天然气水合物状态变化模拟实验光电探测系统

摘要

本发明涉及一种天然气水合物状态变化模拟实验光电探测系统。温控水槽中的高压平衡釜上端设置窗口并在其中设置散射照明发射头，右窗口外设置环型光纤束照明的CCD摄像机，左窗口外设置光信号接收头并与光电探测控制器连接，光纤冷光源通过光纤传光束与CCD、散射照明发射头及光电探测控制器连接，CCD通过组合电缆与光电探测控制器连接，光电探测控制器与工控计算机及实时监视系统连接。本发明采用光纤照明，对水下狭小空间及高压低温条件下平衡釜内天然气水合物合成与分解状态变化的全过程进行实时观察监视、摄像记录以及光强透射、散射特性变化的测量记录，具有高清晰度、高保真度、大容量及精确选时回放等功能。

说明书

一所属技术领域

本发明涉及一种光电探测装置，特别是一种天然气水合物状态变化模拟实验光电探测系统。

二背景技术

天然气水合物是水和天然气(甲烷等)在高压和低温条件下产生的冰状结晶化合物，它广泛地存在于海洋中的深海底层，其储量比石油和天然气大得多，将是本世纪石油和天然气的主要替代物，也是未来的战略贮备能源。因此，探查和开发天然气水合物资源具有重要的战略意义。在研究和实施开发天然气水合物计划时，由于各国的地质条件不同，天然气水合物的成分与形成机制存在差异，因而，为了深入研究掌握天然气水合物的生成与开发规律，美、日、俄、加等国都建立了天然气水合物的低温高压实验室。虽然天然气水合物的实验室研究成果早已见诸于有关报道，但是天然气水合物状态和相变的可视化研究与检测在这些天然气水合物的实验研究中尚未实现，未见有关报道。

日本地质调查局(Introduction to exploration research on gas hydrates inJapan，Yoshihisa Okuda，Bulletin of the Geological Survey ofJapan，49(10)，494~500，1998)的天然气水合物模拟装置中，虽有光透射强度测试装置，但他们采用的是普通光源作为测试光源，而非光纤光源，另外该系统没有散射测量手段，更没有水下微型摄像监控技术手段；俄罗斯科学院地球低温层研究所(A setup forlight scattering studies of gas-hydrate formation kinetics，A.N.Nesterov andV.V.Feklistov，Instruments and Experimental Techniques，42(2)，1999，265~269)有光散射装置，可研究水合物的生成动力学，通过测量实验体系的浑浊度，确定水合物生成不同时期水合物颗粒的大小和含量，其原理类似于激光粒度仪，此装置的设计温度为-10~20℃，压力为7Mpa。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种具有在水下进行可视化摄像、记录与对光强透射、散射特性变化监测的天然气水合物状态变化的模拟实验光电探测系统，用于在高压低温、与空间结构狭小困难的水环境中，对平衡釜内天然气水合物合成与分解状态的变化过程进行可视化的实时观察摄像记录以及光强透射/散射特性与相变图的测试，从而为研究天然气水合物的合成与分解条件提供科学依据。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种天然气水合物状态变化模拟实验光电探测系统，其特征在于：高压平衡釜设置于温控水槽中，高压平衡釜上端设置窗口并在其中设置散射照明发射头，左右各设置窗口，右窗口外设置带有三点环型光纤束照明的微型彩色CCD摄像机，左窗口外设置连接有光纤传光束上的光信号接收头并与光电探测控制器连接，光纤冷光源通过Y形光纤传光束与CCD摄像机及光电探测控制器连接，光纤冷光源通过Y形光纤传光束与散射照明发射头及光电探测控制器连接，CCD摄像机通过组合电缆与光电探测控制器连接，光电探测控制器与工控计算机及实时监视系统连接，光纤传光束、组合电缆及Y形光纤传光束下端外侧设置防水塑料套管。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：采用了光纤光源与柔性光纤照明技术、水下微型摄像记录技术、光强透射/散射的光纤传感技术以及整机的密封防水结构设计，实现了水下狭小困难的空间结构条件下，对高压低温条件下平衡釜内天然气水合物合成与分解状态变化的全过程进行实时观察监视、摄像记录以及光强透射、散射特性变化的测量记录，并且根据光强透射、散射特性测试曲线规律可方便准确地获得天然气水合物的相变图。其中：水下微型摄像系统采用具有柔性的圆周三点式或多点环形光纤束照明方式，解决了在水中狭小空间结构条件下与微型摄像系统同轴同向照明的难题，摄像、录像系统具有高清晰度、高保真度、大容量及精确选时回放等功能，具有良好效果；光强透射/散射特性测试系统的测试电路采用双路(测试光与参考光)、双探头(消除暗电流影响)、两级反相比例运放、以及输出嵌位保护等先进技术，抑制了光强波动等对测量精度的影响，提高了测量精度。

四附图说明

图1是本发明的天然气水合物状态变化模拟实验光电探测系统构成示意图。

图2是本发明的光电探测控制器电路系统组成示意图。

图3是本发明的光电探测控制器的电路图。

五具体实施方式

结合图1、图2、图3，本发明的天然气水合物状态变化模拟实验光电探测系统由带有三点环型光纤束1照明的微型彩色CCD摄像机2、组合电缆3、光纤冷光源7和8、Y形光纤传光束9和10、散射光路的照明发射头4、带有光信号接收头6的光纤传光束11、光电探测控制器12、工控计算机13、实时监视系统14及防水塑料套管15等组成，高压平衡釜5设置于温控水槽16中，高压平衡釜5上端设置窗口18，并在其中设置散射照明发射头4，左右各设置窗口19、17，右窗口17外设置带有三点环型光纤束1照明的微型彩色CCD摄像机2，左窗口19外设置连接有光纤传光束11上的光信号接收头6，并与光电探测控制器12连接，光纤冷光源7通过Y形光纤传光束9与CCD摄像机2及光电探测控制器12连接，光纤冷光源8通过Y形光纤传光束10与散射照明发射头4及光电探测控制器12连接，CCD摄像机2通过组合电缆3与光电探测控制器12连接，光电探测控制器12与工控计算机13及实时监视系统14连接，光纤传光束11、组合电缆3及Y形光纤传光束9下端外侧设置防水塑料套管15。

其中光电探测控制器12内有两个双路光电信号转换放大电路、两个CCD摄像机控制单元及电源，工控计算机13配有视频图像采集卡和数据采集卡；实时监视记录系统14由数字硬盘录像机和高分辨率监视器组成。系统工作时，利用具有良好密封性的防水塑料套管15与密封结构设计在高压平衡釜窗口与三点环型光纤束1和散射照明发射头4、光信号接收头6之间构成密封防水空间，使三点光纤束组成的环型光纤束1与微型彩色CCD摄像机2、Y形光纤传光束10的散射光路照明发射头4、带有光信号接收头6的光纤传光束11均与高压平衡釜各对应在视窗17、18、19密封连接，并与高压平衡釜5共同置于温控水槽16中。

本发明采用光纤冷光源7或8作为微型摄像监视的照明，光纤冷光源7产生的白光，通过Y形光纤传光束9传输到环绕在摄像镜头2周围的由三点光纤束组成的环型光纤束1，并通过高压平衡釜窗口17照明高压平衡釜5内成像区域，或由光纤冷光源8产生的白光，经Y形光纤传光束10传输到散射照明光发射头4，并通过高压平衡釜上方的视窗18，照明高压平衡釜中的被观察区域。高压平衡釜5内，被照明的天然气水合物液体或沉积物经微型彩色CCD摄像机2成像在CCD摄像机靶面上，CCD摄像机将光学图像转换成电信号，通过组合电缆3传输到光电探测控制器12中的CCD控制器，CCD控制器输出两路视频信号：一路送实时监视记录系统14的数字硬盘录像机视频信号输入口，用于实时录像记录，并由高分辨彩色监视器显示；另一路送工控计算机13的视频图像采集系统的视频信号输入口，用于工控计算机的图像显示和采集记录。

摄像监视系统的主要技术性能指标如下：a.线视场＞φ21mm b.观察距离：镜头A用于透明水，其位置距视镜内表面6cm；镜头B用于沉积物，其位置位于视镜内表面附近；c.视觉放大倍率＞10×；d.发现最小颗粒尺度＜20μm；e.微型彩色CCD摄像机靶面1/2″，CCD像元素752(H)×582(V)；f.数字硬盘录像机记录压缩格式：MPEG-II；g.实时记录，记录时间长度由硬盘空间决定(40G硬盘约21小时；60G硬盘约31小时)；h.彩色监视器分辨率550TVL。

在光强透射测试系统中，光纤冷光源7产生的白光经耦合到Y形光纤传光束9后，一路信号传输到三点环型光纤束1发射系统，产生测试光束通过P、T条件变化的天然气水合物；光信号接收头6通过高压平衡釜窗口19探测接收到的透射光信号强弱可反映天然气水合物透射特性的变化。

光强散射测试系统中，光纤冷光源8产生的白光经耦合到Y形光纤传光束10后，一路光信号传输到光束散射照明发射头4，产生测试光束正交照明到P、T条件变化的天然气水合物；光信号接收头6通过高压平衡釜窗19口探测接收到的光信号强弱可反映天然气水合物光散射特性的变化。

将光信号接收头6接收到的透射或散射光信号通过光纤传光束11传输到光电探测控制器12，经光电探测器接收、转换以及信号处理，产生工控计算机A/D转换所要求的电压信号，送工控计算机数据采集，获得透射/散射光强数据；Y形光纤传光束9或10的另一路参考光信号也传输到光电探测控制器12，经光电探测器接收、转换以及信号处理，产生工控计算机A/D转换所要求的电压信号，送工控计算机数据采集，获得参考光光强数值；经工控计算机处理后，即可得到天然气水合物状态变化过程中透射/散射随时间变化的数据和特性曲线。

光强透射/散射测试系统的特点是：根据测试对象情况的变化具有透射、散射两种方式可供选择，测试电路采用双路(测试光与参考光)、双探头(消除暗电流影响)、两级反相比例运放、以及输出嵌位保护等先进技术，抑制了光强波动等对测量精度的影响。

光强透射/散射测试系统技术性能指标：a.误差：±1％；b.单次数据记录长度大于6000个时间点；c.最高测量频率大于10次/秒；