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浮动型近海海洋石油泄漏监测的传感器阵列和污染控制
摘要
基于我们成功的电导液位传感器技术,结合长周期光纤布拉格光栅传感器技术,一个浮动的光电(OE)传感器阵列系统是针对早期设计的石油污染,监测近海海洋石油泄漏和污染控制以及海上安全。
关键词:石油泄漏事件;电导液位传感器;长周期光纤光栅折射率;浮动OE传感器阵列
介绍
目前,减少石油泄漏的风险,减少恐怖袭击和破坏的前景至关重要.在海上安全和环境保护方面为了保护海洋环境,航运的安全和减少经济损失,石油泄漏监测正在成为一个有效的近海海洋安全的关键主题和石油泄漏灾难管理。在海洋远程传感和可以帮助识别潜在的威胁和石油泄漏方面,机载海洋石油荧光激光雷达是一个非常好的技术,但对于大范围监测和不能提供更多细节(如小泄漏的海上钻井平台)。
在这篇文章中,一个新的解决方案是由电气(电导)传感器和光纤光学光纤光栅传感器技术.由一个特殊的可航行的传感器阵列设计开展海洋表面上的监控任务。在几年前的纽约交通线上,电导液位传感器用于地下高压高温蒸汽管道应用程序。它工作在高温、高湿度和严酷的化学环境,所以它特别适合近海海洋条件。电导传感器能够瞬间区分海水和溢油。它是灵活的,可以结合无线数据传输。但因为它的“活跃”特点,营业时间是有限的(每隔几周需要更换电池)和需求困难的防泄漏的电气绝缘。另一方面,长周期光栅是“被动”,可以在海洋表面上的工作超过导电传感器。因此,这是一个优秀的互补的设计。与一个合理的结构设计的可航行的混合OE传感器阵列,针对海面溢油监测的任务完成.
2.技术解决方案和原则
2.1海洋石油泄漏监测的电导法工作原理
电阻R的倒数,电导G是导电能力的措施。由欧姆定律:G = I / U。在这里 I是电流和U是电势。海水是一种很好的导电液体,但可以视溢油作为电绝缘体。根据这一特点,我们提出一个方法来监控(或海洋石油污染近海海洋石油泄漏)通过测量两个电极之间的电导的变化。图1显示了,如果有没有漏油,海水将会有一个良好的电导率,我们可以看到,有一个重要的电流通过整个循环,海面上的油污存在时,由于油的电气绝缘的能力现在电流将迅速下降。
一个三角波是由数字电路添加到运算放大器单元(OPAMP)输入端口,这个三角形和贯穿的负面反馈电阻r波同时出现在OPAMP的负输入终端。因为热耦合和电磁耦合产生直流能力,这直流可能是电路中电容的阻碍,这种直流潜在原因之间的电荷的流动电极,它也能腐蚀电极。电导负荷出现在长距离的电缆有两个来源,一个是固定电力负荷G,另一个是液体有效的电力负荷。OPAMP的输出电压是一个新值等于三角波加上I* R,在这里我是运行的电流通过信号线,R是OPAMP的反馈电阻。相同的三角波被提取的A / D转换器I* R有用信号。在这个设计中,电极和电路可以实现远程控制,数字微控制器用于产生方波和测量信号A / D。特殊设计的软件包括de-speckling过滤器和平均是用来减少随机噪声和脉冲噪声的影响的信号。
检测逻辑用于控制和判断石油污染是否存在,它还控制继电器的工作条件,并发出警告信号。
图1
2.2长周期光栅折射率传感海上石油泄漏
光纤布喇格光栅的分类,光纤光栅的周期从几十到几百微米不等长周期光纤光栅器件叫做长周期光纤光栅。内在模式传输在一个理想的光波导彼此独立,不受干扰。的均匀波导中被摧毁的振幅或相位传播模式发生在被打扰,其中会发生能量的交换固有的模式,导致所谓的模式耦合。根据光波导的耦合模理论,长周期光纤光栅的相位匹配条件是:
是纤维芯引导模式传播常数, 是耦合的包层模式传播常数模式,Lambda;长周期光栅的周期。
因为,公式(1)可以简化为
式中, 是损耗峰的波长长周期光纤光栅, 是有效的折射指数的光纤核心区域, 是n阶包层模的有效折射率。
长周期光纤光栅的耦合模式结果基本模式和核心之间的耦合包层模式与传播方向相同,达到引导模式和核心之间的耦合所有订单的包层模式。包层模式的有效折射率的折射率有关环境层,除了核心的折射率有关。的折射率环境层的变化,这将导致的有效折射率包层模式改变,核心区域的引导模式之间的耦合和包层模式改变。这将会导致的变化长周期光栅的透射谱。因此可以推断出外部折射率的变化观察透射谱的变化。这是使用长周期光栅的原理的感觉外部折射率变化
通过计算中心波长的谐振峰值使用公式(2),外推得到关系变异量的共振与外部折射率变化如下:
是外部折射率的变化量, 是液化石油气的变异量耦合共振中心峰值波长。其他参数都是相同的。液化石油气折射率传感器的原则测量是寻找折射率敏感系数(由括号中的词汇在式3中)的模拟和实验的方法,建立了外部折射率变化和量的关系共振峰的中心波长的变化。
图2是一个建立了长周期光栅的透射光谱实验中,宽带光源显示它光谱的光学频谱分析仪在通过长周期光栅。在实际的工程应用中,频谱分析仪是取代了便携式光栅解调模块。
图2
3可视化工程设计和应用
3.1电导液位传感器的设计
我们设计并开发了实用的电导液位传感器公司在新合并的爱迪生在2009年纽约。系统用于实时监测地下水位的高压力高蒸汽管道温度。高温、高湿度、高腐蚀环境的艰难的一部分应用程序。我们成功地取得了产品的防腐设计和系统至今仍正常工作。这给了我们信心克服海洋环境监测的苛刻的条件。看到这张照片图3为原系统的细节。
这种传感器具有结构简单和易于装配。图4和图5在地下照片网站。因为我们使用的方法和新材料,监测系统的效率被带到一个更高的水平,和它一直持续运行两年多了。比较传统的传感器探针的右侧(见图5)的一个例子,最好的只能持续两到三个月前更换必须发生,我们的系统代表了一个巨大的技术和工程的进步。
图3
图4
图5
3.2浮动传感器设计
早期集中在近海海洋石油泄漏监测[2],我们取得了一个浮动的传感器阵列的设计描述在下面。
首先考虑浮动电导传感器为例(见图6)。我们有一个中心和主要部件检测单位(小)周围的主要部件如图所示。为了使可漂浮的传感单元正常工作在大海,海浪是一个基本的上下关心的设计。这里给出两种设计。为第一个类型,每个小浮动单元都有自己的阳极和阴极,普通杆位于底部的可漂浮的单位是在水里。安排检测钢管的表面能级及其位置可基于油膜的厚度检测。
第二个设计是这样的,所有的小单位的共同波兰人收集和底部安装在一起中心的主要单元,每个探测杆放置在表面层次的单位。长时间的光栅传感器设计(见图7),没有电气问题,它使得设计考虑更容易。重量和填充材料是至关重要的保持检测波兰人在海洋的表面水平和动人的海水。环形结构是为了适应不同的海浪。设置在环形结构,电缆电线封面是由防腐材料。另一个关键设计点是浮力中心必须在重力中心环的结构和水可以自由接触电线。整个流动单元软与监视船(如电缆)和开洞需要检测单元在海面水平,为了让检测导线(或探针)触摸海水。
3.3材料的选择
由于强烈的海水腐蚀能力,合适的材料和结构设计是非常重要的成功的。我们的工程经验告诉我们,一个防水和身体密封设计浮动系统必要的。检测单元必须完全独立于外部环境。我们选择使用特殊类型的合金来满足长期海洋应用的要求。
3.4阵列系统
正如我们上面提到的,海洋环境非常复杂。我们必须考虑海洋的影响波,设计师是一个挑战。在这篇文章中,两种不同类型的浮动数组。一个是环型结构(见图8),另一个是线结构(见图9)。为环形结构,主单元安排在中心,检测单元网格分布。每个探测单元包括两个传感器,一个长周期光纤光栅器件电导传感器和传感器。这两种类型的传感器分离的结构见波纹管。我们称之为他们一个OE检测单位对。主单元和小单元通过艰难的灵活的软管和软连接电力电缆和光纤放置在软管,OE系统控制模块是安装在主要单元。第二个设计是一条线类型数组,OE检测单位对与主控制单元系列波形所示。单独的电导传感器安装在小单元可以单独放置远离检测的主要控制单元使用由于其无线通信功能。
4初步测试和讨论
我们已经进行了系统测试的光栅传感器探头在实验室(见Fig.10)。结果显示一个非常类似的趋势是使用裸光纤光栅前,在不同的温度下,水盐度为35%(标准海水,海水折射指数与温度的数据,与海水的折射率在1.33978和1.34188之间变化。
我们还执行测试探针的灵敏度。参见图11的光栅中心波长偏移与海水或油的折射率变化。结果表明,不同类型的酒精或油有相同的变化趋势但随着海水的相比明显的区别,这是重要的。我们可以用这种方法来检测石油泄漏在海洋上毫无疑问,通过阅读光栅中心波长位移差与海洋之间的折射指数水和油,特别是石油的折射指数大于1.46,差别是巨大的。
良好的文档记录,从海洋石油污染的折射率在1.4561和1.5190之间,这是就在简单的测量和检测的范围为海水和油。
5.结论
如本文所述,我们可以利用电导和长周期光栅传感想出一个设计浮动OE传感器阵列系统。这样一个系统可以进行近海海洋石油泄漏监测、安全在不久的将来污染控制任务。
基于薄膜结构优化热电微波功率传感器
摘要——这个工作是对热传导性质热电微波功率传感器的研究。热电微波炉的制造功率传感器由一个正面和背面处理使用砷化镓单片微波集成电路(MMIC)过程和MEMS技术。一个隔离结构的正面是为了防止热导通电阻的共面波导(CPW)。背面设计的薄膜防止热传导电阻器衬底。对微波功率传感器一个隔离结构,灵敏度约为0.138,0.136,0.132、0.115和0.111 mv / mW 8,9,10,11和12兆赫,分别。微波功率传感器的隔离结构,灵敏度是 0.142,0.139,0.135,0.117和0.115 mv / mW 8,9,10,11和12 ghz。因此,由热传导效率就越高和更高的灵敏度得到优化热电微波功率传感器。
关键词 热传导, 砷化镓功率传感器 单片微波集成电路(MMIC), 微机电系统(MEMS)。
介绍
热电微波功率传感器之一微波功率的最广泛使用的工具检测[1minus;4]。热电微波的主要优势功率传感器是其零直流偏压,广泛的频率范围和数字显示。热电微波功率传感器由一个电阻加热器和热电堆转换器。由于单片微波集成的发展趋势电路(MMIC)向高性能、低功耗和小型化,阻抗匹配特征频率范围宽迈进,热电微波功率传感器被广泛研究。在我们以前的工作,不同的热电堆的长度和不同的热电堆之间的距离和热电微波功率传感器的电阻优化[5]。此外,热电的温度特性研究了微波功率传感器,温度依赖的特点是消除[6]。在这项工作中,一个的主要目标是设计一个隔离结构,因此优化热传导和改进的效率热电微波功率传感器的灵敏度。
结构和原理
热电微波功率的基本元素传感器是共面波导(CPW)输电线路两个负载电阻,热电堆输出垫如图所示在图1。
两个负载电阻吸收微波功率的形式热量。然后,转换成温度差异热电堆的直流电压,它提供了一个精确的微波功率的测量基于塞贝克效应应用偏差[7]。此外,热电堆的冷端放置在散装,放在热接点薄膜。而在判断工作区.金属块的目的是为了防止热通量双方的串音干扰。
热分析和仿真
热电微波功率传感器的热性能是一个重要的属性。热电堆料吸收更多的热能,以改善敏感度。在热电功率传感器,电阻作为加热器,热电堆是用作传热元素。一般来说,在正常环境条件下, 热传导设备的微观结构热对流和辐射相比可以忽略不计。因此, 传热温差的微波功率传感器在热的传导中起着主要作用。
热传导,它包括三个方面:第一个方法是电阻和热电堆。第二个方法是电阻和衬底之间。第三个方法是与电阻之间的数据。为了提高的敏感性,电阻器和之间的第一种方法热电堆料转移更多的热能。第二种和第三种方法都有不可控制的时候。一个使用微机电薄膜背面设计系统(MEMS)技术以抑制电阻器和衬底之间的热传导。一半的热电微波功率传感器温度分布模拟只有忽视热辐射使用有限元方法(FEM)有限元分析软件软件,和环境温度设置为300 k。为热电微波功率传感器不薄膜如图2所示,最大的温度电阻器是317.606 k,温度之间的差异热结和热电堆的冷端9.781 k。热电的微波功率传感器薄膜如图3所示,最大tempera-ture电阻器是332.391 k,和温度的差异热接点和热电堆的冷端约17.995 k。热电的微波功率传感器一个隔离结构如图4所示,最大电阻器是339.413 k的温度,温度区别热接点和冷端温度约为21.896 k。因此,下面的散装材料电阻和热结[9],热阻增加。与一个数据设计隔离结构,和热传导效率增强和热电微波的敏感性提高功率传感器。
设计与制造
在这种热电微波功率传感器,数据是为了有一个50Omega;特性阻抗。制造热电的微波功率传感器是兼容的与砷化镓MMIC流程(10、11)。因此,该功率传感器可以集成与其他MMIC平面结构。
这个过程是由一个正面和背面处理。大部分的膜结构的定义砷化镓微加工技术。流程步骤简要描述如下。
步骤1砷化镓支持层的厚度500mu;m。n 砷化镓是由2500˚厚外延层热电堆的一条腿。和二十个热电偶系列形成热电堆,提高灵敏度。的热电偶的长度是150mu;m。宽度和距离彼此之间的热电偶是10mu;m。
步骤2负载电阻是由使用发射过程沉积一层棕褐色的广场阻力25Omega;/。负载电阻的宽度25mu;m数据是固定的100mu;m的槽。
步骤3 AuGeNi /非盟层是气急败坏的形成第二回合的热电堆和下拉电极使用通过蒸发500/2200˚发射过程厚度。AuGeNi
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