[發明專利]一種用于易揮發碳氫化合物監測的傳感器、系統及方法

在審

• 申請號: 201710323727.7
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107084945A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 李俊;李明叡
• 申請（專利權）人: 李俊
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 溫州知遠專利代理事務所(特殊普通合伙)33262
• 代理人: 湯時達

技術領域

本發明屬于易揮發碳氫化合物監測技術領域，特別是涉及一種用于易揮發碳氫化合物監測的傳感器、系統及方法；采用光纖光柵作為傳感單元，實現可揮發碳氫化合物的濃度監測和變化點定位，通過熱敏感膜和氣體分子相互作用，產生氣體分子熱吸收，不同分子摩爾質量的揮發氣體和氣體敏感膜作用后產生熱能的變化，FBG傳感器對熱能反應不同，因此導致FBG傳感器受熱膨脹的程度不同，進而檢測氣體摩爾質量；可用于石油化工行業大型儲罐，加油站，油田區域的碳氫化合物濃度變化的實時監測和定位。

背景技術

我國對于大氣VOCs的研究尚處于剛剛起步的階段，在開展的VOCs監測工作中，采用的方法多樣化，監測數據比較零散，目標化合物也不一致。目前已有的VOCs分類的標準方法均是采用吸附劑采樣，針對的目標化合物也僅為鹵代烴和芳香烴化合物，難以反應監測區域VOCs的污染特征和狀況。因此需針對國家的大氣污染控制需求，開展規范的VOCs監測，推動國家大氣VOCs監測能力的建設。

從20世紀70～80年代開始，美國、歐洲、日本等國家相繼開展了相應的工作，研究主要是圍繞VOCs在大氣化學過程中的作用、來源和對人體健康產生的影響等方面展開。隨著研究的開展，研制開發了相應的測量分析方法和儀器，并隨著研究的深入，監測技術也在不斷地完善，更有一些時間分辨率高、靈敏度好的方法不斷出現。大氣VOCs的監測方法主要包括離線技術和在線技術，這些技術通常包括采樣、預濃縮、分離和檢測幾個過程。空氣中VOCs的采樣方式可分為直接采樣、有動力采樣和被動式采樣。樣品預處理方法有溶劑解析法、固相微萃取法、低溫預濃縮-熱解析法等。分析VOCs的方法有氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜-質譜法以及最新發展的質子轉移反應質譜法技術等。

通過使用光波代替電流以及使用標準光纖代替銅線作為傳輸介質，FBG光學傳感解決了許多使用電氣傳感需要面臨的挑戰和解決的困難。光纖和FBG光學傳感器都是絕緣體，具有被動性電學特性，并且不受電磁感應噪聲的影響。具有高光學功率可調激光源的探詢器可以以很低的數據丟失率甚至是零丟失來完成長距離的測量。同時，與電氣傳感器系統不同，一個光學通道可以同時完成多個FBG傳感器的測試，極大地減小了測試系統的體積，重量以及復雜度。

在一些外部環境條件惡劣的應用現場中，一些常用的電氣傳感器，例如箔應變片，熱電偶，以及振弦式傳感器已經很難使用甚至已經失效的情況下，光學傳感器是一個非常理想的解決辦法。因為光學傳感器的用途以及安裝方法和這些傳統的電氣傳感器類似，所以從電氣測試方案過渡到光學測試方案會相對簡單。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于易揮發碳氫化合物監測的傳感器、系統及方法，通過利用在FBG包層涂敷熱膨系數大的金屬氣體敏感膜的方式，利用FBG耦合理論，對待測氣體摩爾質量和氣體吸收位置進行檢測的系統。同比與傳統工業過程控制中測量氣體濃度的傳感技術，解決了現有的石油化工儲罐、石油集輸站等場所的泄漏監測效果差的問題。

為解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明為一種用于易揮發碳氫化合物監測的傳感器，包括光纖纖芯和包覆層，所述光纖纖芯與包覆層之間沿軸向方向并排設置有若干傳感單元；位于所述光纖纖芯的所述傳感單元的所述包覆層外表面復合有一層氣體敏感膜。

進一步地，所述氣體敏感膜為高熱傳導率的金屬材料，包括納米氧化鋅或銅或金等。

進一步地，所述傳感單元為FBG傳感器；所述FBG傳感器串聯在光纖纖芯的軸向方向；串聯有FBG傳感器的單模光纖中的FBG傳感器的間隔根據實際需求設置長度，間隔長短可調。

一種用于易揮發碳氫化合物的監測系統，包括：

用于檢測易揮發碳氫化合物的一組或多組傳感器；其中，所述傳感器包括傳感單元和氣體敏感膜單元；

用于承載傳感單元的光纖；在光纖上設置若干數量的傳感單元，傳感單元通過監測不同分子摩爾質量的揮發氣體和氣體敏感膜作用后產生熱能的變化；

用于提供傳感器的激光光源；

用于激光光源經傳感器光調制的光譜解調器；

用于光譜解調器將調節后光波長進行處理分析的信號處理器。

進一步地，所述激光光源采用寬帶激光光源，所述寬帶激光光源的帶寬為80nm以上。

一種用于易揮發碳氫化合物的監測方法，包括如下步驟：