專利名稱：天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測裝置，特別是一種天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)。
二
背景技術(shù)：
天然氣水合物是水和天然氣(甲烷等)在高壓和低溫條件下產(chǎn)生的冰狀結(jié)晶化合物，它廣泛地存在于海洋中的深海底層，其儲量比石油和天然氣大得多，將是本世紀(jì)石油和天然氣的主要替代物，也是未來的戰(zhàn)略貯備能源。因此，探查和開發(fā)天然氣水合物資源具有重要的戰(zhàn)略意義。在研究和實(shí)施開發(fā)天然氣水合物計(jì)劃時(shí)，由于各國的地質(zhì)條件不同，天然氣水合物的成分與形成機(jī)制存在差異，因而，為了深入研究掌握天然氣水合物的生成與開發(fā)規(guī)律，美、日、俄、加等國都建立了天然氣水合物的低溫高壓實(shí)驗(yàn)室。雖然天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)室研究成果早已見諸于有關(guān)報(bào)道，但是天然氣水合物狀態(tài)和相變的可視化研究與檢測在這些天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)研究中尚未實(shí)現(xiàn)，未見有關(guān)報(bào)道。
日本地質(zhì)調(diào)查局(Introduction to exploration research on gas hydrates inJapan，Yoshihisa Okuda，Bulletin of the Geological Survey ofJapan，49(10)，494~500，1998)的天然氣水合物模擬裝置中，雖有光透射強(qiáng)度測試裝置，但他們采用的是普通光源作為測試光源，而非光纖光源，另外該系統(tǒng)沒有散射測量手段，更沒有水下微型攝像監(jiān)控技術(shù)手段；俄羅斯科學(xué)院地球低溫層研究所(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)有光散射裝置，可研究水合物的生成動力學(xué)，通過測量實(shí)驗(yàn)體系的渾濁度，確定水合物生成不同時(shí)期水合物顆粒的大小和含量，其原理類似于激光粒度儀，此裝置的設(shè)計(jì)溫度為-10~20℃，壓力為7Mpa。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有在水下進(jìn)行可視化攝像、記錄與對光強(qiáng)透射、散射特性變化監(jiān)測的天然氣水合物狀態(tài)變化的模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)，用于在高壓低溫、與空間結(jié)構(gòu)狹小困難的水環(huán)境中，對平衡釜內(nèi)天然氣水合物合成與分解狀態(tài)的變化過程進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)觀察攝像記錄以及光強(qiáng)透射/散射特性與相變圖的測試，從而為研究天然氣水合物的合成與分解條件提供科學(xué)依據(jù)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)，其特征在于高壓平衡釜設(shè)置于溫控水槽中，高壓平衡釜上端設(shè)置窗口并在其中設(shè)置散射照明發(fā)射頭，左右各設(shè)置窗口，右窗口外設(shè)置帶有三點(diǎn)環(huán)型光纖束照明的微型彩色CCD攝像機(jī)，左窗口外設(shè)置連接有光纖傳光束上的光信號接收頭并與光電探測控制器連接，光纖冷光源通過Y形光纖傳光束與CCD攝像機(jī)及光電探測控制器連接，光纖冷光源通過Y形光纖傳光束與散射照明發(fā)射頭及光電探測控制器連接，CCD攝像機(jī)通過組合電纜與光電探測控制器連接，光電探測控制器與工控計(jì)算機(jī)及實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)連接，光纖傳光束、組合電纜及Y形光纖傳光束下端外側(cè)設(shè)置防水塑料套管。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是采用了光纖光源與柔性光纖照明技術(shù)、水下微型攝像記錄技術(shù)、光強(qiáng)透射/散射的光纖傳感技術(shù)以及整機(jī)的密封防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水下狹小困難的空間結(jié)構(gòu)條件下，對高壓低溫條件下平衡釜內(nèi)天然氣水合物合成與分解狀態(tài)變化的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察監(jiān)視、攝像記錄以及光強(qiáng)透射、散射特性變化的測量記錄，并且根據(jù)光強(qiáng)透射、散射特性測試曲線規(guī)律可方便準(zhǔn)確地獲得天然氣水合物的相變圖。其中水下微型攝像系統(tǒng)采用具有柔性的圓周三點(diǎn)式或多點(diǎn)環(huán)形光纖束照明方式，解決了在水中狹小空間結(jié)構(gòu)條件下與微型攝像系統(tǒng)同軸同向照明的難題，攝像、錄像系統(tǒng)具有高清晰度、高保真度、大容量及精確選時(shí)回放等功能，具有良好效果；光強(qiáng)透射/散射特性測試系統(tǒng)的測試電路采用雙路(測試光與參考光)、雙探頭(消除暗電流影響)、兩級反相比例運(yùn)放、以及輸出嵌位保護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，抑制了光強(qiáng)波動等對測量精度的影響，提高了測量精度。
四


圖1是本發(fā)明的天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。
圖2是本發(fā)明的光電探測控制器電路系統(tǒng)組成示意圖。
圖3是本發(fā)明的光電探測控制器的電路圖。
五
具體實(shí)施例方式
結(jié)合圖1、圖2、圖3，本發(fā)明的天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)由帶有三點(diǎn)環(huán)型光纖束1照明的微型彩色CCD攝像機(jī)2、組合電纜3、光纖冷光源7和8、Y形光纖傳光束9和10、散射光路的照明發(fā)射頭4、帶有光信號接收頭6的光纖傳光束11、光電探測控制器12、工控計(jì)算機(jī)13、實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)14及防水塑料套管15等組成，高壓平衡釜5設(shè)置于溫控水槽16中，高壓平衡釜5上端設(shè)置窗口18，并在其中設(shè)置散射照明發(fā)射頭4，左右各設(shè)置窗口19、17，右窗口17外設(shè)置帶有三點(diǎn)環(huán)型光纖束1照明的微型彩色CCD攝像機(jī)2，左窗口19外設(shè)置連接有光纖傳光束11上的光信號接收頭6，并與光電探測控制器12連接，光纖冷光源7通過Y形光纖傳光束9與CCD攝像機(jī)2及光電探測控制器12連接，光纖冷光源8通過Y形光纖傳光束10與散射照明發(fā)射頭4及光電探測控制器12連接，CCD攝像機(jī)2通過組合電纜3與光電探測控制器12連接，光電探測控制器12與工控計(jì)算機(jī)13及實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)14連接，光纖傳光束11、組合電纜3及Y形光纖傳光束9下端外側(cè)設(shè)置防水塑料套管15。
其中光電探測控制器12內(nèi)有兩個(gè)雙路光電信號轉(zhuǎn)換放大電路、兩個(gè)CCD攝像機(jī)控制單元及電源，工控計(jì)算機(jī)13配有視頻圖像采集卡和數(shù)據(jù)采集卡；實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄系統(tǒng)14由數(shù)字硬盤錄像機(jī)和高分辨率監(jiān)視器組成。系統(tǒng)工作時(shí)，利用具有良好密封性的防水塑料套管15與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高壓平衡釜窗口與三點(diǎn)環(huán)型光纖束1和散射照明發(fā)射頭4、光信號接收頭6之間構(gòu)成密封防水空間，使三點(diǎn)光纖束組成的環(huán)型光纖束1與微型彩色CCD攝像機(jī)2、Y形光纖傳光束10的散射光路照明發(fā)射頭4、帶有光信號接收頭6的光纖傳光束11均與高壓平衡釜各對應(yīng)在視窗17、18、19密封連接，并與高壓平衡釜5共同置于溫控水槽16中。
本發(fā)明采用光纖冷光源7或8作為微型攝像監(jiān)視的照明，光纖冷光源7產(chǎn)生的白光，通過Y形光纖傳光束9傳輸?shù)江h(huán)繞在攝像鏡頭2周圍的由三點(diǎn)光纖束組成的環(huán)型光纖束1，并通過高壓平衡釜窗口17照明高壓平衡釜5內(nèi)成像區(qū)域，或由光纖冷光源8產(chǎn)生的白光，經(jīng)Y形光纖傳光束10傳輸?shù)缴⑸湔彰鞴獍l(fā)射頭4，并通過高壓平衡釜上方的視窗18，照明高壓平衡釜中的被觀察區(qū)域。高壓平衡釜5內(nèi)，被照明的天然氣水合物液體或沉積物經(jīng)微型彩色CCD攝像機(jī)2成像在CCD攝像機(jī)靶面上，CCD攝像機(jī)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號，通過組合電纜3傳輸?shù)焦怆娞綔y控制器12中的CCD控制器，CCD控制器輸出兩路視頻信號一路送實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄系統(tǒng)14的數(shù)字硬盤錄像機(jī)視頻信號輸入口，用于實(shí)時(shí)錄像記錄，并由高分辨彩色監(jiān)視器顯示；另一路送工控計(jì)算機(jī)13的視頻圖像采集系統(tǒng)的視頻信號輸入口，用于工控計(jì)算機(jī)的圖像顯示和采集記錄。
攝像監(jiān)視系統(tǒng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下a.線視場＞φ21mm b.觀察距離鏡頭A用于透明水，其位置距視鏡內(nèi)表面6cm；鏡頭B用于沉積物，其位置位于視鏡內(nèi)表面附近；c.視覺放大倍率＞10×；d.發(fā)現(xiàn)最小顆粒尺度＜20μm；e.微型彩色CCD攝像機(jī)靶面1/2″，CCD像元素752(H)×582(V)；f.數(shù)字硬盤錄像機(jī)記錄壓縮格式MPEG-II；g.實(shí)時(shí)記錄，記錄時(shí)間長度由硬盤空間決定(40G硬盤約21小時(shí)；60G硬盤約31小時(shí))；h.彩色監(jiān)視器分辨率550TVL。
在光強(qiáng)透射測試系統(tǒng)中，光纖冷光源7產(chǎn)生的白光經(jīng)耦合到Y(jié)形光纖傳光束9后，一路信號傳輸?shù)饺c(diǎn)環(huán)型光纖束1發(fā)射系統(tǒng)，產(chǎn)生測試光束通過P、T條件變化的天然氣水合物；光信號接收頭6通過高壓平衡釜窗口19探測接收到的透射光信號強(qiáng)弱可反映天然氣水合物透射特性的變化。
光強(qiáng)散射測試系統(tǒng)中，光纖冷光源8產(chǎn)生的白光經(jīng)耦合到Y(jié)形光纖傳光束10后，一路光信號傳輸?shù)焦馐⑸湔彰靼l(fā)射頭4，產(chǎn)生測試光束正交照明到P、T條件變化的天然氣水合物；光信號接收頭6通過高壓平衡釜窗19口探測接收到的光信號強(qiáng)弱可反映天然氣水合物光散射特性的變化。
將光信號接收頭6接收到的透射或散射光信號通過光纖傳光束11傳輸?shù)焦怆娞綔y控制器12，經(jīng)光電探測器接收、轉(zhuǎn)換以及信號處理，產(chǎn)生工控計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換所要求的電壓信號，送工控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集，獲得透射/散射光強(qiáng)數(shù)據(jù)；Y形光纖傳光束9或10的另一路參考光信號也傳輸?shù)焦怆娞綔y控制器12，經(jīng)光電探測器接收、轉(zhuǎn)換以及信號處理，產(chǎn)生工控計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換所要求的電壓信號，送工控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集，獲得參考光光強(qiáng)數(shù)值；經(jīng)工控計(jì)算機(jī)處理后，即可得到天然氣水合物狀態(tài)變化過程中透射/散射隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)和特性曲線。
光強(qiáng)透射/散射測試系統(tǒng)的特點(diǎn)是根據(jù)測試對象情況的變化具有透射、散射兩種方式可供選擇，測試電路采用雙路(測試光與參考光)、雙探頭(消除暗電流影響)、兩級反相比例運(yùn)放、以及輸出嵌位保護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，抑制了光強(qiáng)波動等對測量精度的影響。
光強(qiáng)透射/散射測試系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)a.誤差±1％；b.單次數(shù)據(jù)記錄長度大于6000個(gè)時(shí)間點(diǎn)；c.最高測量頻率大于10次/秒；
權(quán)利要求
1.一種天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)，其特征在于高壓平衡釜[5]設(shè)置于溫控水槽[16]中，高壓平衡釜[5]上端設(shè)置窗口[18]并在其中設(shè)置散射照明發(fā)射頭[4]，左右各設(shè)置窗口[19、17]，右窗口[17]外設(shè)置帶有三點(diǎn)環(huán)型光纖束[1]照明的微型彩色CCD攝像機(jī)[2]，左窗口[19]外設(shè)置連接有光纖傳光束[11]上的光信號接收頭[6]并與光電探測控制器[12]連接，光纖冷光源[7]通過Y形光纖傳光束[9]與微型彩色CCD攝像機(jī)[2]及光電探測控制器[12]連接，光纖冷光源[8]通過Y形光纖傳光束[10]與散射照明發(fā)射頭[4]及光電探測控制器[12]連接，微型彩色CCD攝像機(jī)[2]通過組合電纜[3]與光電探測控制器[12]連接，光電探測控制器[12]與工控計(jì)算機(jī)[13]及實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)[14]連接，光纖傳光束[11]、組合電纜[3]及Y形光纖傳光束[9]下端外側(cè)設(shè)置防水塑料套管[15]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)，其特征在于光電探測控制器[12]設(shè)置有兩個(gè)雙路光電信號轉(zhuǎn)換放大電路、兩個(gè)CCD攝像機(jī)控制單元及電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)，其特征在于工控計(jì)算機(jī)[13]配有視頻圖像采集卡和數(shù)據(jù)采集卡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)，其特征在于實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄系統(tǒng)[14]由數(shù)字硬盤錄像機(jī)和高分辨率監(jiān)視器組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)。溫控水槽中的高壓平衡釜上端設(shè)置窗口并在其中設(shè)置散射照明發(fā)射頭，右窗口外設(shè)置環(huán)型光纖束照明的CCD攝像機(jī)，左窗口外設(shè)置光信號接收頭并與光電探測控制器連接，光纖冷光源通過光纖傳光束與CCD、散射照明發(fā)射頭及光電探測控制器連接，CCD通過組合電纜與光電探測控制器連接，光電探測控制器與工控計(jì)算機(jī)及實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)連接。本發(fā)明采用光纖照明，對水下狹小空間及高壓低溫條件下平衡釜內(nèi)天然氣水合物合成與分解狀態(tài)變化的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察監(jiān)視、攝像記錄以及光強(qiáng)透射、散射特性變化的測量記錄，具有高清晰度、高保真度、大容量及精確選時(shí)回放等功能。
文檔編號G01N21/47GK1525157SQ0311289
公開日2004年9月1日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者陳文建, 遲澤英, 業(yè)渝光, 游明俊, 李武森 申請人:南京理工大學(xué)