[发明专利]带有光纤气体传感器的传感系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(CO₂) 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H₂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H₂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。

发明内容

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(1-x-y)(nano-Pd(x)Au(y)Ni(1-x-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)。