ДАТЧИК ГАЗА, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ОПТОВОЛОКОННЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ
GAS SENSOR INCLUDING A FIBRE OPTIC CONNECTOR

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество предварительной заявки на патент США № 62/665,218, поданной 1 мая 2018 года, описание которой полностью включено в настоящий документ путем ссылки.
ЗАЯВЛЕНИЕ О ПОДДЕРЖКЕ ГОСУДАРСТВА
[0002] Настоящее изобретение выполнено при государственной поддержке по договору номер DE-AR0000543, заключенному Министерством энергетики. Государство имеет определенные права на настоящее изобретение.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В отрасли подземной транспортировки флюидов существуют различные системы обнаружения утечек. Дополнительно существуют различные системы для транспортировки флюидов, в том числе пластовых флюидов. Трубопроводы можно использовать, например, для транспортировки природного газа к нефтеперерабатывающему предприятию и/или от него. Во многих случаях трубопроводы являются подземными. Для обнаружения утечек измерительный трубопровод заглубляют вместе с магистральным трубопроводом.
[0004] Типичный обнаружитель утечки газа включает в себя измерительный трубопровод, имеющий впускное отверстие, выпускное отверстие и датчик, размещенный на выпускном отверстии. Измерительный трубопровод перфорирован, покрыт гидрофобной оболочкой и заключен в защитный слой. Измерительному трубопроводу дают время на впитывание и абсорбирование любых газов, которые могут вытекать из трубопровода. По истечении выбранного периода времени во впускное отверстие вводят продувочный поток и отслеживают наличие выбранного газа в флюиде, поступающем из выпускного отверстия.
[0005] При обнаружении газа могут быть предприняты меры для нейтрализации любых утечек. Местоположение утечки может зависеть от времени, прошедшего от введения флюида до обнаружения газа. Применение современной технологии измерения обычно ограничено трубопроводами протяженностью не более 10 километров (км), что обусловлено временем, необходимым для очистки измерительного трубопровода продувочным потоком, и рассеиванием вытекающего газа внутри измерительной трубки во время продувки, что затрудняет определение местоположения утечки. При этом типичный цикл измерения для измерительного трубопровода длиной 10 км составляет примерно 24 часа - 18 часов на впитывание и 6 часов на продувочный поток. Кроме того, процесс формирования датчика отнимает много времени. В силу вышесказанного в данной области техники будет оценена система датчика, которую можно использовать на больших расстояниях и которая будет более простой и экономически выгодной для производства.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Описан узел датчика газоанализатора, включающий в себя первый проводник датчика, имеющий терминальный конец, второй проводник датчика, имеющий концевую секцию, и соединительный элемент, соединяющий терминальный конец первого проводника датчика с концевой секцией второго проводника датчика. При этом соединительный элемент проницаем для газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0007] Приведенные ниже описания не следует рассматривать как носящие какой-либо ограничительный характер. В описании со ссылкой на прилагаемые чертежи одинаковые элементы имеют одинаковую нумерацию.
[0008] На ФИГ. 1 показан подземный газопровод и система датчика газа, включающая газоизмерительный трубопровод и множество узлов датчика, в соответствии с аспектом примера осуществления.
[0009] На ФИГ. 2 представлен участок системы датчика газа, изображенной на ФИГ. 1, в соответствии с примером аспекта.
[0010] На ФИГ. 3 показан участок системы датчика газа в соответствии с аспектом примера осуществления.
[0011] На ФИГ. 4 показан соединительный элемент системы датчика газа в соответствии с аспектом примера осуществления.
[0012] На ФИГ. 5 показан соединительный элемент системы датчика газа в соответствии с другим аспектом примера осуществления.
[0013] На ФИГ. 6 показан участок системы датчика газа в соответствии с другим аспектом примера осуществления.
[0014] На ФИГ. 7 показан соединительный элемент системы датчика газа в соответствии с еще одним аспектом примера осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0015] Подробное описание одного или более вариантов осуществления описанного устройства и способа приведено в настоящем документе в качестве примера со ссылкой на графические материалы и не имеет ограничительного характера.
[0016] На ФИГ. 1 и 2 газопровод обозначен по существу номером 10. Газопровод 10 может быть выполнен в виде подземного трубопровода, заглубленного под поверхность 14. Здесь следует понимать, что поверхность 14 может представлять собой открытую поверхность или поверхность 14 может представлять собой погруженную поверхность. Систему 20 датчика газа заглубляют рядом с газопроводом 10. В показанном варианте осуществления система 20 датчика газа представлена размещенной над газопроводом 10. Однако следует понимать, что конкретное расположение системы 20 датчика газа относительно газопровода 10 может изменяться. Кроме того, следует понимать, что описанную в настоящем документе систему датчика газа можно использовать применительно к надземным трубопроводам.
[0017] Система 20 датчика газа включает в себя измерительный трубопровод 24, имеющий первый конец 30 и второй конец 32. Измерительный трубопровод 24 может быть выполнен из нескольких секций. Например, первая секция 38 измерительного трубопровода может быть соединена со второй секцией 40 измерительного трубопровода с помощью узла 42 датчика. Вторая секция 40 измерительного трубопровода может быть соединена с третьей секцией 44 измерительного трубопровода с помощью второго узла 46 датчика. Количество секций измерительного трубопровода и узлов датчика может варьироваться. Расстояние между смежными узлами датчика может дополнительно варьироваться и составлять вплоть до 10 км или более. Измерительный кабель 48 (ФИГ. 2) проходит вдоль измерительного трубопровода 24 и может проходить через каждый узел датчика. Измерительный кабель 48 может включать в себя первый проводник 55 датчика, который проходит к, например, первому узлу 42 датчика, и второй проводник 58 датчика, который проходит между первым узлом 42 датчика и вторым узлом 46 датчика, а третий проводник 60 датчика проходит от второго проводника датчика.
[0018] Измерительный трубопровод 24 и кабель 48 датчика могут быть соединены с первым контрольным участком 64, расположенным на, к примеру, первом конце 30, и вторым контрольным участком 66, расположенным на, к примеру, втором конце 32. Измерительный трубопровод 24 выполнен с возможностью «впитывания» или абсорбирования газа, вытекающего из газопровода 10, в течение определенного периода времени. По истечении определенного периода времени первый контрольный участок 64 может подавать флюид, например воздух, для продувки измерительного трубопровода 24. С момента начала продувки контрольный участок 64 может считывать контрольный сигнал, проходящий через кабель 48 датчика, на предмет признаков утечки газа, который диффундировал в измерительный трубопровод 24 за предыдущее время выдержки. Следует понимать, что продувочный поток и сигнал датчика могут быть отправлены и считаны на одном контрольном участке.
[0019] Продувочный флюид может проталкивать вытекающий газ в узел датчика. Например, измерительный трубопровод 24 может быть выполнен с возможностью «впитывания» или абсорбирования любого газа, который может присутствовать рядом с газопроводом 10, в течение первого периода времени, а затем его можно продувать в течение второго периода времени, который, как правило, короче первого периода времени. В большинстве случаев желательно, чтобы второй период времени составлял примерно одну треть от первого периода времени так, чтобы не было достаточно времени для любого вытекающего газа, который диффундировал в магистраль в течение первого периода времени, для обратного диффундирования из магистрали во время продувки или в течение второго периода времени. В течение второго периода времени первый и/или второй контрольные участки отслеживают контрольный сигнал, проходящий через кабель 48 датчика, на предмет признаков утечки газа около любого из узлов датчика.
[0020] На ФИГ. 3 первый проводник 55 датчика может быть выполнен в виде оптоволоконного кабеля 68 с твердым сердечником, второй проводник 58 датчика может быть выполнен в виде оптоволоконного кабеля 70 с полым сердечником, имеющим полую внутреннюю секцию, а третий проводник 60 датчика может быть выполнен в виде оптоволоконного кабеля 72 с твердым сердечником. Первый проводник 55 датчика показан вместе с предусмотренным в нем терминальным концом 80. Второй проводник 58 датчика показан с первой концевой секцией 84 и второй концевой секцией 85. Канал 87 проходит между первой концевой секцией 84 и второй концевой секцией 85. Третий проводник 60 датчика включает в себя первый концевой участок 90 и второй концевой участок 91. Здесь следует понимать, что несмотря на то что в описании проводники датчика представлены в виде оптоволоконных кабелей, они могут иметь различные формы.
[0021] В примере осуществления, показанном на ФИГ. 3, первый соединительный элемент 96 соединяет терминальный конец 80 первого проводника 55 датчика с первой концевой секцией 84 второго проводника 58 датчика. Второй соединительный элемент 98 соединяет вторую концевую секцию 85 второго проводника 58 датчика с первым концевым участком 90 третьего проводника 60 датчика. Первый соединительный элемент 96 может быть расположен на первом узле 42, а второй соединительный элемент 98 может быть расположен ниже по потоку от первого узла 42 и выше по потоку от второго узла 46. Первый и второй соединительные элементы 96 и 98 выполнены проницаемыми для газа так, что газ может либо входить в проводник 70, либо выходить из проводника 70 в зависимости от направления потока газа. Например, первый соединительный элемент 96 может принимать газ, который был доставлен продувкой до первого узла 42, тогда как второй соединительный элемент 98 выступает в качестве выпускного отверстия для этого газа.
[0022] На ФИГ. 4 описан второй соединительный элемент 98 с учетом того, что первый соединительный элемент 96 может иметь аналогичную конструкцию. Второй соединительный элемент 98 включает в себя проницаемый для газа корпус 104. Корпус 104 может быть выполнен в виде втулки 108 с полой внутренней частью 110. Вторую концевую секцию 85 второго проводника 58 датчика прикрепляют к соединительному элементу 98 с помощью первого соединителя 113, который проходит в полую внутреннюю часть 110. Таким образом, канал 87 и полая внутренняя часть 110 могут сообщаться по флюиду. Первый концевой участок 90 третьего проводника 60 датчика закреплен на соединительном элементе 98 с помощью второго соединителя 115.
[0023] В показанном примере аспекта линзу 118 размещают в полой внутренней части 110 между второй концевой секцией 85 второго проводника 58 датчика и первым концевым участком 90 третьего проводника 60 датчика. Линза 118 может быть выполнена в виде линзы 120 с градиентным показателем преломления (GRIN). Однако следует понимать, что линза 118 может быть выполнена и в другом виде, например в виде шаровой линзы, неградиентных преломляющих поверхностей и т. п. Световое излучение, которое можно передавать от второй концевой секции 85 второго проводника 58 датчика, может отклоняться, и, таким образом, третий проводник 60 датчика не может эффективно собирать его. Благодаря добавлению линзы 118 возрастает эффективность сбора светового излучения для третьего проводника 60 датчика.
[0024] Конкретное положение линзы 118 можно выбирать для более эффективной передачи светового излучения между вторым проводником 58 датчика и третьим проводником 60 датчика. В зависимости от фокусирующей силы линзы второй и третий проводники 58 и 60 датчика могут напрямую касаться поверхностей линзы 118. В альтернативном варианте осуществления первый и второй проводники 58 и 60 датчика могут быть расположены на небольшом расстоянии от линзы 118. Например, первый и второй проводники 58 и 60 датчика могут находиться на расстоянии примерно 1–3 мм от линзы 118. Более того, хотя на ФИГ. 4 показана только одна линза, возможно также применение множества линз для обеспечения такой же передачи светового излучения от одного проводника к другому проводнику.
[0025] Изменения светового излучения, проходящего от второго проводника 58 датчика к третьему проводнику 60 датчика, могут указывать на наличие газа, например, в первом узле 42. Например, газ, который входит во второй проводник 58 датчика на первой концевой секции 84, может заполнять или частично заполнять канал 87 по мере его протекания ко второй концевой секции 85. Если газ, подлежащий обнаружению, имеет линию поглощения на длине волны, на которой проводники передают световое излучение, для измерения поглощения светового излучения на этой длине волны любым газом, присутствующим во втором проводнике 58 датчика, можно использовать спектроскопию. Это легко достижимо с помощью, например, перестраиваемого лазера для введения светового излучения в первый проводник 55 датчика из первого контрольного участка 64 и обеспечения взаимодействия светового излучения с любым газом, присутствующим во втором проводнике 58 датчика, перед возвращением светового излучения лазера третьим проводником 60 датчика к первому контрольному участку 64 или второму контрольному участку 66 для спектроскопического анализа. Дополнительно на ФИГ. 4 показано отверстие 122, выполненное в корпусе 104. Отверстие 122 может иметь различную форму. Отверстие 122 может служить в качестве выпускного отверстия (не обозначенного отдельно) для газа, поступающего в соединительный элемент 98.
[0026] Ниже представлена ФИГ. 5, причем одинаковые номера позиций представляют соответствующие части на соответствующих видах при описании соединительного элемента 130 в соответствии с другим примером аспекта. В показанном варианте осуществления второй проводник 132 датчика выполнен в виде линзы 136. Линза 136 может содержать GRIN-линзу 138.
[0027] В этом примере аспекта линза 136 включает в себя отражатель 142. Световое излучение, поступающее в линзу 136 от первого проводника 58 датчика, может отражаться назад от отражателя 142. Положение линзы 136 можно выбирать, чтобы более эффективно ответвлять отраженное назад световое излучение в первый проводник 58 датчика. Таким образом можно определять, есть ли газ в световом излучении, поступающем обратно в первый проводник 58 датчика. Благодаря использованию отражателя может исчезнуть необходимость в третьем проводнике. Световое излучение от одного из первого и второго контрольных участков 64 и 65, переданное на линзу 136 через первый проводник 58 датчика, затем возвращается обратно к одному из первого и второго контрольных участков 64 и 65. Вместо установки отражателя на линзу отражатель 162 можно соединять со вторым концевым участком 91 третьего проводника 60 датчика, как показано на ФИГ. 6, причем одинаковые номера позиций представляют соответствующие части на соответствующих видах. Кроме того, отражатель 162 может быть выполнен в виде отражателя Фарадея, который уменьшает искажения светового излучения, например двойное преломление, вызванное проводниками.
[0028] Рассмотрим ФИГ. 7, причем одинаковые номера позиций представляют соответствующие части на соответствующих видах при описании соединительного элемента 174 в соответствии с другим аспектом примера осуществления. Соединительный элемент 174 выполнен в виде сварного соединения 178, имеющего отверстие 180, которое соединено по флюиду с полой внутренней частью 184, которая может быть образована каналом 87. Формирование соединительного элемента 174 в виде сварного соединения уменьшает его размеры и сложность изготовления, за счет чего пропадает необходимость в линзе для направления светового излучения от одного проводника к следующему проводнику. Вместо этого благодаря отверстию 180 наружный газ входит во второй проводник 58 датчика или выходит из него.
[0029] Здесь следует понимать, что в примерах осуществления описана система для соединения участков измерительного кабеля, которая способствует обнаружению утечек газа. Соединительные элементы могут быть выполнены в различном виде и могут включать в себя системы для пропускания светового излучения вперед или системы для отражения света обратно к анализируемому источнику. Соединительные элементы могут быть выполнены в виде втулок, сварных соединений и могут включать или не включать в себя отражающие поверхности. Соединительные элементы могут быть дополнительно снабжены фильтровыми системами, которые устраняют загрязнения, пыль и другие инородные частицы, мешающие входным контрольным сигналам или оптическим сигналам, проходящим к узлу и/или от него. Следует также понимать, что соединительные элементы могут быть выполнены с возможностью передачи через измерительный кабель сигналов, отличных от оптических.
[0030] Ниже приведены некоторые варианты осуществления вышеприведенного описания.
[0031] Вариант осуществления 1. Узел датчика газоанализатора содержит: первый проводник датчика, имеющий терминальный конец; второй проводник датчика, имеющий концевую секцию; и соединительный элемент, соединяющий терминальный конец первого проводника датчика с концевой секцией второго проводника датчика, причем соединительный элемент проницаем для газа.
[0032] Вариант осуществления 2. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем соединительный элемент состоит из втулки, проходящей вокруг терминального конца и концевой секции, при этом втулка образует полую внутреннюю часть и включает в себя отверстие.
[0033] Вариант осуществления 3. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем отражатель размещают на втулке в концевой секции второго проводника датчика.
[0034] Вариант осуществления 4. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем второй проводник датчика образован линзой.
[0035] Вариант осуществления 5. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем линза представляет собой линзу с градиентным показателем преломления (GRIN).
[0036] Вариант осуществления 6. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, дополнительно содержащий: отражатель, размещенный на втором проводнике датчика, расположенном на расстоянии от терминального конца.
[0037] Вариант осуществления 7. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем второй проводник датчика имеет другую концевую секцию, отделенную от этой концевой секции полой внутренней секцией.
[0038] Вариант осуществления 8. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, дополнительно содержащий другой соединительный элемент, соединенный с другой концевой секцией, причем соединительный элемент образует впускное отверстие для газа, а другой соединительный элемент образует выпускное отверстие для газа.
[0039] Вариант осуществления 9. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, дополнительно содержащий: отражатель, установленный на другом соединительном элементе.
[0040] Вариант осуществления 10. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, дополнительно содержащий: третий проводник датчика, включающий в себя первый концевой участок, соединенный с другим соединительным элементом, и второй концевой участок.
[0041] Вариант осуществления 11. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, дополнительно содержащий: отражатель, расположенный на втором концевом участке.
[0042] Вариант осуществления 12. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем соединительный элемент образует сварное соединение.
[0043] Вариант осуществления 13. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем первый проводник датчика представляет собой оптоволоконный кабель с твердым сердечником.
[0044] Вариант осуществления 14. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем второй проводник датчика предусматривает оптоволоконный кабель с полым сердечником, включающий в себя полую внутреннюю часть.
[0045] Вариант осуществления 15. Узел датчика газоанализатора по любому предшествующему варианту осуществления, причем сварное соединение включает в себя отверстие, соединенное по флюиду с полой внутренней частью.
[0046] Использование форм единственного и множественного числа и аналогичных отсылок в контексте описания настоящего изобретения (особенно в контексте представленной ниже формулы изобретения) следует понимать как охватывающее как единственное, так и множественное число, если в настоящем документе не указано иное, или если это явно не противоречит контексту. Дополнительно следует отметить, что термины «первый», «второй» и т. п. в настоящем документе не означают какой-либо порядок, количество или важность, а использованы для различения одного элемента от другого. Определение «приблизительно», используемое в связи с каким-либо количеством, включает в себя указанную величину и имеет значение, определяемое контекстом (например, он включает степень ошибки, связанной с измерением определенного количества).
[0047] Хотя в настоящем описании изобретения приведены ссылки на пример осуществления или варианты осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что допускается внесение различных изменений и замена отдельных элементов на эквивалентные без отступления от объема изобретения. Кроме того, допускается внесение множества модификаций для адаптации идей изобретения к конкретной ситуации или материалу без отступления от его существенного объема. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, описанным как лучший способ реализации, предусмотренный для осуществления настоящего изобретения, но предполагается, что изобретение включает в себя все варианты осуществления, входящие в объем формулы изобретения. Кроме того, в графических материалах и описании представлены примеры осуществления изобретения, и, хотя могли быть использованы конкретные термины, если не указано иное, их используют только в общем и описательном смысле, а не в целях ограничения, и это не ограничивает объем изобретения.