带有光纤气体传感器的传感系统技术方案

一种包括光纤芯（３２）的光纤气体传感器（２０），该传感器具有位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光栅结构（３６、３８）。光纤包层（４０）位于所述第一和第二折射率周期调制光栅结构周围。敏感层（４２）位于所述折射率周期调制光栅结构的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Ｐｄ基合金制成的敏感材料，该Ｐｄ基合金例如是纳米ＰｄＯｘ、纳米Ｐｄ（ｘ）Ａｕ（ｙ）Ｎｉ（１－ｘ－ｙ）或纳米Ｐｄ／Ａｕ／ＷＯｘ。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气体浓度和成分的测量。本发明专利技术也描述了具有一个或多个光纤气体传感器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统（４１０、５１０）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及传感系统和传感器，并且更具体地涉及带有基于 光栅的光纤气体传感器阵列的传感系统，所述光纤气体传感器提供对 于温度校正气体浓度的测量。
技术介绍
目前发电系统被构建成具有使用合成气(混合有一氧化碳(CO) 的氢(H2))作为燃料的涡轮。可以使用煤气化器或其他工业过程来生 成合成气。而且，目前的燃气涡轮可以使用天然气(NG)和H2燃料 的混合来发电从而获得更好的操作性、更高的效率或者更好的排放控 制。通常，涡轮使用的燃料流可以包含天然气(NG)，该天然气主 要是甲烷(CH4);例如氮(N2)和一氧化碳(CO )和二氧化碳(C02) 的稀释剂；以及例如乙烷(C2H6)和丙烷(C3H8)的更大分子量的碳 氢化合物。含氢燃料可以是天然气中的低百分比H2或高百分比H2与 NG和/或其它稀释剂混合的混合物、或者是合成气混合物(带有CO 的H2)。对于这种应用，重要的是监测将要燃烧的燃料成分从而可以有 效地控制其对输出的影响及涡轮的效率。具体地，当富H2合成气或者 混有Bb的NG被用作燃气涡轮的燃料时，需要在线监测燃料成分从而 可以根据由输出、排放和效率需求驱使的所需燃烧性能来控制燃料成 分。由于一些原因，现有的H2传感技术很大程度上不适合直接在线的 H2浓度或成分的监测。 一个原因在于，因为H2的高浓度，常规可燃气体传感器会达到饱和。只有基于分光镜的器械，例如色谱法、质谱计、拉曼光谱仪、衰荡光谱仪等，可以被用于离线或非在线的Eb浓度或成分的测量。同时，显而易见的是难以运用这种基于光谱测定的大型且 专用的传感器来实时在线监测/分析燃料质量，特别是在煤气化器和合 成气或天然气燃烧室的苛刻环境中尤为如此。虽然存在一些常规可燃 气体传感器，例如基于红外线的、电化学的、金属氧化物半导体的可 燃气体探测装置，但是这些装置对氢气不敏感或由于高浓度而饱和或不能在苛刻环境中使用。其它光学方法，例如基于光纤消逝场的近红外激光吸收方法，已 经被用于富H2合成气的分析。这些气体传感装置通常需要安装透明介 质和热敏光学部件。因此，需要为在线合成气分析以及发电效率控制 和优化提供一种实际方案，其中该在线合成气分析用于分析在诸如燃 气涡轮、燃烧室和气化器等的环境中的发电性能。
技术实现思路
在一方面，光纤气体传感器包括具有纵轴线的光纤芯；具有第 一调幅轮廓(amplitude modulation profile)的第一折射率周期调制光 栅结构，该第一折射率周期调制光栅结构位于所述光纤芯周围以感测 局部气体浓度；具有第二调幅轮廓的第二折射率周期调制光栅结构， 该第二折射率周期调制光栅结构位于所述光纤芯周围沿所述纵轴线相 对于第一折射率周期调制光栅结构在一定距离处以感测局部温度；位 于第一和第二折射率周期调制光栅结构周围的光纤包层；以及位于第 一折射率周期调制光栅结构的光纤包层周围的敏感层，该敏感层包括 敏感材料，该敏感材料包括纳米PdOx ( nano-PdOx )、纳米 Pd(x)Au(y)Ni(l-x-y) ( nano-Pd(x)Au(y)Ni(l-x画y))和纳米Pd/Au/WOx (nano-Pd/Au/WOx )，其中气体传感器能够提供对局部气体浓度的温 度校正确定(temperature-corrected determination )。在另一方面，光纤气体传感器包括具有纵轴线的光纤芯；具有 第一调幅轮廓的长周期光纤光栅结构，该长周期光纤光栅结构位于所 述光纤芯周围以感测局部气体浓度；具有第二调幅轮廓的短周期光纤 光栅结构，该短周期光纤光栅结构位于所述光纤芯周围沿所述纵轴线 相对于长周期光纤光栅结构在一定距离处以感测局部温度；位于长周 期和短周期光纤光栅结构周围的光纤包层；以及位于长周期光纤光栅 结构的光纤包层周围的敏感层，该敏感层包括敏感材料，该敏感材料 包括纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(l-x-y)和纳米Pd/Au/WOx，其中气 体传感器能够提供对局部气体浓度的温度校正确定。在又一方面，传感系统包括至少一个光纤气体传感器；可操作地 连接到每个光纤气体传感器的FC/APC连接器；以及可操作地连接到 所述FC/APC连接器的分光器/光组合器和光开关中的一个。附图说明图1是传感系统的示意图，该传感系统包括本专利技术的光纤气体传感器(FGS)以便监测发电系统的工作条件和/或参数；图2是图1中所示的光纤气体传感器的示意图3是图2中所示的气体传感器的长周期光栅(LPG)结构的部 分横截面图4是用于在基于反射的气体传感系统中进行多点气体感测的光 纤气体传感器(FGS)的分布方法的示意图5是用于在基于传输的气体传感系统中进行多点气体感测的光 纤气体传感器(FGS)的分布方法的示意图6是针对在131"F下混有N;j的75% H2浓度通过本专利技术的光纤 气体传感器发射的信号的时间-波长的图形表示；图7是高温时在不同氢浓度下来自本专利技术的光纤气体传感器的波 长移位的图形表示；图8是针对在131°F下混有N2的75% H2浓度通过本专利技术的光纤 气体传感器发射的信号的传输功率损失-时间的图形表示；图9是高温时本专利技术的光纤气体传感器对于不同氢浓度的响应时 间的图形表示，以及；图IO是高温时本专利技术的光纤气体传感器对于不同氢浓度的恢复时 间的图形表示。图11是在大约104°F由混有CH4和其他碳氢化合物气体的具有大 约5%氢的燃料引起的本专利技术光纤气体传感器的波长移位响应的图形表示；图12是在大约104°F由混有CH4和其他碳氢化合物气体的具有大 约5%氢的燃料引起的本专利技术光纤气体传感器的传输功率损失响应的 图形表示；图13是在室温时由混有大约50。/。天然气(NG)的具有大约50°/ H2 的燃料引起的本专利技术光纤气体传感器的波长移位的图形表示；图14是在室温时由混有大约48。/。天然气(NG)的具有大约52% H2 的燃料引起的本专利技术光纤气体传感器的波长移位的图形表示；以及图15是使用本专利技术的光纤气体传感器的燃气涡轮的燃料输送控制 系统的示意图。具体实施例方式现在参考图1，其示意性地示出了根据本专利技术的一个实施例的传感系统10。传感系统IO通常包括与光耦合器或光环形器14光连通的光 源12，例如可调宽带光源。光耦合器14接收从光源12发射出的光并 且通过光缆16发射出其中一部分光。经过光缆16的光进入根据本发 明的一个或多个光纤气体传感器(FGS)，其总体以20示出。位于光纤 气体传感器20下游的光电探测器22接收从气体传感器20通过光缆24 发射的光。被光耦合器14反射的光的一部分也通过光缆26被光电探 测器22接收。由光纤气体传感器20产生的光信号被处理和/或传送到 计算机28。在一个实施例中，无线接口 30将电信号传送到计算机28， 该电信号由光电探测器22响应于从一个或多个光纤气体传感器20接 收到的光信号而产生。FGS20监测发电设备(例如燃气涡轮、燃烧室、煤气化器等)(未 示出)的工作条件和/或参数。这些工作条件和/或参考包括但不限于内 部温度、压力和/或在设备内部产生的燃烧气体的存在性和浓度水平。 诸如燃气涡轮控制系统的控制系统(未示出)与气体传感器20在运作 控制上通信，从而接收由于传感器探测而产生的信号，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤气体传感器（２０），包括：　具有纵轴线（３４）的光纤芯（３２）；　具有第一调幅轮廓的第一折射率周期调制光栅结构（３６、３８），该第一折射率周期调制光栅结构（３６、３８）位于所述光纤芯（３２）周围以用于感测局部气体浓度；　 　具有第二调幅轮廓的第二折射率周期调制光栅结构（３６、３８），该第二折射率周期调制光栅结构（３６、３８）位于所述光纤芯（３２）周围沿所述纵轴线（３４）相对于所述第一折射率周期调制光栅结构（３６、３８）在一定距离处用于感测局部温度；　 　光纤包层（４０），该光纤包层（４０）位于所述第一和第二折射率周期调制光栅结构（３６、３８）周围；以及　位于所述第一折射率周期调制光栅结构（３６、３８）的所述光纤包层（４０）周围的敏感层（４２），该敏感层（４２）包括由Ｐｄ基合金制成的 敏感材料，　其中所述气体传感器能够提供对于所述局部气体浓度的温度校正确定。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：夏华，JS戈德米尔，KT麦卡锡，A库马，R安尼格里，E伊尔梅茨，AV塔瓦尔，Y赵，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]