本發(fā)明涉及一種氫氣濃度和雜質含量在線監(jiān)測系統(tǒng)與方法，具體的說是一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監(jiān)測的光纖傳感系統(tǒng)與方法。

背景技術：

目前，載氫工藝在石化行業(yè)應用廣泛，在適當?shù)臏囟?、氫氣濃度與氣壓等條件下，生成一定分子量的烴類或者醇類等化工產(chǎn)品。乙烯氫氣被用于加氫裂化裝置和蠟油加氫等裝置中，如果乙烯氫氣純度降低(CH₄、CO、CO₂雜質含量上升)，將降低上述加氫裝置的系統(tǒng)氫氣分壓，不利于加氫反應，嚴重影響產(chǎn)品質量。另一方面，許多企業(yè)所使用的乙烯氫氣為外購，受工藝限制，來自乙烯脫甲烷塔的乙烯氫氣中不可避免含有一定濃度的CH₄，如果乙烯脫甲烷塔操作不穩(wěn)，將導致乙烯氫氣中CH₄含量增加，使得有效組分H₂含量降低，增加購買價格。因此，石化等企業(yè)迫切需要乙烯氫氣純度及雜質含量在線監(jiān)測技術。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監(jiān)測的光纖傳感系統(tǒng)與方法。本系統(tǒng)傳感器本征安全，通過光信號增強氣室將光纖F-P傳感技術與拉曼光譜分析技術相結合，可在線實時監(jiān)測石化等行業(yè)工藝管線中高濃度氫氣和雜質的含量，使氫氣等危險氣體的在線監(jiān)測更加安全準確。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種用于石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監(jiān)測的光纖傳感系統(tǒng)，包括：測量導氣旁管(4)、光信號增強氣室(6)、光源單元(11)、信號探測單元(7)、信號解調單元(13)和數(shù)據(jù)處理單元(14)；所述的光信號增強氣室(6)上開有進氣口、排氣口、進光口、信號探測單元接口；所述的光信號增強氣室(6)內部左右兩側鑲嵌有兩塊凹面反射鏡，光源單元(11)發(fā)出的激光束從其中一塊凹面反射鏡一側導入，射向另一塊凹面反射鏡一側，激光束在腔內經(jīng)兩塊凹面反射鏡多次反射并且每次反射的光線都經(jīng)過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號；石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，并通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，使氣體不停流動以保證氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；光源單元(11)發(fā)出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發(fā)氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的拉曼信號通過傳輸光纜(12)傳輸?shù)轿挥诜欠辣瑓^(qū)的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數(shù)據(jù)通過RS-485串口線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元(14)進行數(shù)據(jù)處理以及測量參量的實時顯示。

所述的光纖傳感系統(tǒng)，所述光信號增強氣室(6)與測量導氣旁管(4)連通，測量導氣旁管(4)從石化載氫主管道(1)引出，其功能是讓測量氣路與主管道分離，保證測量系統(tǒng)的安全性，同時保證了光信號增強氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；測量導氣旁管(4)前端依次接有減壓閥(2)和截止閥(3)，減壓閥(2)用于降低測量氣室中氣體的壓力，保證測量時整個系統(tǒng)的運行安全，截止閥(3)用來控制氣流的通斷，以便于系統(tǒng)調試；測量時通過調整減壓閥(2)來減小進入氣室的氣體壓強，然后打開截止閥(3)，石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)。

所述的光纖傳感系統(tǒng)，所述光信號增強氣室的底面正對信號探測單元(7)的位置設置有平凹透鏡(19)，其高反射率的特性具有增強收集拉曼信號的作用。

所述的光纖傳感系統(tǒng)，所述信號探測單元接口設置有石英窗口波片(16)，信號探測單元(7)透過石英窗口波片(16)接收拉曼信號。

所述的光纖傳感系統(tǒng)，所述的進氣管道(5)與排氣管道(8)的內徑要求一致，以保證進入光信號增強氣室(6)的氣體與排出的氣體數(shù)量相等，消除氣室內因氣體流通與氣室邊緣相作用產(chǎn)生的湍流，保證光信號增強氣室(6)內所測氣體壓強的穩(wěn)定性和成分的相對均勻。

所述的光纖傳感系統(tǒng)，只有信號探測單元(7)為本征安全的光學元器件，而測量系統(tǒng)的信號解調單元(13)與光源單元(11)、數(shù)據(jù)處理單元(14)帶電部分設置于防爆區(qū)100米以外的位置，以保證測量系統(tǒng)的安全性；測量時通過光纖光纜(10)將光源單元(11)發(fā)出的激發(fā)光導入光信號增強氣室(6)，激發(fā)氣室內氣體的拉曼信號；同時通過傳輸光纜(12)將信號探測單元(7)探測到的拉曼信號傳輸?shù)轿挥诜欠辣瑓^(qū)的信號解調單元(13)進行解調。

所述的光纖傳感系統(tǒng)，所述帶電的光源單元(11)、信號解調單元(13)以及數(shù)據(jù)處理單元(14)嵌入到同一臺機箱中，該機箱遠離石化防爆區(qū)，以便于系統(tǒng)的保護與測量安全性。

根據(jù)任一所述系統(tǒng)進行石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監(jiān)測的的方法，包括以下步驟：測量時通過調整減壓閥(2)來減小進入氣室的氣體壓強，然后打開截止閥(3)，石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，在光信號增強氣室(6)內，光源單元(11)發(fā)出的激光束從其中一塊凹面反射鏡一側導入，射向另一塊凹面反射鏡一側，激光束在腔內經(jīng)兩塊凹面反射鏡多次反射并且每次反射的光線都經(jīng)過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號；氣體通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，使氣體不停流動以保證氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性；光源單元(11)發(fā)出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發(fā)氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的拉曼信號通過傳輸光纜(12)傳輸?shù)轿挥诜欠辣瑓^(qū)的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數(shù)據(jù)通過RS-485串口線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元(14)進行數(shù)據(jù)處理以及測量參量的實時顯示。

由于采用上述的技術方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性：

本發(fā)明的光信號增強氣室是基于F-P增強腔設計的，基本原理是光束在氣室內多次反射并且每條光線都經(jīng)過氣室中心部位，使會聚的光斑能量增強；

該系統(tǒng)傳感器采用將光纖F-P傳感技術與拉曼光譜分析相結合，可有效提高激光拉曼光譜法的氣體檢測靈敏度及準確度，另外，該系統(tǒng)傳感器本征安全，可在線實時監(jiān)測石化等行業(yè)工藝管線中高濃度氫氣和雜質的含量，使氫氣等危險氣體的在線檢測更加安全準確。

本發(fā)明的信號探測單元固定于氣室上方，且只需一個拉曼探頭即可檢測到多種成分氣體的信號，如CH₄、CO、CO₂、H₂S等，不需要光傳感器；

本發(fā)明應用于石化氫氣管道的長期在線監(jiān)測，管道中氫氣濃度達90％以上，對測量系統(tǒng)的防爆要求很高，所以我們與管道連接的光信號增強氣室必須不能帶電，本征安全；我們的光源單元等帶電單元都位于100米外的非防爆區(qū)，與氣室通過光纜連接，不直接接觸到氣體；

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖

圖中：1-載氫工藝主管道，2-減壓閥，3-截止閥，4-測量導氣旁管，5-進氣管道，6-光信號增強氣室，7-信號探測單元，8-排氣管道，9-放空管道，10-光纖光纜，11-光源單元，12-傳輸光纜，13-信號解調單元，14-數(shù)據(jù)處理單元。

圖2是本發(fā)明中光信號增強氣室及其內部部件結構示意圖

圖中：15-信號探測單元固定法蘭，16-石英窗口波片，17-凹面反射鏡，18-凹面反射鏡，19-平凹透鏡，A-進氣口，B-排氣口，C進光口，D-信號探測單元接口；

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的石化載氫管道氫氣和雜質含量在線監(jiān)測的光纖傳感系統(tǒng)與方法，包括測量導氣旁管(4)、光信號增強氣室(6)、光源單元(11)、信號探測單元(7)、信號解調單元(13)和數(shù)據(jù)處理單元(14)等。

該系統(tǒng)運行時，首先要通過調整減壓閥(2)來減小進入光信號增強氣室(6)的壓強，以保證測量系統(tǒng)的安全，然后打開截止閥(3)，石化載氫主管道(1)中的氣體依次通過測量導氣旁管(4)和進氣管道(5)進入光信號增強氣室(6)，并通過排氣管道(8)進入放空管道(9)，此處測量導氣旁管(4)的功能是將測量系統(tǒng)與主管道(1)分離，保證測量系統(tǒng)的安全性，同時使氣體流動以保證光信號增強氣室(6)與主管道(1)中氣體成分的一致性。光源單元(11)發(fā)出的激光通過光纖光纜(10)導入光信號增強氣室(6)，激發(fā)氣體的拉曼信號，同時信號探測單元(7)將探測到的信號通過傳輸光纜(12)傳輸?shù)轿挥诜欠辣瑓^(qū)的信號解調單元(13)進行解調，信號解調單元(13)將解調后的數(shù)據(jù)通過RS-485串口線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元(14)進行數(shù)據(jù)處理以及測量參量的實時顯示。

參考圖2，所述的光信號增強氣室內部左右兩側鑲嵌有兩塊凹面反射鏡17和18，形成F-P增強腔，從氣室右側進入的光束在腔內經(jīng)兩塊凹面反射鏡17和18多次反射、并且每次反射條光線都經(jīng)過腔體的中心部位，使會聚的光斑的能量增強，從而增強拉曼散射信號。氣室的下側置有平凹透鏡19，其高反射率的特性具有增強收集拉曼信號的作用。氣室的上側置有石英窗口波片16，其作用是保證氣室的密封性以及信號探測單元對于信號的收集。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。