镀层的折射率小于芯线，而且镀层对于分析物是敏感的。在分析物接触镀层时，它使镀层的折射率提高到大于芯线的折射率，从而把在芯线中传输的光线耦联于损耗波。Gergely等人的专利将其传感装置用于一烃类罐区，但镀层选定得可经受折射率方面的提高。光学时域反射原理用于确定泄漏位置，而连续式和脉冲式光线均可用来探测具有将会与镀层发生反应的分析物的液体和蒸气。不过，Gergely等人的专利对于适合用于光纤光缆的镀层材料未作任何透露。
Domash的美国专利第5,144,690号披露了一种光纤传感装置，其中配置了可在一种的芯光纤上诱发应变的涂敷型样。各芯之间的损耗波耦联可以探测出来。这种装置未经说明是要用于烃类燃料检测的。
Fischer等人的美国专利第5,168,156采用了一种光纤探测装置，其中使用三条光纤，一条用作输入，而另外两条用作参照光纤和信号光纤。三条光纤在光学上耦联在一起，而传感光纤是除去镀层而暴露于有待探测的分析物的。由于分析物对于无镀层光纤上损耗波的影响而造成的光衰减现象先予以检测，再与参照光纤相对比，后者带有镀层而与分析物隔绝。
光纤检测器还可按照如下方式设计，即沿着一条光纤芯线的长度内置一种传感材料，以致在某种分析物出现于沿着芯线内置的材料处时，将显示出传导和/或反射的测定结果。美国专利第4,842,783号、第5,015,843号和第5,164,588号均为这种作法的实例。在Blaylock的美国专利第4,842,783号中，设置了一种光纤探测装置，其中一种聚合凝胶就地交联在光纤的一端上，而一种染料吸附于凝胶之中，这种凝胶最好是可吸收染料而膨胀的。凝胶中的染料选定得是可以对于有待探测的分析物起反应的。比如，染料可以是荧光的，但该装置并不是为了用于烃类而设计的。不过，染料趋向于只适合在非可逆的化学反应之中，一旦分析物接触到染料，就需要更换传感器。
Seitz等人的美国专利第5,015,843号的目的在于一种光纤装置，其中聚合物膨胀现象用来以机械方式或以物理方式推移一耦联于光纤芯线的反射表面，从而影响返回检测器的光传导。这种装置需要起作用的分析物浓度较高，而且为了提高敏感度和尽量减少这一缺点，装置最好是小型化的。用于探测各种不同制品的多种聚合物均予以了研讨，但没有一种公开在其与烃类燃料的反应方面是可逆的。
在Marcus的美国专利第5,164,588中，配置一种分布式探测装置，其中沿着一条光纤光缆以串联方式和交替地内置许多反射/传导耦联器和分析物传感器。光脉冲通过各传感器，并且部分经过各接线，部分返回至一检测器，这些脉冲还可用来检测环境或分析物对于各传感器的影响。可以探测许多分析物，但未披露烃类燃料的探测。
尽管各种各样的以光纤为基础的检测器在检测范围广泛的分析物方面取得了成功，但是通过一检测装置来检测液态和/或气态烃类燃料，并且将其与地下水区分开来，并使该检测装置经多次循环可逆和可反复使用而没有明显的回滞损耗仍然是一尚未解决的基本问题。
一种光纤检测器的替代物也已采用，比如目前由亚利桑那州菲尼克斯市的戈尔及其合伙公司(W.L.Gore & Associates of Phoen-ix，Arizona)以商标GORE-TEX出售的电缆。GORE-TEX同轴电缆具有一种烃类燃料吸收剂(膨化PTFE)，位于一中心导体与一外围的多孔筒形导体或屏蔽之间。RF能量脉冲沿着同轴电缆传输并在被吸收的烃类部位处反射回来。时域反射原理用来沿着电缆确定烃类被吸收的位置。
不过，GORE-TEX电缆不能区别喷气燃料、汽油或柴油。它不会检测气态中的烃类，它不能生成一种相似输出信号，而且它在位置判定和距离范围方面具有局限性。
因此，本发明的一项目的是，提供一种装置和方法，用于检测处于或是液态或是气态中的烃类燃料的存在，它可以辨别这些燃料和水，并且适合用于多次检测循环。
本发明的另一个目的是，提供一种烃类燃料检测装置和方法，易于安装、维护要求最少、制作便宜、易于调整，以及可以区分不同的烃类燃料并能辨别这些燃料和地下水。
本发明的烃类燃料检测装置和方法具有其他一些目的和优良特性，这些都会从以下关于实施本发明的最佳方式及附图和说明中显见，并在其中得到更为详尽的阐述。
本发明提供一种用于检测处于液态和气态中的至少一态的某种烃类的存在的方法，此方法简略地说包括选定一种疏水的但可吸收烃类燃料而显著膨胀的吸收-膨胀材料。这种吸收-膨胀件必须能够在存在和不存在处于或是液态或是气态中的烃类分析物时经受膨胀和收缩的多次循环，同时基本上保持不致劣化，而红硅橡胶是符合这些要求的。下一步是，以机械方式把硅橡胶构件联接于一根光纤光缆，其方式是，可在沿着光缆传导的光强方面造成减低，比如借助于硅橡胶件膨胀时光缆的微弯或者光缆各段的轴向不对中就可以做到这一点。最后，此方法包括以光学方式把检测装置耦联于光缆以检测在沿着光缆的光传导中出现的减少的步骤。
本发明的检测装置简略地说包括一条光纤，以及一个以机械方式联接于光纤以便在吸收某种烃类时在沿着光纤的光传导中产生变动的吸收-膨胀件，而吸收-膨胀件是由一种疏水的可吸收烃类的的橡胶材料制成的，此材料选定得可以在吸收烃类时发生膨胀并可以保持充分的结构完整性以允许胀缩重复循环，以及检测装置以光学方式耦联于光纤以检测由于微弯所造成的光纤中的光传导方面的某种变化。
图1是按照本发明制作的一种烃类检测装置的顶视平面示意图；
图2是基本上沿着图1中线2-2表示的平面所剖取的、放大的端视截面图；
图2A是对应于图1装置另一实施例的图2的横截面视图；
图2B是对应于图1装置又一实施例的图2的横截面视图；
图3是本发明的检测装置另一实施例的顶视平面示意图；
图4是本发明的检测装置又一实施例的顶视平面示意图；
图5是本发明的检测装置再一实施例的部分剖取的侧视立面图；
图5A是本发明的检测装置还一实施例的侧视立面示意图；
图5B是基本上沿着图5A中直线5B-5B平面剖取的、图5A装置的端视立面图；
图6是本发明的装置别一实施例的顶视平面示意图；
图7是按照本发明所制作的并配置得可以提供各数字地址讯号的一组检测器的顶视平面示意图；
图8是本发明的装置一可供代换的实施例的片断侧视立面图，此实施例适于可调节地偏置检测器灵敏度；
图9是图8装置的端视立面图；
图10是图8装置的光传导与位移的关系图。
本发明的烃类分析物检测装置的设计方式是，使之能够把烃类与水区别开来，无论是处于液体还是蒸气状态，而且能够多次检测和复原循环。因而，本检测器和方法在检测标的烃类分析物，比如烃类燃料时不需要大量修理和更换零部件。这就允许本发明的检测装置置放在难以触及的位置上，几乎或根本不需要修理或更换。一旦泄漏的烃类分析物通过吸收、挥发和/或其他方法予以收拢和清除之后，本检测装置将自动地挥发已吸收的烃类并且复原到能够检测在检测地点处的下一次溢出或泄漏情况的状态。
现在参见图1，其中表明一检测装置，一般标示为21。  本检测装置包括一光纤或光缆22，在光学上联接于一光能源23，并且还在光学上联接于一检测装置或检测器24。虽然在图1所示的配置中光源23联接于光纤22的端部26，而检测器24联接于光纤22的另一端27，但是将会理解，采用通常的光纤技术，检测器和光源可以联接于光纤的同一端。
光纤22的组成、光源23和检测器24中的零部件都不认为是本发明的新颖部分，在光纤工业中它们是广为人知的。光源23，比如，可以是一LED光源、激光、或者白炽灯泡。检测装置24在图1中表现为一种感光装置，能够探测从光源23传出的光通量的减少。这种检测装置，比如，在市面上是由密苏里州圣路易市的EG & G Vactec公司制造的，以型号VTP 8440出售。光缆22可以是任何一般的通讯光纤。
为了生成由检测器24所传感的光强方面的一种可能检测出来的的减少量，图1的检测装置21包括一吸收-膨胀件31，在这一情况下通过环圈件32以机械方式联接于光纤22，其方式是，一当吸收某种烃类分析物，将产生光纤22的微弯现象。在图5所示的实施例中，一吸收-膨胀件联接于一光纤的两段之一，以便通过使光纤两段的轴线不对中而减小所传递的光强。
不管吸收-膨胀件的膨胀会产生微弯还是不对中，吸收-膨胀件31的选定都是本发明的一种很重要的特点。吸收-膨胀件必须能够区别地下水和既可处在液态也可处在气态的烃类。它必须是可逆的，即能够在吸收烃类并在随后从吸收-膨胀件解吸烃类时进行多次膨胀和收缩循环。
能够进行多次膨胀和收缩循环的一种吸收-膨胀件材料31的选定问题是具有很大实际意义的，因为许多化合物都会受到烃类分析物特别是烃类燃料的化学浸蚀(破坏)。因而，这些燃料会起到某种溶剂的作用和/或导致许多可能的吸收-膨胀件材料的严重劣化。
不过，已经发现，二甲基硅氧烷橡胶，以甲基终止并具有氧化硅和氧化铁填充剂，并非只是具有防止地下水吸入所要求的疏水性，而且它还能够吸收许多烃类燃料。此外，还非常重要的是，这种硅橡胶一旦吸收烃类就会膨胀，而且随着燃料离脱或被解吸脱离吸收-膨胀件，其收缩为基本上处于其初始状态。由于以甲基终止，又充填氧化硅和氧化铁，二甲基硅氧烷橡胶在商业上是以红硅橡胶(Red Silicone Rubber)为名而发售的，并且在市面上是由诸如通用电气公司的GE硅制品分公司等一些公司生产的。
红硅橡胶可以铸制或挤压成实际上任何形状以生成一种易于联接于光纤光缆22的自支承构件。硅橡胶不会吸收水分，因而，它能够在即使埋于地下而定期地或持久地具有大量地下水时也可检测出各种烃类燃料。这种吸收-膨胀件材料甚至可以用在水下场合。在红硅橡胶接触烃类燃料，比如或是液态或是气态的汽油、柴油、喷气燃料(Jet-A fuel)时，这些烃类将被吸收并使构件31显著地膨胀起来。因而，在红硅橡胶在得以吸收汽油时会出现40％的膨胀度，在吸收柴油时为35％，以及在吸收喷气燃料时为20％。
如图1和2所示，可以看到一团烃类分析物或燃料33接触到或者充分接近吸收-膨胀件31，以致液体和/或蒸气会被构件31所吸收。这种吸收现象会使构件31产生显著的膨胀，而膨胀本身又会受到保持件或联接环32的限制。结果是，光纤22由于构件31吸收烃类33所产生的膨胀而如图1中所示向上弯曲，而如图2中所示向左弯。在联接环32处的微弯会导致从光源23传向检测器24的光量减少。因而，检测器24对于光导减少的感应可以用以检测吸收-膨胀件31处某种烃类分析物的存在。为了能够检测大型储罐附近或罐区内的燃料泄漏，可以使用许多制作得如图1所示的检测器，  但最好是沿着一条通用光纤22布置许多构件31。因而，各构件31可以由沿着一条设置得靠近和/或在烃类燃料储罐以下的光纤光缆22的长度的各联接环32固定住。在任何一个分立的检测器处出现泄漏的燃料将导致红硅橡胶构件31的膨胀和光纤光缆的微弯。检测器24可以感应沿着光缆某处微弯的出现，而简略地示于图4的一种光学时域反射式检测器可以用于确定哪一吸收-膨胀件正在探测某种泄漏。
如图2所示，燃料泄漏33支承在一不能透过燃料的表面34上。这种状况可以发生在，比如，储罐由一不透燃料的表面所围绕的时候，但是，在许多情况下，表面34会是可透过燃料33的，而且直到燃料泄漏量很大时燃料才会从储罐迁移到某一地面以上的位置处。因而，吸收通过一渗透性表面34逸出的蒸气的能力使得本发明的检测器能够容易地予以改型，以便采用把一些检测器置放紧挨储罐的地面以上的简单办法来探测储罐附近的石油或烃类燃料泄漏。不过，在一种初步装置中，把检测器组件21的光缆部分及其一机械方式联接的吸收-膨胀件31埋置起来，以致发生直接的接触和较快的吸收，也是有好处的。
由于泄漏燃料可以依靠吸收、挥发和类似的气氛和/或各种补救步骤予以清除，所以，由红硅橡胶吸收-膨胀件31所吸收的烃类也可以从吸收-膨胀件中释放、扩散或挥发出来。这种解吸作用会逐渐导致吸收-膨胀件的收缩，而光纤22的微弯随之消失。取决于吸收-膨胀件31的位置，会发生烃类分析物从红硅橡胶中的实际上的完全解吸。在地下设施中，这一过程花的时间较长，但检测装置24可以探测不仅是烃类的存在，还有微弯的程度，并因而及于烃类分析物的浓度。于是，在过程本身开始逆反时，检测器24，以及OTDR，可以在分析物从吸收-膨胀件31中解吸时测出或“看出”微弯的减小。因而，在补救措施完成之后，沿着光纤22传播的新的光通量可以用作新的检测阈值，此阈值会周期性地下降以反映烃类从吸收件中的不断解吸，而且任何新的泄漏都会导致吸收-膨胀件重新开始膨胀，产生微弯和光强下跌至阈值以下。在地上设施中，红硅橡胶吸收-膨胀件31将返回其初始状态，同时带有很微小的回滞现象。
在图2A中，另一实施例的光纤光缆22a由一U形卡钉32a以机械方式联接于红硅橡胶吸收-膨胀件31a。吸收-膨胀件31a如图所示带有矩形横截面，提供了较大的表面面积用于接触烃类33a。此外，吸收-膨胀件的膨胀可将光纤22a在卡钉32a的对置两侧附近推向图2A的左方，造成可以测出的微弯。
在图2B中画出又一实施例，  其中矩形吸收-膨胀件31b由梯形卡圈或联接圈32b联接于光纤光缆22b。为了防止光缆22b在操作期间受损，在光缆22b上套有一柔软的填隙剂料36。填隙物36不会起膨胀件的作用，也不会用来以机械方式卡持光纤。其作用只是防止磨损和为安装操作提供防护，并且把光纤粘附在膨胀件上使之形成一体。甚至填隙物对于烃类燃料不具抗力也是无关紧要的，因为一旦就位，光纤并不经常地暴露于受损的环境之中。最佳的填隙材料36是一种RTV硅粘接密封剂Dow-Corning 748。
为了表明甲基终止的、氧化硅和氧化铁充填的硅橡胶的基本上无回滞的循环能力，下面举出实例，采用其结构如图1所示的吸收-膨胀件。
实例1
一红硅橡胶吸收-膨胀件，直径为3/8英寸、长度为1.0英寸、连接于一100/140光学光纤。一4100mCd LED用作光源，而光敏二极管用作检测器。吸收-膨胀件置于静止汽油池中，吸收件浸入大约0.001英寸，持续10分钟。传感器所测定的光讯号最初为2伏，10分钟之后下降到1.1伏。然后从汽油中取出吸收-膨胀件，使之解吸150分钟。测得的光讯号增大到2伏。同一吸收-膨胀件在同一吸收解吸周期下循环8次，而在最后一次循环中，测得的光讯号都在第一次循环的99％之内。
实例2
实例1中所述的同一装置置于一水池之中，使之静置1000分钟。每100分钟读取的光强读数如下：
1、2伏
2、2伏
3、2伏
4、2伏
检测器随后置于一柴油池中，30分钟之后，测得光通量已降至28％。然后从油中取出检测器，使之静置在空气中400分钟，直至由检测器测得的光增至95％为止。此时，检测器重新置于水池中1000分钟，而光传输继续增大到大约99％。
实例3
实例1的装置置放在一金属容器里面，埋于未经污染的土壤之中。容器大小是12英寸乘24英寸，4英寸深。在容器的一端，把3方厘米的汽油缓慢地倾入容器，在检测器处所测得的光讯号如下：
1、 0分钟      2伏
2、30分钟    1.9伏
3、60分钟    1.6伏
4、90分钟    1.4伏
现在参见图3，它表明烃类分析物检测装置和方法的另一实施例。图3中，光源41联接于多条光纤，此处为3条光纤42、43和44。以机械方式联接于光纤42、43和44的吸收-膨胀件46、47和48各自能够在吸收和解吸烃类分析物时进行多次可逆的膨胀和收缩。检测器51、52和53在光学上，此时在端部对置光源41处，联接于光纤42、43和44。各检测器本身在电气上由各接线54连接于一计算芯片或计算机56，后者用于接收来自各检测器的讯号。
将会看到，各个吸收-膨胀件46-48由多只联接圈57连接于其相应的光纤。采用多只联接圈作为一种围绕光纤的联接装置具有增大每一传感元件敏感度的效应。附加的各环圈导致系统以同样原理起到所谓多通路分光的作用。亦即，因为光可穿过光纤每一“微弯”段，光纤中的光通量被重复作用，此处为三次。信号的增强大约等于每一环圈57在光纤上所造成的效应的乘积。
在图3的传感器组件中，最好是，吸收-膨胀件46-48由橡胶聚合物制成，它们将会吸收不同的烃类燃料，而且膨胀的量充分地不同，以便使得膨胀件组合58能够辨别不同的烃类燃料。因而，膨胀件46可以最好是配置为红硅橡胶，而膨胀件47是Norprene橡胶和膨胀件48是Latex橡胶。
已经导出了一项数学公式，以各吸收件的时间膨胀率作为输入信号来确定存在哪种烃类。比如，诸如MATHEMETICA代数软件这样的软件可以用来形成一种可以装入一计算芯片的算法。
因而，各检测器51-53可向计算机或计算芯片56提供各种输出，在计算机或计算芯片中，在存在未知烃类燃料的情况下所有三个吸收-膨胀件的膨胀均可加以对比，而各相对膨胀率可以用来识别存在于装置58的烃类燃料。
以下表1表明用于三种最普通烃类燃料的每种吸收材料的膨胀率。
               表1
                汽油    柴油    Jet-A红硅橡胶            27       6        11Norprene橡胶        16       3        7Latex橡胶           24       4        2
在图4中，本发明的检测装置包括多个吸收-膨胀件61、62和63，以机械方式由线绕元件64联接于光纤66以形成一传感节点组件，整体上用67标示。每一吸收-膨胀件由多圈线绕构件64联接，以便以上述方式提高灵敏度，而且在同一光纤66上串联三个传感吸收件会增大节点67的灵敏度。
在图4的组件中，光源68通过光纤66的分支光纤66a传送光线至一分离器69，而一检测器(未画出)在光学上联接于光纤66的另一端71并制成可以操测由于节点67处的微弯所产生的光强减小。可以设想到，沿着光纤66可以有多个串联布置的节点67。因而，可以按如下方式进行确定沿着光纤的哪个节点正在产生微弯，即设置一个光学时域反射(OTDR)背散射测量装置72，以本技术领域中熟知的方式由光纤分支66b联接于光分离器69。一计算装置或计算机73可以由接线74联接于OTDR检测器72，用于接收来自它的各种信号。因而，OTDR检测器可以传感由于光纤微弯所造成的瑞利(Raleigh)散射光通量的背向传播。这就使得计算机73可以确定沿着传感节点的微光缆正在发生微弯的位置。光缆的检测器一端71用作一种便宜的传送器，只是用于向工作人员发出出现某种问题的警戒，而一OTDR(很贵)用来判明和监测每一传感器的模拟性能。
使用OTDR查出导致光传导减弱的传感器可以在同一光纤或相同各光纤上串联地存在多个检测器节点时用于实际上所有图示的检测器。
在图5、5A和5B中所示的本发明的各项实施例中，表明了把一吸收-膨胀件机械联接于一条光纤的其他一些方式，依这些方式，当吸收某种烃类时，将在光传导方面产生减弱。图5中的光纤由第一光纤段81和第二光纤段82组成，它们都装在一框架83之中，以致对置的两端86和87是沿轴向对中的。因而光源88将沿着第一光纤段81向下传送光通量，此光通量再跨过间隙89传向第二光纤段82，之后再传向检测器91。一吸收-膨胀件92置放在框架83与光纤之间，此处是框架与第二光纤段82。框架83最好是一开口的框架，可为液态或气态烃类提供容易通往吸收-膨胀件92的通路。
随着烃类被吸入吸收-膨胀件92，膨胀作用将导致第二光纤段82的横向或侧向偏移，这会使两端部86和87形成轴向不对中现象，以致沿着光纤81-82传导的光强减弱。
不过，在温度下降期间，孔眼89中的冷凝湿气会影响孔眼89。为了消除这种冷凝问题，图5的装置包括一管状屏蔽件93，松松地套在两光纤段81和82的两端部86和87上面。在管子93中可以装有稳定密封液体94，比如硅油。最好是，管状屏蔽件93具有适应的尺寸，以使得硅油由表面张力而被捕集在光纤与管子之间。因而，在管子93与第二光纤段82的端部87之间不需要盖罩，此端部可以相对于第一光纤段81的端部86沿横向自由移动。这一装置，连同屏蔽管和稳定惰性油料，将保证在间隙89处不会发生汽凝现象，而且除了由构件92的膨胀所造成的两光纤段81和82的轴向不对中现象以外，会使跨过间隙的光传导原样不变。
图5中的组件的另一特点是，膨胀件92可以由使用者从图5中其实线位置挪向由虚线表明的位置。膨胀件92沿着框架83的位置可予以调节以调节检测装置的灵敏度。在图5的实线位置上，由于吸收-膨胀件92的位置靠近框架83上的光纤支承点96，比起在图5的虚线位置上来说，每单位膨胀量所产生的侧向位移要大。因而，相对于支承点96改变产生膨胀的位置，再结合由于不对中所造成的颇为迅速的光传导降低，就会增强遍及上述各个微弯检测器的装置的信噪比。同时，在图5的装置中，红硅橡胶仍然具有是可逆的这种优点，基本上不会劣化，并且没有回滞损失。
图5A和5B的光纤检测装置也具有一第一光纤段81a和一第二光纤段82a，它们具有沿轴向对中的对置的两个端部86a和87a。光源88a因而沿着第一光纤段81a向下传导光通量，此光通量跨过间隙89a传至第二光纤段，之后再传向检测器91a。一吸收-膨胀件92a置放在对置的、固定的两支承表面93a与93b之间，并将光纤81a和82a铸入其中。
从图5A和5B中会看出，吸收-膨胀件92a的最佳形式是，包括两块偏置的质量，横截面较薄，以致一当烃类被吸入吸收-膨胀件92a，膨胀作用就会导致两光纤段81a和82a沿相反方向的横向或侧向位移。这在图5A中由虚线表明，并且会导致两端部86a和87a的轴向不对中现象，以致沿着光纤81a、82a的光传导强度减弱。
在图5A和5B的装置中，光纤81a、82a可以铸入吸收-膨胀件主体，然后在89a处从主体92a的一侧切开。更为准确地说，光纤81a、82a在主体中开有切口，然后在切口处劈开制成切缝89a。这种作法会使制作简化，并且可做出一种装置，使其中的间隙不易受到在温度降低期间冷凝湿气的影响。由切口工具在主体92a中所做出的切缝一从吸收-膨胀件挪开就会闭合。
本发明的检测器的一种温度补偿形式示于图6。光源101沿着光纤102和103传送信号，而吸收-膨胀件以机械方式依靠环圈107联接于光纤102，一温度补偿件106以机械方式依靠环圈108联接于光纤103。检测器109和111可传感光传导强度并通过接线112输入计算机或计算芯片113。
在图6的装置中，整体上用114标示的传感节点中的吸收-膨胀件104，可以是红硅橡胶，而另一构件106是一种选作参照材料的材料，这种材料将以一种与红硅橡胶膨胀的关系为已知的方式、作为温度的函数发生膨胀，不过，第二构件106也选定得可使之在存在烃类燃料时不会显著地吸收或膨胀。
一种适合用作第二或温度补偿件106的材料是丁腈(Buna-N)橡胶。红硅橡胶和丁腈橡胶的温度膨胀系数非常相近(即分别为0.00032和0.00035)，并且通过适当地确定构件104和106的实际尺寸，可以使它们的温度膨胀效应基本上完全相同。由于烃类只影响传感元件104，所以，只有烃类燃料存在于传感节点114处时才产生一有限“差别”信号的结果。因而，可以采用两条光纤信号通道并加以对比，通过能够减去或按比例扣除温度膨胀效应而更为精确地确定已经造成吸收器膨胀的蒸气或液体密度的数值。
将会理解，等同于节点单元114的各个节点可以以类似于前述的方式沿着图6的双通道光纤组件设置。在提供多个传感节点时，可能采用一种光学时域反射式检测器来确定比如在两个传感节点之间的位置。可能使用计算机来为在传感节点处被传感的蒸气或液体取得某种不受温度影响的数值。可以设置一些吸收一膨胀件与温度膨胀件的其它组件，从而机械部件具有净位移抵消成为零的各种移动，而烃类吸收作用会产生非均衡膨胀。这种技术特别容易适于光纤不对中式检测装置，并且相似于惠斯通(Wheastone)电桥零电路。
同样可以采用不带光学时域反射器的光纤与吸收-膨胀件组合，通过使用能够提供数字输出信息的各个传感器组件节点来提供位置信息。在图7中，一圆形油罐121具有多个围绕油罐周边设置的传感器组件或节点122。在此情况下，共有13个传感器节点，12个设置在周边附近，而1个在油罐中心附近，但可以理解，还可能具有许多其他的布置。每一传感器节点122连接于四条光纤123-126。一个吸收-膨胀件131可用比如一环圈132或者类似于前述的联接件在每一传感节点122处以机械方式联接于至少一条光纤123-126。联接于各条光纤的吸收-膨胀件以及各个吸收-膨胀件的与之联接的各条光纤的数目选定得可为传感节点串联序列的每一节点122提供一种区别的数字输出。
一光通量源133和各光强检测器136-139在光学上联接于光纤123-126。一计算机或计算芯片141可以以电气方式用接线件142连接于检测器136-139。不过，在图7的装置中，检测器136至139只可测量所传输的光强；它们起不到背散射或者光学时域寻址检测器的作用。
一当出现烃类燃料泄漏143，在传感节点122a处将会出现微弯。各吸收件131在传感节点122a处将造成光纤123和124的微弯。不过，经由光纤125和126传播的光线将不会受到影响。检测器138和139将显示沿着光纤123和124传导的光强减低，而检测器136和137将显示持续不变的光强。计算机141可以立即确定，沿着各吸收-膨胀件131联接于光纤123和124二者的一系列传感节点122的唯一位置是在传感节点122a处。因而，只要迳直地测出在光纤123和124接合处光线传播中的减低，而在光纤125和126的光线传播中没有任何减低，就可以很容易地确定泄漏位置143。这一节点具有数字编码1100，等价于数码3。
因而，可以简单地生成一种数字输出，办法是，以为每一传感节点122配置其单独的和独特的传感器组合的方式把各吸收一膨胀件联接于多条光纤。所能生成的传感节点的数量等于2的光纤系数次方再减去1。其中没有吸收-膨胀件联接于光纤的情况不可使用。图7中少用两个数字位置；1010和0101。
本发明的检测装置和方法的优点之一是，检测器或是作为非偏置或者作为偏置检测器运用。参见图10，一种非偏置检测器会在零光纤位移处具有一QU或静点。在微弯发生时，由于光纤的微弯或位移，光传导(transimission)从Qu降至比如PV。
关于偏置传感器，图10中画出QB，表示等于大约0.7的非偏置情况下QU的传导光通量，而这一情况可以借助于由光纤的微弯通过一偏置位移X1产生出来。在由于吸收-膨胀件的膨胀作用进一步发生微弯时，光传导就从QB减至PB，而光纤位移增至X(S)。
在采用光学时域寻址的串联传感节点配置中，必需具有几乎为零的插入损失，亦即，必需使用QB在最大光传导和零位移处的非偏置传感器。在插入损失并非一重要因素时，特别是在所谓点式传感器的情况下，传感器偏置可以用来提高信噪比和传感灵敏度。这样一种效应可以单独使用，或者与多个联接环圈相结合，如上所述。
图8和9表明传感器偏置的一种形式，可以用于本发明的检测装置和方法之中。光纤151具有用一束带153联接于其上的吸收-膨胀件152，比如红硅橡胶。束带153最好是由能够使之塑性变形的材料制成的，以便实现传感器的偏置。因而，束带153可以具有一大体上的梯形形状，一肢154围绕吸收-膨胀件152伸展，而另一肢156沿另一方向围绕吸收-膨胀件152伸展。两肢154和156可以彼此分离开来以造成光纤的微弯。于是，随着一肢156从图8中的实线位置移向虚线位置，光纤151将经受趋向图8中虚线位置的微弯。此外，吸收-膨胀件也发生某种变形。由于卡持环圈是可以塑形变形的，所以，一当两肢分离开来，传感器的微弯偏置将会保留下来。将会理解，其他一些偏置构件也适合用于本发明之中，但是，联接环圈153允许简单地使两肢154和156分离到已经产生所需偏置大小为止而能轻易地实现偏置。这样会使偏置的静工作点QB以图10所示方式予以定位。
因而，本发明的完备的烃类检测装置和方法采用一种疏水的烃类吸收件，会显著膨胀，并且能够多次吸收和解吸循环而不致破损和丧失其结构完整性。甲基终止的、氧化硅和氧化铁充填的、二甲基聚硅氧烷具有这些特征，并且可以以机械方式联接于一条光纤，在吸收件膨胀时造成光传输方面的减小。微弯现象和光纤轴向不对中现象可以借助于传感光通量传导的减低而检测出来，而OTDR背散射器或者数字传感节点装置可以用来测定位置。灵敏度可以通过联接技术和静工作点的偏置而予以提高。

Claims (50)

1、一种用于检测处于液态和气态中的至少一态的某种烃类的存在的方法，包括以下各步骤：
在某一位置安设一条光纤，用于检测所述烃类，一吸收-膨胀件以机械方式联接于所述光纤，以便在由所述吸收-膨胀件吸收所述烃类分析物和所述吸收-膨胀件发生膨胀时，在所述光纤中光传导方面产生变化，所述吸收-膨胀件是疏水的，并且选定得在由所述吸收-膨胀件吸收和挥发所述烃类分析物时，可具有多次可逆反的膨胀和收缩循环；以及
检测在所述光纤中光传导方面的变化。
2、按照权利要求1所述的方法，补充步骤是：
检测所述吸收-膨胀件造成光传导方面的变化沿着所述光纤的所在位置。
3、按照权利要求1所述的方法，补充步骤是：
在所述安设步骤之前，把所述吸收-膨胀件联接于所述光纤以产生所述光纤的微弯，以及
在所述检测步骤期间，检测在所述光纤中的某一微弯的位置。
4、按照权利要求1所述的方法，其中
所述选定步骤是依靠选定一种甲基终止的、氧化硅和氧化铁填充的、二甲基聚硅氧烷聚合物作为吸收-膨胀件而实现的。
5、按照权利要求1所述的方法，其中
在所述安设步骤之前，所述吸收-膨胀件联接于所述光纤的第一段以相对于所述光纤的第二段推移所述第一段，在所述光纤中造成轴向不对中。
6、一种制作一种烃类检测装置的方法，包括以下各步骤：
选定一种硅橡胶件作为处于液态和气态中至少一态的某种烃类的吸收-膨胀件，所述硅橡胶件选定得可以在所述烃类存在时吸收和膨胀，并且可以在所述烃类不存在时恢复和收缩到基本上未经劣化的状态；
以机械方式把所述硅橡胶件联接于一条光纤光缆，其方式是，由所述硅橡胶件的膨胀产生所述光缆的微弯和不对中两种现象之一；以及
以光学方式把检测装置联接于所述光缆，用于检测沿着所述光缆所出现的光传导减弱。
7、按照权利要求6所述的方法，其中
所述选定步骤是依靠选定一种甲基终止的和氧化铁与氧化硅填充的硅橡胶件作为吸收-膨胀件而实现的。
8、按照权利要求7所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠用一刚性构件环绕所述光纤光缆并把所述刚性构件联接于所述硅橡胶件，用于所述刚性构件与所述光纤光缆彼此相向作相对移动以产生微弯。
9、按照权利要求7所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠用一沿着所述光纤光缆具有较短尺寸的刚性构件同时环绕所述光纤光缆和所述硅橡胶件来实现的。
10、按照权利要求9所述的方法，其中
所述刚性构件是由至少一只环圈构成的。
11、按照权利要求9所述的方法，其中
所述刚性构件是由一根围绕所述硅橡胶件卷成螺管的线材构成的。
12、按照权利要求6所述的方法，其中
所述选定步骤是依靠选定一种可吸收处在液态和气态二者的各种烃类燃料的密实硅橡胶件来实现的。
13、按照权利要求6所述的方法，其中
所述选定步骤是依靠选定一种硅橡胶件来实现的，此硅橡胶件可在吸收烃类时膨胀，而在选出所吸收的烃类时收缩，膨胀的多少则正比于接触所述硅橡胶的烃类的量。
14、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠用卡钉装置环绕所述光缆和一部分所述橡胶构件而实现的。
15、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠把所述橡胶件联接于所述光缆来实现的，其方式是，在由所述硅橡胶吸收任何烃类之前在所述光缆中产生一偏置微弯。
16、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以光学方式联接的步骤是依靠把检测装置以光学方式联接于适合用来检测某一微弯沿着所述光缆的所在位置的所述光缆而实现的。
17、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠把多个硅橡胶件在各分立位置处联接于多个光纤光缆，产生一数字检测阵列而实现的。
所述光学联接步骤是依靠把一检测装置联接于所述多个光缆而实现的，这些光缆形成了所述数字检测阵列，它们适于根据对于各种光缆组合上微弯存在状况的探测来确定微弯的位置。
18、按照权利要求6所述的方法，还有步骤：
以机械方式把一温度控制件联接于一第二光纤光缆，所述温度控制件正比于温度变化膨胀和收缩，其膨胀量相对于所述硅橡胶件的膨胀和收缩来说，基本上是已知的，而且所述温度控制件在同样的温度变化情况下接触所述烃类橡胶件时可保持其尺寸上的稳定性。
以光学方式把所述第二光纤光缆联接于所述检测装置；以及
安设所述第二光纤光缆，使得所述温度控制件紧紧靠近所述硅橡胶件。
19、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠以机械方式把多个吸收-膨胀件沿着光缆的长度联接于一根单独的光纤光缆以构成一串联的检测器阵列而实现的，所述各吸收-膨胀件在吸收某一给定烃类时具有不同的膨胀率。
20、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠以机械方式把多个分立的吸收-膨胀件联接于多条光纤光缆以产生一并联的检测阵列而实现的，所述各吸收-膨胀件在吸收某一给定烃类时具有不同的膨胀率。
21、按照权利要求6所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠以机械方式把所述硅橡胶件联接于所述光纤光缆以产生所述光缆的微弯而实现的，而联接装置在所述硅橡胶件膨胀时会倍增所述光缆微弯的大小。
22、按照权利要求21所述的方法，其中
所述以机械方式联接的步骤是依靠在所述光纤光缆上安装多个并排的环绕光缆的刚性构件而实现的。
23、按照权利要求6所述的方法，其中
所述光纤光缆由两段沿轴向对中的光缆构成，用于从一段光缆向另一段传送信号；以及
所述以机械方式联接的步骤是依靠把所述硅橡胶件联接于所述光纤光缆的所述两段光缆中的一段而实现的，从而相对于所述两段光缆中的另一段沿横向推移所述两段光缆中的一段以产生沿轴向的不对中现象。
24、按照权利要求6所述的方法，其中
所述光纤光缆由两段沿轴向对中的光缆构成，用于从一段光缆向另一段传送信号；以及
所述以机械方式联接的步骤是依靠把所述硅橡胶件联接于所述两段光缆而实现的，从而沿相反方向彼此相对地推移所述两段光缆。
25、一种用于检测液态烃类和烃类蒸气两者中至少一种的存在的检测装置，包括：
一条光纤；
一吸收-膨胀件，以机械方式联接于所述光纤，以产生在吸收所述烃类时沿着所述光纤的光传导变化，所述吸收-膨胀由一种疏水的可吸收烃类的橡胶材料制成，此材料选定得可以在吸收所述烃类时发生膨胀，并选定得可以保持充分的结构完整性而允许重复使用；以及
一检测装置，以光学方式联接于所述光纤，用于检测沿着所述光纤的光传导变化。
26、按照权利要求25所述的装置，其中
所述橡胶材料选自硅橡胶、乳胶橡胶和Norprene橡胶所构成的组群。
27、按照权利要求26所述的装置，其中
所述橡胶材料是其中具有氧化硅和氧化铁填料的二甲基聚硅氧烷。
28、按照权利要求25所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件以机械方式由一从所述吸收-膨胀件伸出的刚性构件联接于所述光纤，以产生所述光纤的微弯。
29、按照权利要求28所述的装置，以及
一粘接件，把所述刚性构件联接于所述吸收-膨胀件。
30、按照权利要求28所述的装置，其中
所述刚性构件环绕所述光纤。
31、按照权利要求30所述的装置，其中
所述刚性构件环绕所述光纤和所述吸收-膨胀件二者。
32、按照权利要求28所述的装置，其中
所述刚性构件由一环绕所述光纤和一段所述吸收-膨胀件的环圈构成。
33、按照权利要求32所述的装置，其中
所述光纤和所述吸收-膨胀件都是圆柱形的并且其取向是两条中心纵向轴线基本上平行，而所述环圈基本上是圆形的并且沿着所述光纤的宽度尺寸相对较小。
34、按照权利要求33所述的装置，以及
多个间隔开的并排的较为刚硬的环圈各自环绕所述光纤和所述吸收-膨胀件二者。
35、按照权利要求28所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件以机械方式用一卡钉联接于所述光纤。
36、按照权利要求28所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件以机械方式用一缠绕所述光纤和所述吸收-膨胀件二者的绞绳联接于所述光纤。
37、按照权利要求36所述的装置，其中
所述绞绳是一金属线材。
38、按照权利要求25所述的装置，以及
多个吸收-膨胀件，各自制成得有如首次命名的吸收-膨胀件，
所述各吸收-膨胀件各自以机械方式沿着所述光纤长度在各个间隔开的位置处联接于所述光纤，其方式是，在吸收所述烃类时可产生所述光纤的微弯。
39、按照权利要求25所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件可吸收汽油、喷气燃料和柴油。
40、按照权利要求39所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件可吸收处于液气两态中的所述烃类。
41、按照权利要求25所述的装置，其中
所述光纤配有一具有第一端部的第一光纤段和一具有第二端部、与所述第一端部间隔开来并在光学上对中的第二光纤段，用于从所述第一光纤段传导光线至所述第二光纤段；以及
所述吸收-膨胀件以机械方式联接于所述第一光纤段和所述第二光纤段二者之一，以产生两段光纤之一沿侧向相对于另一段的位移，位移大小可影响沿着所述两段光纤的光传导。
42、按照权利要求41所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件联接于所述第一光纤段和所述第二光纤段二者并被支承起来，用以在相反方向上推移所述第一光纤段和所述第二光纤段。
43、按照权利要求25所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件以机械方式用一联接组件联接于所述光纤，用于产生所述光纤的位移，其大小大于所述吸收-膨胀件的膨胀量。
44、按照权利要求25所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件以机械方式联接于所述光纤，其方式是，以在所述吸收-膨胀件处的一预先设定的微弯使所述光纤偏置。
45、按照权利要求44所述的装置，以及
一安装装置，以机械方式把所述吸收-膨胀件联接于所述光纤，所述安装装置可产生所述微弯。
46、按照权利要求45所述的装置，其中
所述安装装置由一环状构件构成，具有一围绕所述光纤伸展的中段，并具有一对间隔开来的肢段卡住所述吸收-膨胀件，所述两个肢段在选定的两个相对固定的位置之间是可以移动的，以便把所述中段拉向所述光纤并设定使所述光纤偏置的微弯量。
47、按照权利要求25所述的装置，其中
所述吸收-膨胀件由一种橡胶材料制成，对于两种不同烃类燃料的每一种具有已知的膨胀率；以及还包括：
一辅助光纤，具有一辅助吸收-膨胀件，此件由一以机械方式联接于光纤的吸收烃类的橡胶件制成，其方式是，可在所述辅助吸收烃类的橡胶件膨胀时产生光传导变化，所述辅助吸收-膨胀件对于每一所述两种不同的烃类燃料具有已知的膨胀率，这些膨胀率不同于首次提出的吸收-膨胀件的膨胀率；
所述辅助吸收-膨胀件设置得靠近所述首次提出的吸收-膨胀件；以及
所述检测装置在光学上联接于所述辅助光纤并制作得可以定出在各吸收-膨胀件膨胀时光传导变化的大小，此装置还包括计算装置用于对比出自两条光纤的光传导变化的数量，以确定所检测的烃类燃料。
48、按照权利要求25所述的装置，以及
一辅助光纤，具有一以机械方式与之联接的辅助橡胶件，其方式基本上等同于所述吸收-膨胀件对于首次提出的光纤的联接方式；
所述辅助橡胶件的热膨胀系数与所述吸收-膨胀件的热膨胀系数具有已知的关系，而所述辅助橡胶件基本上不吸收由所述吸收-膨胀件所吸收的各种烃类；
所述辅助橡胶件设置得靠近所述吸收-膨胀件；以及
所述检测装置在光学上联接于所述辅助光纤并制作得可以定出由所述吸收-膨胀件和所述辅助橡胶件所产生的光传导变化的大小，此装置还包括对比和计算装置，用于对比所述的变化大小并减除温度引起的变化。
49、按照权利要求25所述的装置，
所述光纤具有多个基本上相同的吸收-膨胀件，以机械方式沿着光纤的长度联接于所述光纤。
多个辅助光纤，设置得靠近首次提出的光纤；
多个辅助吸收-膨胀件，类似于首次提出的吸收-膨胀件并以机械方式联接于每一所述辅助光纤；
所述各首次提出的吸收-膨胀件和所述各辅助吸收-膨胀件沿着它们各自的光纤联接在一数字检测阵列之中，在每一多个检测地点带有不同的吸收-膨胀件组合；
所述检测装置联接于每一所述辅助光纤；以及
计算装置，联接于所述检测装置并制作得可以对出自所述检测装置的各种信号组合作出响应，以确定所检测的烃类的位置。
50、一种烃类检测装置，包括：
一条光纤；
一种甲基终止的、氧化硅和氧化铁充填的二甲基聚硅氧烷橡胶件，以机械方式联接于所述光纤，以便在由所述红硅橡胶吸收液态烃类和烃类蒸气二者的至少一种时产生所述光纤的微弯。
一微弯检测装置，在光学上联接于所述光纤，以检测所述光纤中某一微弯的存在。
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