УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И/ИЛИ ДОЗИРОВАНИЯ ВОДОРОДА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И/ИЛИ ДОЗИРОВАНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2017 года по МПК G01N21/63 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обнаружения и количественного анализа водорода.

Такие сооружения, как помещения для хранения, места бурения геотермальных скважин, места товарных складов и промышленные цистерны химических и/или радиоактивных продуктов могут подвергаться риску высвобождения водорода, относящегося к хранящимся продуктам, причем эти высвобождения водорода являются взрывоопасными и могут быть в определенных обстоятельствах опасными для людей.

Чтобы контролировать эти риски и заблаговременно обнаруживать любую утечку водорода, которая может произойти, существует общепринятая практика оборудовать этот тип помещений для хранения химическими детекторами, подходящими для обнаружения и/или измерения водорода. Вследствие длительных периодов хранения (несколько лет) химических или радиоактивных продуктов и недоступности структур для хранения, взаимодействующие измерительная аппаратура и химические детекторы, такие как водородные детекторы, по очевидным причинам безопасности, должны быть надежными по прошествии длительного времени, т.е. другими словами иметь оптимальную стабильность и чувствительность на протяжении всего периода хранения или его части. Кроме того, они должны быть развернуты в больших количествах, для того чтобы покрывать большие области и характеризовать неоднородные окружающие условия. И наконец, измерительное устройство должно принимать во внимание аспекты рисков взрывов и должно быть способно гарантировать действительную безопасность устройства.

Поэтому изобретение, если более точно, относится к устройству для обнаружения и/или количественного анализа водорода, а также к способу для обнаружения и/или количественного анализа водорода.

Уровень техники

В случае мониторинга присутствия водорода в таких сооружениях, как помещения для хранения для химических или радиоактивных продуктов, имеющих области, которые должны контролироваться с протяженностью, превышающей около сотни метров, известно использование устройств для обнаружения и/или количественного анализа водорода, которые используют оптическое волокно, как датчик водорода. Этот тип устройства имеет, среди других преимуществ, обеспечение обнаружения, гарантирующего действительную безопасность сооружения, поскольку оно использует оптическое измерение без риска искрообразования, которое может вызвать взрыв в газообразном окружении, содержащем большое количество водорода.

Ниже и в остальной части этого документа водород означает водород в атомарной форме, в молекулярной форме (другими словами двухатомарный водород), или водород в своей изотропной форме, т.е. дейтерий.

Так, документ WO 2009/067671 описывает такое устройство для обнаружения и/или количественного анализа водорода. Устройство, описываемое в документе WO 2009/067671, содержит:

- измерительное оптическое волокно, предназначенное для оборудования сооружения в области, которая должна контролироваться,

- оптическая система, оптически соединенная с оптическим волокном и применимая для измерения изменения в поглощении света вышеуказанным оптическим волокном при точно определенной длине волны.

Такое устройство использует свойство диффузии водорода в оптическое волокно и ухудшение свойств перемещения на определенных длинах волн, которое является результатом свойства диффузии водорода. Это происходит вследствие того, что поглощение водорода волокном вызывает создание гидроксильной группы OH и молекулярного водорода H₂, поглощающего определенные длины волн в инфракрасном диапазоне, например таких длинах, как 1080, 1180 и 1240 нм. Поэтому затухание при распространении в волокне на этих длинах волн непосредственно относится к концентрации водорода в нем.

Таким образом, когда таким устройством оборудуется сооружение, которое должно контролироваться с помощью оптического волокна, развертываемого над всей областью, которая должна контролироваться, утечка водорода будет создавать увеличение поглощения части водорода чувствительным оптическим волокном, что может быть обнаружено с помощью вышеуказанного измерения поглощения света.

Тем не менее, хотя такое устройство позволяет эффективное обнаружение присутствия водорода в сооружении, оно имеет определенное количество недостатков. Это вызвано тем, что такое устройство зависит от старения оптического волокна, и если такое состояние волокна точно не известно, это может вызвать ошибочное обнаружение присутствия водорода. Это происходит потому, что старение оптического волокна вызывает потери при передаче, обычно неоднородные, в спектральном диапазоне около инфракрасной области, и поэтому создает увеличение неопределенностей при обнаружении присутствия водорода, в соответствии с изобретением, описанным в документе WO 2009/067671.

Документ WO 2008/136870 описывает другой тип устройства для обнаружения и/или количественного анализа водорода, для которого измерительное оптическое волокно содержит, по меньшей мере, одну вписанную дифракционную решетку Брэгга, другими словами - участок волокна, на котором периодически модулируется коэффициент преломления, а также целевое покрытие части оптического волокна, которая вмещает дифракционную решетку Брэгга. Целевое покрытие является применимым для поглощения водорода. Такое устройство содержит аналогично устройству, описанному в документе WO 2009/067671, измерительное оптическое волокно, которое предназначается для оборудования сооружения и оптической системы, соединенной оптически с оптическим волокном.

Оптическая система для такого устройства конфигурируется таким образом, чтобы испускать электромагнитное излучение на различных длинах волн в оптическое волокно и измерять длину волны, на которой каждая вписанная дифракционная решетка Брэгга отражает вышеуказанное электромагнитное излучение. Это происходит потому, что характеристики вписанной дифракционной решетки Брэгга зависят от количества водорода, поглощаемого целевым покрытием. Поэтому возможно, за счет измерения длины волны, на которой отражает одна из вписанных дифракционных решеток Брэгга, определять количество водорода, поглощенного соответствующим покрытием.

Таким образом, когда такая система устанавливается на месте в сооружении, которое должно контролироваться, оптическое волокно, содержащее вписанную дифракционную решетку или решетки Брэгга, развертывается над всей областью, которая должна контролироваться, при этом утечка водорода рядом с одной из вписанных дифракционных решеток Брэгга вызывает смещение длины волны электромагнитного излучения, отражаемого этой дифракционной решеткой Брэгга, и обнаруживает утечку в той точке, где это происходит.

Поэтому такое устройство позволяет обнаруживать водород в сооружении на каждом из вписанных дифракционных решеток Брэгга, и если имеет место мультиплексирование дифракционных решеток Брэгга, дает возможность идентификации географического источника утечки водорода.

Хотя такое устройство, как описанное в WO 2008/136870, дает возможность обнаруживать присутствие водорода в сооружении, с возможностью идентификации географического источника утечки водорода, устройство имеет определенное количество недостатков. Это происходит потому, что оптическое волокно имеет определенное количество местоположений, в которых обнаружение и/или количественный анализ получается ограниченным, поскольку он зависит от записи решетки Брэгга и используемой технологии мультиплексирования. Следует также отметить, что старение целевых покрытий, как описывается в документе WO 2009/067671, не является известным, и представляет неопределенность в случае поддержки чувствительности продукта в периоды времени, превышающие несколько лет.

Кроме того, такое устройство также представляет риски исчезновения дифракционных решеток Брэгга, вследствие условий воздействия водорода на оптическое волокно.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков.

Поэтому одной из задач изобретения является обеспечение устройства для обнаружения и/или количественного анализа водорода, использующего оптическое волокно для обнаружении присутствия водорода, которое способно при оборудовании области сооружения, которая должна контролироваться, обнаруживать присутствие водорода и идентифицировать местоположение этого источника водорода, непрерывно по всей длине оптического волокна, при этом такое устройство должно представлять обнаружение и/или количественный анализ водорода, которые мало зависят от состояния старения оптического волокна по сравнению с устройством существующего уровня техники.

Для этой цели изобретение относится к устройству для обнаружения и/или количественного анализа водорода, предназначенного для контролирования сооружения, при этом вышеуказанное устройство содержит:

- первое измерительное оптическое волокно, предназначенное для оборудования сооружения,

- оптическую систему, которая оптически соединяется с первым измерительным оптическим волокном и подходит для измерения, по меньшей мере, одного параметра первого оптического волокна,

оптическая система подходит для измерения параметра первого оптического волокна вдоль первого измерительного оптического волокна, в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

Таким образом, такое устройство за счет использования принципа измерения бриллюэновского рассеяния для измерения параметра первого измерительного оптического волокна, дает возможность обнаруживать изменение эффективного коэффициента распространения оптического режима n_eff вдоль первого измерительного оптического волокна. Это изменение оказывает непосредственное влияние на пики бриллюэновского рассеяния и следовательно, на параметры, полученные во время измерения, в соответствии с принципом измерения такого типа, как измерение бриллюэновского рассеяния. Диффузия водорода в оптическое волокно, оказывающая воздействие на эффективный коэффициент распространения оптического режима n_eff, такой как диффузия, за счет того, что вызывается изменение в коэффициенте преломления, и поэтому в параметрах, измеренных в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, таким образом она является обнаруживаемой и поддающейся количественному определению с помощью такого устройства.

Такое измерение, являясь зависимым от эффективного коэффициента распространения оптического режима n_eff, в отличие от такой зависимости при изменении в передаче оптического волокна на заданной длине волны, относится только к изменению пика бриллюэновского рассеяния, и не проявляет какой-либо заметной зависимости в отношении состояния старения оптических волокон. Поэтому такое устройство позволяет обнаружение и/или количественный анализ водорода, который не зависит от состояния старения оптического волокна, и следовательно оно остается надежным по прошествии длительного времени.

Это измерение способно, в соответствии с принципом, идентичным измерению температуры по способу бриллюэновского рассеяния вдоль оптического волокна, выполненного по всей длине первого измерительного оптического волокна с пространственным разрешением менее одного метра на расстояние, превышающее около десяти километров, дает возможность точно локализовать точку, в которой происходит изменение параметра, и следовательно, точно определить часть первого измерительного оптического волокна, в котором произошла диффузия водорода.

Поэтому такое устройство дает возможность при оборудовании контролируемой области сооружения обнаруживать и количественно определять источник водорода с идентификацией точного местоположения этого источника в контролируемой области, без предугадывания мест этих событий, в течение длительных периодов времени, поскольку старение измерительного оптического волокна только в очень незначительной степени оказывает влияние на измерение.

Измерение, в соответствии с принципом измерения по способу бриллюэновского рассеяния означает в отношении сказанного ранее и в остальной части этого документа, измерение, по меньшей мере, одного параметра, относящегося (i) к спектру обратного бриллюэновского рассеяния (является ли это случаем стоксовой частоты или антистоксовой частоты, главными или вторичными пиками, относящимися к различным режимам колебаний кристаллической решетки, имеющим отличное от нуля перекрытие с оптическим режимом) или (ii) усиления бриллюэновского рассеяния. Этот параметр может быть, например, смещением по частоте одного из двух пиков обратного бриллюэновского рассеяния по отношению к электромагнитному импульсу, приводя к усилению явления обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна или области между пиками, интенсивности одного из этих двух пиков бриллюэновского рассеяния или их формы (например, ширина пика на полувысоте).

Пик бриллюэновского рассеяния означает в отношении сказанного ранее и в остальной части этого документа, как пик спонтанного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, так и пик вынужденного бриллюэновского рассеяния, при этом тип пика зависит непосредственно от типа измерения бриллюэновского рассеяния, выполненного с помощью устройства, когда оно используется. Таким образом, например для устройства, выполняющего измерение бриллюэновского рассеяния в соответствии с принципом рефлектометрии.

Параметр первого оптического волокна может быть измерен в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, выбранным из группы способов, включающих измерение оптического коэффициента отражения с помощью бриллюэновского рассеяния, связанное со способом пространственного разрешения путем кодирования во временной области, измерение оптического коэффициента отражения с помощью бриллюэновского рассеяния, связанное со способом расположения путем кодирования в частотной области, измерение оптического коэффициента отражения с помощью бриллюэновского рассеяния в корреляционной области, оптическое измерение усиления бриллюэновского рассеяния, связанное с анализом во временной области, оптическое измерение усиления бриллюэновского рассеяния в частотной области, и оптическое измерение усиления бриллюэновского рассеяния путем анализа в корреляционной области.

Таким образом, устройство может быть адаптировано в соответствии с требованиями, относящимися к сооружению, которое должно контролироваться, на основе пространственного разрешения, расстояния, вдоль которого выполняется контроль, порога обнаружения водорода и разрешения для количественного содержания водорода.

Измерения, касающиеся бриллюэновской рефлектометрии во временной области, бриллюэновской рефлектометрии в частотной области, бриллюэновской рефлектометрии в корреляционной области, оптика бриллюэновского рассеяния за счет анализа во временной области, оптика бриллюэновского рассеяния в частотной области, и оптических характеристик бриллюэновского рассеяния путем анализа в корреляционной области, лучше известны под их английскими названиями и соответствующими аббревиатурами: Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR), Brillouin Optical Frequency Domain Reflectometry (BOFDR), Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA), Brillouin Optical Frequency Domain Analysis (BOFDA) и Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA). Эти измерения являются измерениями, которые в основном осуществляются в оптико-волоконных устройствах измерения температуры и/или в устройствах для контроля деформации.

Устройство может быть адаптировано таким образом, чтобы выполнять образцовое измерение, по меньшей мере, одного параметра измерительного оптического волокна, по меньшей мере в одном месте на первом измерительном оптическом волокне, при этом на вышеуказанное образцовое измерение не оказывает влияние присутствие водорода.

В этой конфигурации измерение параметра первого измерительного оптического волокна дает возможность для параметра, влияющего на измерение бриллюэновского рассеяния, корректировать измерение, произведенное в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, и таким образом улучшать обнаружение и/или количественный анализ водорода за счет ограничения или даже устранения влияния параметра, измеренного во время образцового измерения.

Параметры, влияющие на измерение бриллюэновского рассеяния, могут быть в частности, температурой, деформацией первого измерительного оптического волокна, а также радиоактивностью, давлением, относительной влажностью и содержанием воды в атмосфере.

Оптическая система может быть адаптирована таким образом, чтобы выполнять образцовое измерение вдоль первого оптического волокна на двух или более различных длинах волн. Для осуществления этого устройство может содержать несколько лазеров накачки или возбуждать по каскадам генерированные линии бриллюэновского рассеяния.

Измерение параметра на двух различных накачиваемых длинах волн, для которых присутствие водорода представляет два различных вида влияния, дает возможность, когда это влияние известно, устранять это влияние и обеспечивать образцовое измерение вышеуказанного параметра, который является нечувствительным к водороду.

Оптическая система может быть адаптирована с помощью добавления других типов оптического волокна, размещенного близко к волокну, измеряющему водород, для измерения изменения, по меньшей мере, одного другого влияющего параметра измерительного оптического волокна, чтобы таким образом обеспечить образцовое измерение температуры и/или деформации и/или других параметров, приведенных выше, вдоль измерительного оптического волокна.

Устройство может быть адаптировано таким образом, чтобы выполнять образцовое измерение, по меньшей мере, одного параметра вдоль первого оптического волокна, в соответствии с другими измерениями обратного рассеяния, является ли оно принципом диффузии Рамана или Релея.

Первое измерительное оптическое волокно может содержать, по меньшей мере, один участок, выполненный нечувствительным к водороду, для того чтобы измерение параметра первого измерительного оптического волокна с помощью оптической системы на вышеуказанном участке обеспечивает образцовое измерение.

Как было сказано ранее и в остальной части этого документа, участок оптического волокна или оптическое волокно, выполненное как нечувствительное к водороду, означает, что участок оптического волокна или оптическое волокно имеет такую конфигурацию, которая определяет присутствие водорода в окружающей атмосфере вышеуказанного участка оптического волокна или вышеуказанного оптического волокна, но не влияет на измерение, выполненное на вышеуказанном участке оптического волокна или вышеуказанном оптическом волокне.

Такой участок дает возможность обеспечивать образцовое измерение без влияния водорода, чтобы корректировать измерение параметра первого измерительного оптического волокна в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

Также может обеспечиваться образцовое оптическое волокно, которое предназначается для оборудования сооружения, соединенное с оптической системой, при этом образцовое оптическое волокно предназначается для обеспечения образцового измерения.

Также может обеспечиваться образцовое оптическое волокно, которое предназначается для оборудования сооружения, соединенное с оптической системой, при этом образцовое оптическое волокно предназначается для обеспечения образцового измерения температуры и/или деформации вдоль первого измерительного оптического волокна.

Такое образцовое оптическое волокно за счет обеспечения измерения параметра, который может препятствовать обнаружению водорода и/или количественному анализу измерения водорода, в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, дает возможность корректировать вышеуказанное обнаружение и/или количественный анализ измерения водорода вдоль первого измерительного оптического волокна. Такая коррекция дает возможность ограничивать или устранять влияние параметра, измеренного во время образцового измерения, выполненного на образцовом оптическом волокне.

Образцовое оптическое волокно может быть сконфигурировано таким образом, чтобы иметь уменьшенную чувствительность к водороду, предпочтительно для того чтобы сделать его нечувствительным к водороду.

Такая уменьшенная чувствительность, или нечувствительность, к водороду образцового оптического волокна дает возможность уменьшать или даже аннулировать влияние водорода на образцовое измерение, полученное с помощью образцового оптического волокна.

Образцовое оптическое волокно может содержать сердцевину и оболочку из материала, которая конфигурируется таким образом, что образцовое оптическое волокно имеет уменьшенную чувствительность к водороду, предпочтительно нулевую.

В соответствии с такой возможностью, сердцевина и/или оболочка может быть стеклом на основе кремния, или халькогенидным стеклом, или полостями, заполненными воздухом или жидкостями («волокна с отверстиями»).

Образцовое оптическое волокно может содержать сердцевину и оболочку, в которых распределение легирующих элементов конфигурируется таким образом, что образцовое оптическое волокно имеет уменьшенную чувствительность к водороду, предпочтительно нулевую.

Образцовое оптическое волокно может содержать покрытие, адаптированное для ограничения диффузии водорода в образцовое оптическое волокно.

Также может обеспечиваться второе образцовое оптическое волокно, которое предназначается для оборудования сооружения, соединенное с оптической системой, при этом вышеуказанное второе измерительное оптическое волокно конфигурируется таким образом, что оно имеет взаимодействие с водородом, отличающееся от такого взаимодействия первого измерительного оптического волокна.

Таким образом, с помощью такого второго измерительного оптического волокна устройство дает доступ к двум измерениям, для которых взаимодействие с водородом является различным, и дает возможность, в соответствии с вышеуказанной разницей во взаимодействии, обеспечивать дополнительную информацию по обнаруженному источнику водорода. Таким образом, временная информация или оптимизированная чувствительность имеют более широкий диапазон, по сравнению с устройством, имеющим единственное измерительное оптическое волокно.

Второе измерительное оптическое волокно может содержать средства для ограничения диффузии водорода в вышеуказанное второе измерительное оптическое волокно.

Такие средства для ограничения диффузии водорода уменьшают скорость, с которой водород будет входить в оптическое волокно, таким образом обеспечивая временную информацию по источнику водорода, создавая увеличение обнаруженного водорода.

Средства для ограничения диффузии водорода второго измерительного оптического волокна могут содержать покрытие вышеуказанного второго измерительного оптического волокна, причем вышеуказанное покрытие имеет частичную проницаемость для водорода.

Частичная проницаемость для водорода означает, что покрытие адаптируется таким образом, чтобы ограничивать проникновение водорода в оптическое волокно, которое оснащается вышеуказанным покрытием, при этом не создается полного устранения диффузии в вышеуказанное оптическое волокно.

Такое покрытие обеспечивает средства для ограничения диффузии водорода во второе измерительное оптическое волокно с влиянием на оптические свойства второго измерительного оптического волокна, которая является низкой или даже нулевой.

Средством для ограничения диффузии водорода во второе измерительное оптическое волокно может быть выбор оптических волокон, внутренняя структура которых изменяется, или за счет выбора присадок, или за счет выбора стеклянной матрицы, или за счет предварительной обработки, например такой как предварительное насыщение водородом, при этом оно конфигурируется таким образом, чтобы увеличивать чувствительность к водороду вышеуказанного второго измерительного оптического волокна, или структура изменяется за счет обработки ионизирующей радиацией, например, гамма и/или ультрафиолетовой радиацией.

Эти предварительные обработки дают возможность изменять порог обнаружения водорода, и таким образом изменять чувствительность обнаружения и/или количественного анализа водорода, полученных после измерений, выполненных таким вторым измерительным оптическим волокном.

Эти специальные предварительные обработки и выборы оптических волокон (исходя из природы волокна, а также первичного и вторичного покрытий) изменяют порог насыщения при поглощении водорода.

Второе измерительное оптическое волокно может иметь предварительное насыщение водородом, которое конфигурируется таким образом, чтобы изменять взаимодействие вышеуказанного оптического волокна с водородом.

Измерительное оптическое волокно или волокна и образцовое оптическое волокно могут быть размещены в форме пучка или ленты.

Такое размещение оптических волокон по отношению друг к другу создает возможность предложить идентичное окружение для всех оптических волокон с точки зрения термического состояния и с точки зрения напряжений, давления и уровня радиации, которым они подвергаются. Таким образом, для устройства, содержащего образцовое оптическое волокно, образцовое измерение выполняется в условиях, идентичных тем, который используются для обнаружения и/или количественного анализа водорода. Аналогичным образом, для устройства, содержащего второе измерительное оптическое волокно, измерения, выполненные с помощью первого и второго измерительных оптических волокон, сопоставимы между собой.

Изобретение также относится к способу для обнаружения и/или количественного анализа водорода, для контролирования сооружений, при этом вышеуказанный способ содержит следующие шаги:

- установку первого измерительного оптического волокна в сооружении,

- выполнение измерения параметра вдоль измерительного оптического волокна, в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

Изобретение также относится к способу для обнаружения и/или количественного анализа водорода, использующему устройство в соответствии с изобретением и содержащему следующие шаги:

- использование оптической системы для измерения параметра первого измерительного оптического волокна вдоль первого измерительного оптического волокна, в соответствии с принципом измерения при бриллюэновском рассеянии,

- соответственно, обнаружение и/или количественный анализ водорода в измерительном оптическом волокне, исходя из параметра, измеренного вдоль измерительного оптического волокна, в соответствии с принципом измерения при бриллюэновском рассеянии.

Такой способ дает возможность воздействовать на обнаружение и/или количественный анализ водорода в сооружении, при любой протяженности области сооружения, которая должна контролироваться. Он также дает возможность, когда происходит обнаружение присутствия водорода, идентифицировать точку вдоль измерительного оптического волокна, в которой произошло обнаружение присутствия водорода.

Может быть использовано устройство, адаптированное для выполнения образцового измерения, при этом соответствующий этап по обнаружению и/или количественному анализу водорода содержит следующие подэтапы:

- использование оптической системы для выполнения образцового измерения вдоль первого измерительного оптического волокна,

- корректировка измерения параметра первого измерительного оптического волокна, выполненного вдоль первого измерительного оптического волокна, в соответствии с принципом измерения при бриллюэновском рассеянии, на основе образцового измерения,

- соответственно, обнаружение и/или измерение присутствия водорода в первом измерительном оптическом волокне, исходя из измерения параметра первого измерительного оптического волокна вдоль первого измерительного оптического волокна, в соответствии с принципом измерения при бриллюэновском рассеянии, который был скорректирован с использованием образцового измерения.

Способ, содержащий такой этап корректировки изменения показателя, ограничивает риск ошибочного обнаружения присутствия водорода, который мог бы иметь отношение, например, к изменению температуры.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятным после прочтения описания примеров вариантов осуществления изобретения, приведенных только с показательной целью, но не для ограничения, со ссылками на сопроводительные чертежи, в которых:

фиг. 1 схематически иллюстрирует устройство в соответствии с изобретением, в котором обеспечивается единственное измерительное оптическое волокно, при этом вышеуказанная система содержит оптическую систему, адаптированную производить измерение коэффициента отражения света в соответствии с принципом бриллюэновского рассеяния;

фиг. 2 иллюстрирует два спектра того же самого пика обратного бриллюэновского рассеяния, полученного, соответственно, с использованием устройства, которое проиллюстрировано на фиг. 1, когда первое измерительное оптическое волокно, соответственно, находится в присутствии большого количества водорода и после удаления водорода из вышеуказанного первого измерительного оптического волокна;

фиг. 3 иллюстрирует два спектра бриллюэновского рассеяния, оба этих спектра имеют два одинаковых пика бриллюэновского рассеяния, причем эти два спектра были получены, соответственно, с использованием устройства, которое проиллюстрировано на фиг. 1, перед и во время воздействия на первое измерительное оптическое волокно устройства атмосферы, содержащей 32% водорода;

фиг. 4 иллюстрирует вид крупного плана, центрированный на основном пике бриллюэновского рассеяния спектра, представленного на фиг. 3;

фиг. 5 иллюстрирует вид крупного плана, центрированный на вторичном пике бриллюэновского рассеяния спектра, представленного на фиг. 3;

фиг. 6 иллюстрирует изменения по частоте основного пика в зависимости от пропорции атмосферного водорода во время измерения бриллюэновского рассеяния устройством, которое проиллюстрировано на фиг. 1, для двух типов первого измерительного оптического волокна и для оптического волокна, выполненного нечувствительным к водороду;

фиг. 7 иллюстрирует устройство в соответствии с изобретением, в котором обеспечивается единственное измерительное оптическое волокно, при этом вышеуказанная система содержит оптическую систему, адаптированную производить измерение с оптическим анализом в соответствии с принципом бриллюэновского рассеяния;

фиг. 8 иллюстрирует устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, в котором устройство содержит измерительное оптическое волокно и образцовое оптическое волокно, при этом оптическая система адаптирована производить измерение коэффициента отражения света в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния;

фиг. 9 иллюстрирует устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, в котором устройство содержит измерительное оптическое волокно и образцовое оптическое волокно, соединенные между собой, при этом оптическая система адаптирована производить аналитическое измерение в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, вдоль петли, образованной измерительным оптическим волокном и образцовым оптическим волокном;

фиг. 10 иллюстрирует устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, в котором устройство содержит измерительное оптическое волокно и образцовое оптическое волокно, каждое из которых независимо присоединяются к оптической системе, при этом оптическая система адаптирована производить аналитическое измерение в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, вдоль измерительного оптического волокна и образцового оптического волокна;

фиг. 11 иллюстрирует устройство в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, в котором устройство содержит первое и второе измерительные оптические волокна и образцовое оптическое волокно, при этом оптическая система адаптирована производить измерение коэффициента отражения света в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния вдоль первого и второго измерительных оптических волокон и образцового оптического волокна.

Идентичные, подобные или эквивалентные детали различных фигур обозначаются одинаковыми цифровыми позициями, чтобы таким образом облегчать переход от одной фигуры к другой.

Различные детали, показанные на фигурах необязательно показаны с единообразным масштабом, для того чтобы сделать фигуры более разборчивыми.

Различные возможности (варианты и модификации) должны рассматриваться как неограничивающие друг друга и могут комбинироваться между собой.

Подробное раскрытие отдельных вариантов осуществления изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует устройство 100 для обнаружения и/или количественного анализа водорода, которым оборудуется область, контролируемая в сооружении 1, таком как помещение для хранения, место бурения геотермальных скважин, место товарных складов или промышленная цистерна для химических и/или радиоактивных продуктов. Устройство 100, проиллюстрированное на фиг. 1, является устройством, выполненным в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Фиг. 1 иллюстрирует первую возможность этого первого варианта осуществления изобретения, в котором конфигурация устройства адаптируется таким образом, чтобы выполнить измерение бриллюэновского рассеяния в соответствии с принципом измерения коэффициента отражения света.

Такое устройство 100 содержит:

- первое измерительное оптическое волокно 10, которым оборудовано сооружение 1,

- оптическую систему 20, которая присоединяется к первому измерительному оптическому волокну 10 и адаптируется таким образом, чтобы выполнять измерение бриллюэновского рассеяния.

Следует заметить, что в устройстве, выполненном в соответствии с конфигурацией, проиллюстрированной на фиг. 1, оптическая система адаптируется для измерения в конфигурации для измерения коэффициента отражения света, при этом оптическое волокно присоединяется к системе только одним из своих концов.

Первое измерительное оптическое волокно 10 является оптическим волокном, адаптированным для рабочей длины волны оптической системы 20. Оптическое волокно может быть, например, аналогичным тем волокнам, которые обычно используются для выполнения измерений температуры с помощью бриллюэновского рассеяния.

Для сооружений, имеющих уменьшенную доступность, первое оптическое волокно, предпочтительно, адаптируется таким образом, чтобы позволять надежное и стабильное измерение, которое по продолжительности может превышать несколько десятков лет, при этом не требуя какой-либо технической поддержки.

Первое измерительное оптическое волокно 10 традиционно содержит сердцевину, оптическую оболочку, и защитное покрытие. Сердцевина и оптическая оболочка могут быть выполнены из диоксида кремния, при этом сердцевина имеет более высокий коэффициент отражения по сравнению с оболочкой, чтобы таким образом удерживать свет в границах сердцевины. Также применимы одномодовые оптические волокна с градиентом коэффициента отражения. Изменение коэффициента отражения может быть получено за счет внедрения легирующих элементов, традиционно используемых для применения в подобных случаях, например, из германия, фосфора, фтора, алюминия и т.д. Покрытие может быть адаптировано для операционных условий таким образом, чтобы ограничивать повреждение первого измерительного оптического волокна 10, которое может быть связано с условиями среды, в которой устанавливается первое измерительное оптическое волокно 10. Таким покрытием для сооружения, не имеющего условий, оказывающих вредное воздействие на первое измерительное оптическое волокно 10, является например, простое пластиковое покрытие, такое как акрилаты или полиамиды.

Покрытие первого оптического волокна также может быть покрытием, специально адаптированным для увеличения чувствительности к водороду, например, палладиевым покрытием. Оптическое волокно также может состоять из специальных видов стекла, например, стекла на основе халькогенидов. «Волокна с отверстиями» (производимые с помощью оставляемых пустот, по выбору в дальнейшем заполняемых) также могут применяться.

Первое измерительное оптическое волокно 10 подходит для направления электромагнитного излучения на длинах волн, которые излучает оптическая система 20.

Первое измерительное оптическое волокно 10 может быть адаптировано таким образом, что спектр обратного бриллюэновского рассеяния, или усиление бриллюэновского рассеяния могут легко измеряться за счет изменения пропорции легирующего элемента вдоль радия. С такой адаптацией первое измерительное оптическое волокно 10, в частности, может иметь различные акустические режимы, дающие подъем линий бриллюэновского рассеяния, которые спектрально разделяются или изменяются по существу идентичным образом с диффузией водорода в оптическом волокне.

Чтобы ограничить влияние сил, прикладываемых к первому измерительному оптическому волокну 10, это первое измерительное оптическое волокно 10 может быть оборудовано плавающей промежуточной обшивкой (также известной как английский термин "loose tube" - «ослабленная трубка»), чтобы таким образом уменьшить силы, воздействующие на первое измерительное оптическое волокно 10. Таким образом, влияние, которое могут оказывать такие силы на обнаружение водорода, ограничивается.

Первое измерительное оптическое волокно 10 разворачивается в сооружении над областью, которая должна контролироваться. Это развертывание выполняется таким образом, чтобы покрывать максимальную площадь поверхности в области, которая должна контролироваться, и таким образом гарантировать обнаружение любой утечки или выделения водорода в вышеуказанной области.

Первое измерительное оптическое волокно 10 содержит первый и второй концы, при этом первый конец присоединяется к оптической системе 20 для измерения бриллюэновского рассеяния такого типа, как измерение коэффициента отражения света в такой конфигурации, которая представлена на фиг. 1.d.

Оптическая система 20 является оптической системой, которая применима для выполнения измерения бриллюэновского рассеяния способом пространственного разрешения вдоль первого измерительного оптического волокна.

Оптическая система адаптируется в соответствии с типом измерения бриллюэновского рассеяния. Таким образом, в конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 1, оптическая система адаптируется таким образом, чтобы выполнять измерение коэффициента отражения света способом бриллюэновского рассеяния, такими способами бриллюэновская рефлектометрия во временной области (английская аббревиатура BOTDR), бриллюэновская рефлектометрия в частотной области (английская аббревиатура BOFDR), и бриллюэновская рефлектометрия в области корреляции (английская аббревиатура BOCDR).

Для выполнения этой цели оптическая система 20 содержит:

- средства 21 излучения света, такие как лазер, применимые для излучения, по меньшей мере, одного вида электромагнитного излучения,

- средства 22 оптического измерения, применимые для обнаружения и измерения электромагнитного излучения, такие как система спектрального анализа, система анализа коэффициента усиления или система анализа потерь, и

- средства 23 для анализа и контроля, применимые для управления средствами излучения и измерительными средствами, для анализа измерений, произведенных измерительными средствами 22.

Средства 21 излучения света обычно содержат лазер с длиной волны, которая может фиксироваться или является перестраиваемой, в соответствии с возможностями изобретения. Средства, в соответствии с измерением бриллюэновского рассеяния, могут содержать один или более лазеров, которые излучают непрерывно или в импульсном режиме. Среди этих лазеров один лазер, как говорилось ранее, должен быть главным, он также определяется как лазер накачки, который излучает основное излучение на главной длине волны.

Для искомых приложений основная излучаемая длина волны средств излучения является длиной волны, традиционно используемой для измерения температуры, в соответствии с измерением температуры по принципу бриллюэновского рассеяния. С целью достижения максимальной чувствительности к присутствию водорода, основная излучаемая длина волны может быть выбрана в диапазоне длин волн, для которой диффузия водорода представляет максимальную чувствительность, например таких, которые упоминаются в международной заявке WO 2009/067671. В соответствии с этим принципом излучаемая длина волны может составлять, приблизительно, 1.2 мкм.

Измерительные средства 22 применимы для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения на длине волны, очень близкой к той, которую излучают средства излучения, как правило близкой к частоте около 10 ГГц и обычно между 9 и 13 ГГц. Такие измерительные средства 22 применимы для такого измерения, как измерение бриллюэновского рассеяния. Таким образом, например, для оптической системы, применимой для выполнения измерения BOTDR, измерительными средствами является система спектрального анализа. Поскольку этот тип измерительных средств 22 вместе с тем известен для оптико-волоконных температурных датчиков бриллюэновского рассеяния, они в дальнейшем подробно не описываются в этом документе.

Средства 23 для анализа и контроля применимы для управления средствами 21 излучения света и измерительными средствами 22, для того чтобы производить измерение параметра первого измерительного оптического волокна 10, в соответствии с принципом бриллюэновского рассеяния. Средства 23 для анализа и контроля с такой адаптацией способны управлять средствами 21 излучения света таким образом, чтобы испускать соответствующее электромагнитное излучение, а также управлять измерительными средствами 22 таким образом, чтобы обнаруживать и измерять электромагнитное излучение, появляющееся в результате явления бриллюэновского рассеяния, является ли оно обратным бриллюэновским рассеянием, усилением или ослаблением, которые имеют место вдоль первого измерительного оптического волокна 10, когда проходит электромагнитное излучение.

Поскольку такая адаптация средств 23 для анализа и контроля идентична тем, которые используются во время измерения температуры, с помощью датчика оптического волокна при измерении такого типа, как бриллюэновское рассеяние, она уже подробно не объясняется в этом документе.

Средства 23 для анализа и контроля также применимы для анализа измерений, произведенных средствами 22 обнаружения, для того чтобы идентифицировать потенциальную диффузию водорода в точке на первом измерительном оптическом волокне, чтобы обнаруживать изменение в эффективном коэффициенте распространения оптического режима n_eff в точке на этом первом измерительном оптическом волокне 10.

В соответствии с возможностью изобретения в том случае, когда сооружение имеет температуру, которая может изменяться локально или глобально, такое изменение способно вызвать изменение в измерении бриллюэновского рассеяния вдоль первого измерительного оптического волокна 10, при этом устройство может быть адаптировано для измерения параметра, по меньшей мере, одного местоположения на первом измерительном оптическом волокне 10, таким образом обеспечивая образцовое измерение, причем это образцовое измерение, предпочтительно, является измерением температуры и/или деформации первого измерительного оптического волокна 10.

В соответствии с этой возможностью, такое измерение, для того чтобы использоваться в качестве образцового измерения, не должно подвергаться влиянию присутствия водорода. Такое условие может быть получено, например, с использованием измерения температуры вдоль первого измерительного оптического волокна, при этом применяется измерение, использующее две различные длины волны излучения средств 22 излучения света, путем измерения, которое может не являться измерением бриллюэновского рассеяния, например оно может быть таким, как одно из описанных в документе WO 2011/115686.

В соответствии с этой же самой возможностью, первое измерительное оптическое волокно 10 может иметь участки, равномерно распределенные по всей длине, которые выполнены нечувствительными к водороду и служат для обеспечения образцового измерения для корректировки измерения вдоль участков первого измерительного оптического волокна 10, которые не выполнены нечувствительными к водороду. Участки, которые выполнены нечувствительными к водороду, могут быть выполнены или за счет изменения по сути конфигурации оптического волокна, в соответствии с принципом, описанном в документе EP 1195628, или за счет наличия подходящего покрытия на поверхности вышеуказанных участков, например такого, который описан в документе EP 1426804.

Фиг. 2 иллюстрирует пример измерений, выполненных во время использования устройства 100, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Ось Υ представляет амплитуду A интенсивности электромагнитного излучения обратного рассеяния в произвольных узлах, а ось X представляет частоту f смещения в МГц излучения обратного рассеяния по отношению к излучению, испускаемому средствами 21 излучения света. Во время этого использования устройства 100, первое измерительное оптическое волокно 10 было проложено в присутствии высокого давления (150 бар = 150 × 10⁵ Па) водорода в течение периода времени в 7 дней, чтобы таким образом насытить оптическое волокно водородом. Затем первое измерительное оптическое волокно 10 вернули на воздух на тот же период времени, для того чтобы водород выходил из первого измерительного оптического волокна 10. Первый спектр 202 и второй спектр 201, проиллюстрированные на этой фигуре, производились, соответственно, в конце семидневного периода выдержки в среде с водородом и в конце периода извлечения волокна на воздух.

Таким образом, первый спектр 202 показывает частотный сдвиг пика обратного бриллюэновского рассеяния, соответствующего насыщению водородом первого измерительного оптического волокна 10, в то время как второй спектр 201 соответствует пику обратного бриллюэновского рассеяния, наблюдаемого в отсутствии водорода в вышеуказанном первом измерительном оптическом волокне 10.

Таким образом, на этой фигуре можно увидеть что когда первое измерительное оптическое волокно 10 входит в контакт с водородом, диффузия водорода вызывает увеличение частоты бриллюэновского рассеяния и уменьшение интенсивности того же самого пика. Это двойное влияние непосредственно относится к изменению эффективного коэффициента распространения оптического режима Пет который имеет место в частотном сдвиге бриллюэновского рассеяния в соответствии со следующей формулой: , где v_B является частотным сдвигом бриллюэновского рассеяния, Va - скорость акустических волн, то есть фононов, усиливающих явление обратного бриллюэновского рассеяния, а λ - длина волны испускаемого электромагнитного излучения.

Измерение, представленное на фиг. 2, иллюстрирует различные возможности адаптирования средств 23 для анализа и контроля для того чтобы обнаруживать и/или оценивать изменение эффективного коэффициента n_eff распространения оптической волны. Поэтому обнаружение и/или оценка изменения коэффициента преломления могут быть получены:

- путем прямого измерения изменения в частоте бриллюэновского рассеяния основного пика или вторичных пиков,

- путем измерения интенсивности пика бриллюэновского рассеяния для основного пика или одного из вторичных пиков,

- путем измерения интенсивности на заданной частоте, по существу соответствующей частоте основного пика бриллюэновского рассеяния или одного из вторичных пиков в отсутствии водорода, в соответствии с более поздней возможностью, падение интенсивности будет иметь отношение как к частотному сдвигу, так и к уменьшению интенсивности пика бриллюэновского рассеяния.

Фиг. 3 и последующие виды крупного плана, которые представлены на фиг. 4 и 5, иллюстрируют возможность функционирования как на основном пике бриллюэновского рассеяния, так и на вторичном пике бриллюэновского рассеяния. Фиг. 4 и 5 являются видами крупного плана, представленного на фиг. 3, центрированными на частоте, соответственно, основного или вторичных пиков бриллюэновского рассеяния.

На фиг. 3-5 ось Υ представляет амплитуду A интенсивности электромагнитного излучения обратного рассеяния в произвольных узлах, а ось X представляет частоту f в ГГц на фиг. 3 и в МГц для фиг. 4 и 5 излучения обратного рассеяния по отношению к излучению, испускаемому средствами 21 излучения света.

Измерения, приведенные на фиг. 3-5, являются двумя измерениями 211 и 212 бриллюэновского рассеяния, полученными когда первое измерительное оптическое волокно 10 приводится в контакт с атмосферой, содержащей, соответственно, 32% и 0% водорода. Таким образом можно увидеть, что во время этого приведения первого измерительного оптического волокна 10 в контакт с водородом диффузия водорода вызывает смещение и изменение интенсивности как на основном, так и на вторичном пиках бриллюэновского рассеяния. Таким образом, измерительная система 22 может быть адаптирована для выполнения измерения бриллюэновского рассеяния или на основном пике, или одном из вторичных пиков, или обоих пиках, т.е. как на основном, так и на одном или более вторичных пиков бриллюэновского рассеяния.

Таким образом, после того как сооружение оборудовано устройством, обнаружение и/или количественный анализ водорода выполняются в соответствии со способом, содержащим следующие шаги:

- использование оптической системы для измерения изменения в параметре первого измерительного оптического волокна 10 вдоль этого первого измерительного оптического волокна 10, в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния,

- обнаружение и/или количественный анализ водорода в первом измерительном оптическом волокне 10, с использованием измерения в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния вдоль первого измерительного оптического волокна 10.

Для оптической системы, адаптированной для выполнения образцового измерения, шаг, состоящий в измерении и/или обнаружении присутствия водорода в первом измерительном оптическом волокне 10, содержит следующие подпункты:

- использование оптической системы для выполнения образцового измерения вдоль первого измерительного оптического волокна 10,

- корректировка измерения изменения в параметре измерительного оптического волокна 10 вдоль первого измерительного оптического волокна 10 на основе образцового измерения,

- обнаружение и/или количественный анализ водорода в первом измерительном оптическом волокне 10, с использованием измерения параметра в соответствии с принципом скорректированного измерения бриллюэновского рассеяния вдоль первого измерительного оптического волокна 10.

Во время шага использования оптической системы для выполнения образцового измерения вышеуказанное измерение может быть произведено одновременно с измерением изменения эффективного коэффициента распространения оптического режима n_eff вдоль первого измерительного оптического волокна 10, если образцовое измерение выполняется с помощью участков первого измерительного оптического волокна 10, которые выполнены нечувствительными к водороду.

Следует заметить, что для точного измерения количества водорода, абсорбируемого в определенном положении оптического волокна, также необходимо обеспечивать предварительный шаг калибровки устройства 100.

Фиг. 6 является примером, иллюстрирующим такой шаг для трех различных оптических волокон. Первое волокно содержит легирующую добавку на основе фтора, второе содержит легирующую добавку на основе германия, а третье, как можно будет увидеть в дальнейшем, было выполнено нечувствительными к водороду.

На фиг. 6 ось Υ представляет сдвиг частоты f в МГц излучения обратного рассеяния по отношению к излучению, испускаемому средствами 21 излучения света, а ось X представляет количество водорода, воздействию которого было подвергнуто оптическое волокно.

Таким образом, на фиг. 6 можно увидеть два оптических волокна, если они проявляют изменение в частотном сдвиге основного пика бриллюэновского рассеяния, аналогичного общего вида, причем эти два волокна не имеют идентичного взаимодействия с демонстрированием водорода, то для получения точного измерения количества водорода с помощью устройства в соответствии с изобретением существует необходимость для такого шага калибровки. Кроме того, измерение, представленное на фиг. 6, также показывает нелинейность изменения параметра, измеренного в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, по отношению к количеству водорода, воздействию которого подвергается оптическое волокно.

Поскольку такой шаг калибровки является доступным для специалистов в данной области техники, он не описывается с дополнительными подробностями в этом документе.

Фиг. 7 иллюстрирует устройство 100, в соответствии со второй возможностью первого варианта осуществления изобретения, в котором конфигурация устройства 100 адаптируется таким образом, чтобы производить измерение бриллюэновского рассеяния, которое выполняется за счет анализа во временной области, области частоты или корреляции.

Такая конфигурация адаптирована для устройства, производящего измерение параметра в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, которое является измерением бриллюэновского рассеяния путем анализа во временной области (BOTDA), измерением бриллюэновского рассеяния в частотной области (BOFDA), и измерением бриллюэновского рассеяния путем анализа в корреляционной области (BOCDA).

Устройство, в соответствии с этой второй возможностью первого варианта осуществления изобретения отличается от системы, выполненной в соответствии с первой возможностью, тем что первое измерительное оптическое волокно 10 присоединяется к оптической системе на обоих концах, чтобы позволять анализ электромагнитного излучения, испускаемого из оптического волокна. Оптическое волокно 20 имеет конфигурацию, аналогичную конфигурации оптической системы температурного датчика оптического волокна, производящего измерение бриллюэновского рассеяния за счет анализа в соответствующей области (т.е. временной, частотной или корреляционной областях).

Для устройства, имеющего конфигурацию в соответствии с первой возможностью, участок первого оптического волокна может быть выполнен нечувствительным к водороду. Такой участок, предпочтительно, является второй половиной первого измерительного оптического волокна. Таким образом возможно за счет установки второй части первого измерительного оптического волокна 10 вдоль его первой части, производить образцовое измерение по всей длине первой части первого измерительного оптического волокна 10.

Фиг. 8 иллюстрирует устройство, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, в котором обеспечивается образцовое оптическое волокно 30. Фиг. 8 иллюстрирует первую возможность второго варианта осуществления изобретения, в котором конфигурация устройства адаптируется таким образом, чтобы производить измерение бриллюэновского рассеяния в соответствии с принципом измерения коэффициента отражения.

Устройство, выполненное в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, отличается от устройства по первому варианту тем, что оно содержит образцовое оптическое волокно 30, присоединенное к оптической системе, а также тем, что оптическая система 20 адаптируется таким образом, чтобы производить образцовое измерение вдоль образцового оптического волокна 30.

В соответствии с первой возможностью второго варианта осуществления изобретения, образцовое оптическое волокно 30 является оптическим волокном, которое конфигурируется таким образом, чтобы иметь уменьшенную чувствительность к водороду. Такая конфигурация образцового оптического волокна 30 может быть получена или за счет изменения конфигурации самого волокна, в соответствии с принципом, описанном в документе EP 1195628, или за счет наличия подходящего покрытия на поверхности образцового оптического волокна, такого как описанное в документе EP 1426804.

Предпочтительно, образцовое оптическое волокно 30 для облегчения корректировки измерения эффективного коэффициента распространения оптического режима n_eff вдоль первого измерительного оптического волокна 10, имеет характеристики, аналогичные используемым для первого измерительного оптического волокна 10.

Первое измерительное оптическое волокно 10 и образцовое оптическое волокно 30, когда сооружение оборудуется устройством, устанавливаются бок о бок. Чтобы облегчать такое оборудование сооружения, первое измерительное оптическое волокно 10 и образцовое оптическое волокно 30 могут быть размещены в виде пучка волокон или в виде ленты.

Образцовое оптическое волокно 30 присоединяется одним концом к оптической системе.

Оптическая система 20, предпочтительно, адаптируется таким образом, чтобы производить измерение, рассматриваемое как образцовое измерение, изменения параметра в соответствии с измерением бриллюэновского рассеяния вдоль образцового оптического волокна 30 в условиях, идентичных измерению параметра в соответствии с измерением бриллюэновского рассеяния вдоль первого измерительного оптического волокна 10. Также возможно для оптической системы, без выхода за пределы объема изобретения, чтобы эта система адаптировалась таким образом, чтобы измерять параметр вдоль образцового оптического волокна 30, такой как температура, для того чтобы скорректировать изменения параметра, измеренного вдоль измерительного оптического волокна 10 в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, которое исключительно относится к этому параметру, измеренному вдоль образцового оптического волокна 30.

В соответствии с возможностью изобретения, в котором первое измерительное оптическое волокно оборудуется плавающей промежуточной оболочкой, образцовое оптическое волокно также может быть оснащено такой оснасткой.

Использование устройства, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, аналогично использованию устройства в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, которое содержит шаги использования оптической системы 20 для проведения образцового измерения и корректировки измерения параметра вдоль первого измерительного оптического волокна 10.

Фиг. 9 и 10 соответственно иллюстрируют вторую и третью возможности второго варианта осуществления изобретения, в котором конфигурация устройства 100 адаптируется таким образом, чтобы производить измерение бриллюэновского рассеяния, выполняемое с помощью анализа временной области, анализа частотных характеристик или в корреляционной области.

Такие вторая и третья возможности второго варианта осуществления изобретения отличаются от первой возможности системы, выполненной в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, тем что первое измерительное оптическое волокно 10 присоединяется к оптической системе 20 на обоих концах, чтобы позволять анализ электромагнитного излучения, испускаемого из оптического волокна. Оптическая система 20 имеет конфигурацию, аналогичную конфигурации оптической системы температурного датчика оптического волокна, производящего измерение бриллюэновского рассеяния за счет анализа в соответствующей области (т.е. временной, частотной или корреляционной областях).

Фиг. 9 иллюстрирует возможность, в соответствии с которой первое измерительное оптическое волокно 10 оптически соединяется за счет того конца, который не присоединяется к оптической системе 20, к концу образцового оптического волокна 30. Конец образцового оптического волокна 30, который не присоединяется к первому измерительному оптическому волокну 10, присоединяется к оптической системе 20. Таким образом, это создает конфигурацию, аналогичную конфигурации второй возможности первого варианта осуществления изобретения, для которой вторая часть оптического волокна была выполнена нечувствительной к водороду.

Фиг. 10 иллюстрирует третью возможность второго варианта осуществления изобретения, для которой первое измерительное оптическое волокно 10 и образцовое оптическое волокно 30 независимо друг от друга присоединяются к оптической системе 10. Оптическая система, как и для первой возможности второго варианта осуществления изобретения, адаптируется таким образом, чтобы независимо производить измерение параметра вдоль первого измерительного оптического волокна 10 и образцовое измерение с помощью образцового оптического волокна 20.

Фиг. 11 иллюстрирует устройство в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, в котором это устройство содержит второе измерительное волокно 11.

Устройство 100, как проиллюстрировано на фиг. 11, аналогично первым возможностям первого и второго вариантов осуществления изобретения, имеет конфигурацию, применимую для выполнения измерения бриллюэновского рассеяния в соответствии с принципом измерения коэффициента отражения.

Устройство, в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, отличается от устройства по второму варианту осуществления изобретения тем, что оно содержит второе измерительное оптическое волокно 11, имеющее взаимодействие с водородом, отличающееся от такого взаимодействия для первого измерительного оптического волокна 10. Оптическая система в дальнейшем адаптируется таким образом, чтобы производить измерение параметра в соответствии с измерением бриллюэновского рассеяния вдоль второго измерительного оптического волокна 11, причем этот параметр является идентичным измеренному вдоль первого измерительного оптического волокна 10.

Второе измерительное оптическое волокно 11 имеет отличающееся взаимодействие с водородом, которое может быть различных типов.

Первый тип взаимодействия, который отличается от первого измерительного оптического волокна 10, заключается в уменьшенной диффузии водорода во второе измерительное оптическое волокно 11. Такое взаимодействие может быть получено с помощью барьера диффузии, такого как соответствующее покрытие второго измерительного оптического волокна 11, имеющего частичную проницаемость для водорода. Такое покрытие может быть покрытием из углерода, характеристики которого, такие как толщина и плотность, выбираются таким образом, чтобы обеспечивать уменьшение диффузии водорода во второе измерительное оптическое волокно 11 без полного ее устранения. Эффект от такого покрытия можно увидеть на фиг. 6, которая показывает, что частотное смещение 223 пика бриллюэновского рассеяния для оптического волокна делает его нечувствительным к водороду за счет такого покрытия, оно является постоянным и не подвергается воздействию от присутствия водорода.

Второй тип взаимодействия, отличающийся от первого измерительного оптического волокна 10, заключается в уменьшенной чувствительности второго измерительного оптического волокна 11 к водороду. Такая уменьшенная чувствительность второго измерительного оптического волокна 11 к водороду может быть получена с помощью конфигурации второго измерительного оптического волокна 11, которое отличается по этому параметру от первого измерительного оптического волокна

10. Таким отличием в конфигурации является, например, измененный состав сердцевины, и/или оболочка оптического волокна, как описано в документе EP 1195628.

В действительности, и вопреки тому, что описано в документе EP 1195628, составы этих различных частей второго измерительного оптического волокна 11 адаптируются таким образом, что вышеуказанное оптическое волокно 11 имеет ненулевую чувствительность к водороду. Также следует отметить, что в соответствии с тем же самым принципом, также может предусматриваться увеличение чувствительности второго измерительного оптического волокна 11 к водороду за счет использования отличающейся конфигурации.

Третий тип отличающегося взаимодействия заключается в изменении эффективного коэффициента распространения оптического режима n_eff для одинакового количества водорода, полученного например, за счет уплотнения материала, образующего сердцевину и оболочку оптического волокна (например, диоксида кремния). Этот третий тип отличающегося взаимодействия также может быть получен за счет предварительного насыщения второго измерительного оптического волокна 11 водородом или дейтерием, причем это предварительное насыщение делается окончательным, например, с помощью обработки ультрафиолетовой радиацией.

Таким образом, для одинакового количества водорода, абсорбируемого первым измерительным оптическим волокном 10 и вторым измерительным оптическим волокном 11, второе оптическое волокно 11 имеет изменение эффективного оптического коэффициента распространения, которое эквивалентно варианту с предварительным насыщением водородом, к которому добавляется количество абсорбированного водорода. Поскольку изменение эффективного коэффициента распространения оптического режима n_eff является нелинейным, как иллюстрируется на фиг. 6, то в результате второе измерительное оптическое волокно 11, в соответствии с количеством абсорбированного водорода, будет иметь другую чувствительность к водороду.

Таким образом, второе измерительное оптическое волокно 11, имеющее взаимодействие с водородом, отличающееся от такого взаимодействия первого измерительного оптического волокна 10, дает возможность обеспечивать измерение, которое является дополнительным к измерению, результаты которого поступают от первого измерительного оптического волокна 10.

В том случае, когда второе измерительное оптическое волокно 11 имеет чувствительность, отличающуюся от первого измерительного оптического волокна 10, является ли это следствием конфигурации или предварительного введения водорода, устройство в этом случае имеет диапазон, через который водород может быть обнаружен и/или проанализирован в количественном отношении, т.е. расширен за счет комбинирования диапазонов, предлагаемых при использовании первого и второго измерительных оптических волокон 10, 11.

В том случае, когда второе измерительное оптическое волокно 11 имеет уменьшение в диффузии водорода, эта разница вызывает уменьшенную степень диффузии водорода в вышеуказанном втором измерительном оптическом волокне 11. Результатом является разница в измерении между первым и вторым измерительными оптическими волокнами 10, 11, создающая возможность получить информацию по времени об источнике водорода в сооружении.

В действительности, в соответствии с этим третьим вариантом осуществления изобретения, возможно комбинировать эти различные типы отличающегося взаимодействия между первым и вторым измерительными оптическими волокнами 10, 11 за счет адаптирования их к условиям установки устройства.

Также возможно, в соответствии с принципом, аналогичным принципу третьего варианта осуществления изобретения, комбинировать более чем два измерительных оптических волокна, для того чтобы или позволить устройству иметь больший диапазон, в котором может быть обнаружен водород и/или произведен его количественный анализ, или комбинировать преимущества различных типов взаимодействия с водородом.

В действительности такой вариант осуществления изобретения, хотя он проиллюстрирован на фиг. 11 для осуществления возможности, в соответствии с которой конфигурация устройства адаптируется таким образом, чтобы производить измерение бриллюэновского рассеяния в соответствии с принципом измерения коэффициента отражения, также имеется возможность, хотя она не проиллюстрирована, в соответствии с которой конфигурация устройства 100 адаптируется таким образом, чтобы производить измерение бриллюэновского рассеяния, которое выполняется за счет временного анализа, анализа в частотной области, или за счет анализа в корреляционной области. В соответствии с этой возможностью, первое и второе измерительные оптические волокна 10, 11 и образцовое оптическое волокно 30 могут присоединяться к оптической системе параллельно друг другу, последовательно, или в любой гибридной комбинации, в которой два оптических волокна из первого и второго измерительных оптических волокон 10, 11 и образцового оптического волокна 30 укладываются параллельно, а третье оптическое волокно индивидуально присоединяется к оптической системе 20.

В соответствии с возможностью, которая не проиллюстрирована, также для образцового оптического волокна 10 возможна такая адаптация, чтобы производить измерение других параметров, отличающихся от температуры и/или деформации оптического волокна, например такого как радиоактивность, присутствующая в сооружении, без выхода за пределы объема изобретения. Такое измерение может позволить устройству иметь функцию отслеживания этого другого параметра в дополнение к первичной функции, которая является обнаружением и/или количественным анализом водорода в сооружении, которое должно контролироваться.

Следует также отметить, что каждое из средств 21 передачи, измерительных средств 22 может содержать один или более модулей, при этом модуль также может быть предназначен для измерения на единственным оптическом волокне, является ли оно образцовым или измерительным, на нескольких оптических волокнах, или всех оптических волокнах, без выхода за пределы объема изобретения.

Группа изобретений относится к области обнаружения и количественного анализа водорода. Устройство (100) для контролирования сооружения (1) содержит первое измерительное оптическое волокно (10), оптическую систему (20), оптически соединенную с первым измерительным оптическим волокном (10) и подходящую для измерения, по меньшей мере, одного параметра первого оптического волокна. Оптическая система (20) является подходящей для измерения параметра первого оптического волокна (10) вдоль первого измерительного оптического волокна (10) в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния. Способ контроля сооружения включает этапы, на которых: размещают первое измерительное оптическое волокно в сооружении, выполняют измерение параметра вдоль измерительного оптического волокна в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, обнаруживают и/или выполняют количественный анализ водорода в измерительном оптическом волокне (10). Способ обнаружения и/или количественного анализа водорода, в котором используют устройство (100). Обеспечивается более эффективное обнаружение и количественный анализ водорода. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство (100) для обнаружения и/или количественного анализа водорода, предназначенное для контролирования сооружения (1), содержащее:

- первое измерительное оптическое волокно (10), предназначенное для размещения в сооружении (1),

- оптическую систему (20), оптически соединенную с первым измерительным оптическим волокном (10) и подходящую для измерения по меньшей мере одного параметра первого оптического волокна,

отличающееся тем, что оптическая система (20) является подходящей для измерения указанного параметра первого оптического волокна (10) вдоль первого измерительного оптического волокна (10), в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

2. Устройство (100) по п. 1, в котором измерение указанного параметра первого оптического волокна выполняется в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, выбранным из группы, включающей в себя: бриллюэновскую рефлектометрию во временной области, бриллюэновскую рефлектометрию в частотной области, бриллюэновскую рефлектометрию в корреляционной области, бриллюэновские оптические измерения путем анализа во временной области, бриллюэновские оптические измерения путем анализа в частотной области, бриллюэновские оптические измерения путем анализа в корреляционной области.

3. Устройство по п. 1, в котором устройство адаптировано для выполнения образцового измерения по меньшей мере одного параметра первого измерительного оптического волокна (1) по меньшей мере в одном месте на первом измерительном оптическом волокне (10), при этом на вышеуказанное образцовое измерение не влияет присутствие водорода.

4. Устройство (100) по п. 1, в котором оптическая система (20) адаптирована для выполнения образцового измерения вдоль первого оптического волокна на двух различных длинах волн.

5. Устройство (100) по п. 3, в котором первое измерительное оптическое волокно содержит по меньшей мере один участок, нечувствительный к водороду, так что измерение параметра первого измерительного оптического волокна (10) посредством оптической системы (20) на вышеуказанном участке обеспечивает образцовое измерение.

6. Устройство (100) по п. 1, содержащее также образцовое оптическое волокно (30), которое предназначено для размещения в сооружении (1) и соединено с оптической системой (20), при этом вышеуказанное образцовое оптическое волокно (30) предназначено для выполнения образцового измерения.

7. Устройство (100) по п. 6, в котором образцовое оптическое волокно (30) конфигурировано таким образом, чтобы иметь пониженную чувствительность к водороду, предпочтительно, чтобы оно было нечувствительным к водороду.

8. Устройство (100) по п. 1, содержащее также второе измерительное оптическое волокно (11), предназначенное для размещения в сооружении (1) и соединенное с оптической системой (20), при этом вышеуказанное второе измерительное оптическое волокно (11) конфигурировано таким образом, чтобы оно взаимодействовало с водородом иным образом, чем первое измерительное оптическое волокно (10).

9. Устройство (100) по п. 5, в котором второе измерительное оптическое волокно (11) содержит средство для ограничения диффузии водорода в вышеуказанное второе измерительное оптическое волокно (11).

10. Устройство (100) по п. 8, в котором средство для ограничения диффузии водорода второго измерительного оптического волокна (11) содержит оболочку вышеуказанного второго измерительного оптического волокна, при этом вышеуказанная оболочка имеет частичную проницаемость для водорода.

11. Устройство (100) по п. 7, в котором второе измерительное оптическое волокно (11) имеет предварительное насыщение водородом, реализованное таким образом, чтобы модифицировать взаимодействие вышеуказанного оптического волокна (11) с водородом.

12. Устройство (100) по п. 5 или 6, в котором измерительное оптическое волокно или волокна (10, 11) и образцовое оптическое волокно (30) размещены в виде пучка или ленты.

13. Способ обнаружения и/или количественного анализа водорода для контроля сооружения, включающий этапы, на которых:

- размещают первое измерительное оптическое волокно в сооружении,

- выполняют измерение параметра вдоль измерительного оптического волокна в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

- соответственно, обнаруживают и/или выполняют количественный анализ водорода в измерительном оптическом волокне (10), исходя из указанного параметра, измеренного вдоль измерительного оптического волокна в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

14. Способ обнаружения и/или количественного анализа водорода, в котором используют устройство (100) по п. 1 и способ содержит этапы, на которых:

- используют оптическую систему (20) для измерения параметра первого измерительного оптического волокна вдоль первого измерительного оптического волокна в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния,

- соответственно, обнаруживают и/или выполняют количественный анализ водорода в первом измерительном оптическом волокне (10), исходя из параметра, измеренного вдоль указанного измерительного оптического волокна в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния.

15. Способ по п. 14, в котором используют устройство по п. 3 или 6, при этом соответствующий этап обнаружения и/или количественного анализа водорода включает подэтапы, на которых:

- используют оптическую систему (20) для выполнения образцового измерения вдоль первого измерительного оптического волокна (10),

- корректируют на основе образцового измерения измерение параметра первого измерительного оптического волокна (10), выполненного вдоль первого измерительного оптического волокна (10) в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния,

- соответственно обнаруживают и/или измеряют присутствие водорода в первом измерительном оптическом волокне (10), исходя из указанного измерения параметра первого измерительного оптического волокна (10) вдоль первого измерительного оптического волокна (10) в соответствии с принципом измерения бриллюэновского рассеяния, которое скорректировано с использованием образцового измерения.