[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

说明书

本发明涉及氢气浓度和温度检测技术，旨在提供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。该系统包括设于非防爆区的激光源和信号接收处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头；激光源与氢气传感探头之间、信号接收处理器与氢气传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接；激光源提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤。本发明的光源采用了特定波长的光信号，并确定与之相匹配的传感探头结构参数以及信号接收与处理器的可处理光强度范围；能够实现氢气浓度具体值测量，使其更适合于实际的用氢场合。整个检测系统体积大幅减小，结构紧凑，便于安装使用，同时也使检测所需成本大幅降低。

技术领域

本发明属于氢气浓度和温度检测技术，尤其涉及一种基于光纤传感探头、本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法。

背景技术

近年来，氢能作为一种公认的清洁能源，越来越受到世界的关注。我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

尽管氢气具有诸多优势，但其爆炸极限范围极宽（4%~75.6%），且无嗅、无色、无味，人类的感官无法察觉，因此从制取、储存、输运、加注等诸多环节对氢气浓度进行检测和泄漏监测是尤为必要的。氢气的最小引燃能量仅0.02 mJ，是石油、天然气、液化气等常见能源的1/10，一旦温度较高或遇到电火花极易被引燃发生爆炸，因此在检测过程如何避免高温及电火花的出现，对于氢气的安全检测十分必要。

目前，市场上已有多种类型的传感探头用于氢气浓度的检测，诸如电化学型、催化剂型、热传导型等，但这些类型的传感探头大多存在需要供电、工作温度高等问题，如电化学型等氢气传感探头在检测过程中需要提供电流，功耗大多在5瓦以上，需要专门的电路或电池供电；催化剂型等氢气传感探头需要在传感元件表面发生催化反应放热产生高温，通过测量电阻变化、温度变化、电势变化等信号建立与氢气浓度之间的关系，而这些测量信号都是微弱的模拟信号，需要通过放大电路进行信号放大，而且模拟信号无法远传，通常还需在现场进行模数转换后，再以数字信号的形式远传至控制室。

此外，传统类型的氢气传感探头由于在检测现场具有电路系统或工作温度高，为达到防爆要求，均对装置进行密封以达到隔绝氢气的效果，防爆类型均属于隔爆型。对于氢气这种爆炸极限宽、最低引燃能量低的待检气体而言，一旦遇到氢气泄漏，隔爆型氢气传感探头本质上还是有密封失效的可能，存在引燃引爆的风险。因此，相比隔爆型氢气传感探头，防爆等级为本质安全型的光纤氢气传感探头更具应用价值，也更符合氢气安全检测的目标。但光纤氢气传感探头发展至今，相关研究多处于实验室阶段。如中国专利申请“一种微纳光纤迈克尔逊干涉式氢气传感器及其制备方法”（CN107101960A）中迈克尔逊干涉结构体积相对较大，组件多且复杂，结构不够紧凑，实际应用困难；中国专利申请“一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器”（CN105841840B）中基于光纤光栅结构同时测量氢气浓度和温度，所测参数间会互相影响，检测效果尚不明确，实现难度较大；中国专利申请“一种多浓度区间光纤氢气传感探头”（CN110672557A）等，为拓宽可检测浓度区间，主要探究检测过程中产生的波形变化，需要在实验中用到光谱仪观测光谱波峰的移动，实时监测氢气浓度的变化，不仅无法直接输出所测氢气浓度值，且所需的实验设备体积较大、价格昂贵，不便于实际场合的应用。而直接输出确定的氢气浓度值，则需要对光信号进行光电转换将其转变为电信号，再对电信号进行解调才能得到氢气浓度，有文献（宋涵，华中科技大学，博士学位论文，2016，第74至84页，基于钯基低维纳米结构增敏的光纤氢气传感器研究）提出，通过硬件电路和软件电路的设计组成信号检测系统，实现对氢气的检测，但在这一处理过程中有大量电子元器件及电信号参与，直接将其应用于实际用氢场合，不可避免地会给氢气检测带来引燃引爆的风险。