[发明专利]一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法

权利要求书

1.一种本质安全防爆的氢气浓度检测的方法，其特征在于，是基于本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统实现的，该系统包括设于非防爆区的激光源和信号接收与处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头和温度传感探头；激光源与两传感探头之间、信号接收与处理器与两传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤；所述氢气传感探头为非本征法布里-珀罗干涉型传感探头，以嵌套方式将两根单模光纤插入玻璃毛细管中，由两个光纤端面构成平行反射面并与玻璃毛细管共同组成干涉腔；在干涉腔外壁镀有一层厚度范围为10~100 nm的钯膜；所述温度传感探头为光纤布拉格光栅型传感探头；所述激光源向氢气传感探头提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，向温度传感探头提供宽带光信号；所述氢气传感探头和温度传感探头的远程传输光纤集成于一体，安放于同一布线管道内，两传感探头检测所需光信号由同一激光源提供；

实现本质安全防爆的氢气浓度检测的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：以激光源产生1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的氢气传感探头，并在其两个光纤端面发生反射，形成两路反射光；

步骤2：当实际用氢场合发生泄露时，由于氢气密度小于空气，上逸的氢气进入氢气传感探头中并与干涉腔表面的金属钯发生反应，使钯膜的体积膨胀产生轴向力拉动干涉腔伸长；由于干涉腔长度改变，使两路反射光的光程差发生变化，形成特定强度的光干涉信号；

其中，干涉腔的腔长变化量与氢气浓度之间满足下式：

式中：△L为腔长变化量；x为氢气浓度，可检测范围为1%~4%；D为毛细管镀膜长度，范围为5~15 mm；为玻璃毛细管外径，范围为0.1~0.3 mm；b为钯膜厚度与毛细管外径之和；E₁为钯膜的弹性模量，为126 GPa；E₂为玻璃毛细管的弹性模量，为74 GPa；

氢气传感探头输出的干涉光强度I_R与干涉腔的腔长L之间满足下式：

式中：I_R为传感探头输出光强；R为光纤反射率，取0.04；I_o为传感探头输入光强； L为干涉腔长，为初始腔长与腔长变化量之和；λ为光信号的波长；

步骤3：光干涉信号经远程传输光纤直接输送至位于非防爆区内的信号接收处理器，由后者对光干涉信号进行光电转换，再对电信号进行放大、滤波处理，输出与氢气浓度相对应的电压值；

步骤4：通过标定方式建立输出电压与氢气浓度之间的对应关系曲线，根据实时检测的电压值判断防爆区内的氢气浓度，实现特定浓度范围内的氢气检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气传感探头和温度传感探头安装在设于防爆区上部空间的氢气检测终端设备中；氢气检测终端设备的外形结构呈中空的倒漏斗形，由倒置的喇叭口和与其相连的中空柄部组成，柄部末端设有若干贯通缝隙；所述氢气传感探头和温度传感探头设于柄部的空腔内。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氢气检测终端设备有若干个，且在防爆区内呈分布式布局。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述远程传输光纤中内置的单模玻璃光纤由三层组成，由内到外分别为纤芯、包层、涂覆层；在涂覆层的外侧依次设有铠装不锈钢层、包覆芳纶层、金属编织层和PE护套。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号接收处理器中具有双光路补偿形式的光路系统，分别为检测光路与参考光路；其中参考光路不与氢气接触，两路光信号在完成光电转换后对电信号做差分处理；然后再进行放大和滤波处理，输出与氢气浓度相对应的电压值，实现消除外界环境及传输损耗的干扰。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还进一步包括利用所述系统实现本质安全防爆的氢气环境温度的检测，具体包括以下步骤：

步骤1：激光源产生宽带光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的温度传感探头；

步骤2：入射光进入光纤布拉格光栅后，光栅对入射的宽带光进行有选择的反射；反射光是中心波长与芯层折射率调制相位相配合的窄带光，带宽为0.1~0.5 nm；反射光的波长满足布拉格条件，公式表示如下：

其中，λ_B为光栅的布拉格波长，n_eff为光栅的有效折射率，∧为光栅条纹周期；

由（3）式对温度求导得到：

其中，T为温度，K_t为光纤布拉格光栅的温度灵敏度，对于石英光纤，常温下取7.2×10^-6 ℃；

步骤3：通过标定方式建立温度传感器的布拉格波长λ_B与温度T之间的对应关系曲线，根据实时检测到的反射光中心波长判断防爆区内的温度，实现对传感器周围环境温度的检测。