Background

检测和量化甲烷浓度的能力在环境和工艺安全方面都很重要. For example, 探测海上平台天然气泄漏的能力是防爆方案的重要组成部分. 直径超过5米的甲烷云如果被点燃,就足以造成破坏, consequently, 探测器可能需要放置在网格上,间距不大于5m, 这导致了大量传感器的部署. 为了在防爆系统中运行, 传感器必须检测到低于爆炸下限的甲烷气体,以便操作人员在任何潜在泄漏造成空气和甲烷的爆炸性混合之前采取行动. For example, 一个常见的动作点是爆炸下限(LEL)的20%,因此传感器需要能够可靠地检测到这一量级的甲烷浓度. As the LEL of methane is 4.9% by volume, 传感器需要能够检测和量化1%或10%体积的甲烷浓度,000ppm, 精确到500ppm左右.

Typically on an oil platform, or petrochemical plant, 大量的传感器将被放置在不同的位置, 由于传感器本身的成本和在爆炸危险区域内的安装和维护需要,哪个是昂贵的. As well as methane, 需要传感器,以响应其他潜在危险气体的泄漏,如硫化氢和氧气(在使用窒息剂的地区). 颗粒传感器通常用于探测潜在的爆炸性气体, 但由于漂移和中毒的已知影响,这些需要定期校准. 电化学传感器已很好地用于潜在有毒气体和氧气, but have a limited lifetime.

For these reasons, 人们对基于可调谐二极管激光光谱学(TDLS)的检测技术越来越感兴趣。, with its high sensitivity, 对没有交叉响应的特定气体的校准稳定性和特异性(例如, to humidity). However, 当每个探测点都需要自己的可调谐激光器时,这种技术的成本是令人望而却步的. 解决这个问题的一个方法是通过光纤连接多个传感器点,共享来自单一激光器的光. However, 这个解决方案需要一个复杂的光纤网络, 每个检测位置都需要输出和返回光纤, 因此,2n个单独的光纤连接到n个单独的检测点以及一个单独的照片探测器和每个传感器的相关数字采集通道. im全站客户端的工作是沿着单一光纤实现多个传感器位置的多路复用, 使用单激光二极管和光探测器, 因此大大简化了安装和讯问单元,并提供了较低的传感器位置成本, 这样,该技术就可以与传统的点传感器竞争.

Technology overview

亚博IM电竞开发了一种方法,可以同时测量多个点的气体浓度, using an optical fibre, 用单光纤耦合激光器和光电探测器, 将可调谐二极管激光光谱学(TDLS)和距离分辨干涉术(RRI)相结合,. 紧密间隔的气体检测单元可以沿着纤维的长度部署,并可以跟踪单个气体管道,或在单个工艺或其他危险位置附近提供多点气体传感. 探测位置可以沿着纤维距离近1米, or can be spaced further apart, 受限于激光器的相干长度(激光器的长相干长度可达2千米). In principle, im全站客户端相信im全站客户端的解决方案可以实现为连接的部分, 通过模块化产品启用不同的配置. 提高了气体检测的灵敏度和覆盖率.

 

Above: RRI interrogation unit.

TDLS的工作原理允许通过测量气体在多个采样点的光学吸收来检测气体, 而二极管激光器的波长是通过吸收线调谐的. 另一方面,距离分辨干涉术(RRI)通过使用一种特殊的信号处理技术将信号从每个传感器中分离出来, 先前开发用于位置传感和振动测量.

二极管激光器的发射波长由注入电流控制,并在耦合到光纤之前由慢斜坡波(2Hz)和快正弦波(49kHz)组合调制. 慢斜坡扫过激光中心波长的范围包含一个特征气体吸收, e.g. for methane at 1653nm. 然后,RRI信号处理解调输出信号的空间位置,为每个气体单元提供类似tdls的信号.

im全站客户端已经证明,三种气体细胞的信号可以用最小的串扰独立区分和测量. 取决于光拓扑和响应时间, 甲烷可以用20到200ppm之间的噪声当量浓度进行测量. In other work, RRI已与其他测量方法结合,沿单一光纤复用20个传感器.

与标准TDLS相比,其主要创新是采用了RRI信号处理. 对于RRI只有一个商用的现场可编程门阵列(FPGA)处理器, 需要一个标准的激光驱动器和单个光电探测器. im全站客户端使用标准电信纤维与低成本连接器和耦合器. 气体电池的光学对准是通过使用后反射器设计来实现的.

Benefits

这种新型的多点光学气体检测系统具有单一光源和跨越多个单元的探测器多路复用的特点,与现有的传感器和网络传感器系统相比具有显著的优势, including:

  • 为广泛覆盖而使大量细胞复用的潜力;
  • Close spacing of detection points for explosion prevention (with >1m fibre separation between cells);
  • 能够测量甲烷在低噪声当量浓度低于200ppm的0.5s measurement period for early detection (and a potential noise equivalent concentration [1σ] of <20ppm with 1500s averaging times);
  • 最小的交叉信号细胞测量灵敏度和定位;
  • 与非分散红外测量相比,更高的气体特异性和信噪比,以防止误报警;
  • 同时测量和报告所有细胞浓度,协助实时气体绘图;
  • Low power lasers (<35 mw) compared to multi-point photo-acoustic gas detectors, 用于易爆炸环境下的安全操作(光功率符合EN 60079- 28:15);
  • 单系统盒式控制器,单连接光纤电缆,安装方便,维护方便;
  • 每个测量点的多点传感器成本更低的潜力;
  • 延长使用寿命,降低维护成本.

该系统可以转换(通过激光的变化),使探测一系列气体和甲烷, including hydrogen sulphide, 一氧化碳和二氧化碳, ethane, 丙烷和乙烯及其他(在标准电信纤维的传输窗口内具有可检测的吸光度).

Applications

该气体检测多点分布式光学系统可用于工业安全中已建立的气体检测应用.g. 石化工程防爆, toxic gas monitoring), 堆填区监察及过程监察.

Opportunity

亚博IM电竞在提供与新型光学仪器和传感器相关的研究和商业项目方面有良好的记录, 解决工程和生物医学应用中具有挑战性的测量问题, including microfluidic flows, point-of-care diagnostics, strain, 压力和气体检测及多波长气体光谱学.

im全站客户端正在寻求工业合作伙伴表达兴趣,希望利用设计方面的专业知识, simulation, 新型多点气体传感系统的控制与操作. 该技术的许可方和潜在用户被邀请与im全站客户端联系.

Patents

UK (GB1814542.5)和PCT申请(WO2020/049287)正在进行中,优先日期为2018年9月6日.

IP status

  • Real-time, 用三个独立的气体电池完成实验室工作台实验演示;
  • 在具有挑战性的环境中为其他测量建立的RRI.g. 安装在旋转直升机旋翼叶片上);
  • 评估不同的度量拓扑.

Seeking

  • Licensing,
  • 例如,通过向创新-英国申请联合资助,开展发展合作.