专利名称：一种核电氢浓度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及核电安全壳内氢浓度检测技术领域，特别是一种大范围多点分布式氢 浓度在线检测装置。
背景技术：
根据国家发改委的远景规划，计划到2020年底中国将新建多个百万千瓦级核电 机组，核电总规模将达到3600万千瓦。核电国产化将会带动相关配套行业的快速发展，作 为核电站配套设施部分的各种监测系统无疑将会有更为广阔的发展和使用空间。核电的安全性是该行业发展最为关注的焦点。尽管核电站发生事故的频率极低， 由于其后果相当严重，仍然不能忽视它的风险。在严重事故堆芯融化早期阶段，锆_水反应 会产生大量氢气和热量。事故后期堆芯融熔物与混凝土的反应以及水的辐射分解也会产生 大量氢气。如果安全壳内没有安装相应的氢浓度监测和消氢系统，局部区域的氢气积累可 能引起剧燃和燃爆，产生超过安全壳结构设计能力的压力和温度负载状况，损坏安全壳，并 使放射性物质泄漏到大气中，造成环境污染。因此为了保证安全壳的完整性，核电站的设计 必须引入有效的、安全的氢气监测和控制手段。作为特定环境条件下的核电站环境，氢浓度在线检测非常复杂。传统的氢气浓度 分析通常采用气相色谱法、密度测量法、热传导法、化学催化法等。气相色谱法需要取样分 析，不能实时检测；密度测量法管线较长、校准困难、精度低、速度慢；在核电站安全壳的事 故状态下，热传导仪器会由于气体温度、压力等环境条件的急剧变化而失去作用；化学催化 仪器在放射性环境下，催化剂会发生中毒反应，并丧失其测量功能。基于电化学的氢传感 器，与系统的连接是通过金属铜线来完成，增加了载荷的重量、功率的消耗，更重要的是，对 于多点检测，金属铜线潜在的电磁干扰和电火花可能会引起灾难性的后果。因此，迫切需要 一种能在核电站环境下，在线多点监测的氢浓度检测系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的主要针对核电氢浓度监测和控制技术方面存在的问题， 提出一种基于光纤传感技术的氢浓度检测装置，能够安全、实时的进行在线检测，且不干扰 被测环境；能够抗化学腐蚀、无电磁干扰、适用恶劣环境温度，适用于大范围多点检测。该核电氢浓度检测装置，包括氢浓度传感器阵列、标准气室、光耦合器、光源、光 电转换器、信号处理单元和计算机输出单元；氢浓度传感器阵列由多个相同的溶锥型的光纤氢敏传感器S1 SN组成；光纤氢 敏传感器中光纤溶锥区的外部涂覆钯金属形成钯膜；各光纤氢敏传感器以多点分布形式 安装在核电安全壳内的各监测点处，并通过一根抗辐射光纤将各光纤氢敏传感器串联在一 起；核电安全壳内的抗辐射光纤外部安装屏蔽铠甲；标准气室、光耦合器、光源、光电转换器、信号处理单元和计算机输出单元设置在 核电安全壳n外的仪器安装平台上；标准气室和光耦合器通过光纤相连，光源和光电转换器分别通过光纤与光耦合器3相连；标准气室内部密封一只与核电安全壳内的光纤氢敏传感器相同的光纤氢敏传感 器和已知浓度Q的氢气；光源向光纤光路提供光脉冲；光电转换器将光路反馈的后向反射 光强的光信号转换为电信号，通过信号处理单元的调理送入计算机输出单元；计算机输出单元采集到标准气室和各光纤氢敏传感器的后向反射光强，从中获取 标准气室后向反射光强的衰减强度h和各光纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度hsn，n 为1到N的整数；计算光纤氢敏传感器Sn的氢气浓度Csn CSn = C0XhSn/h0。较佳地，所述计算机输出单元进一步用于在Sn的氢气浓度时，进一步利用校正因 子ksn校正计算得到的氢气浓度，令Csn = CSn/kSn。较佳地，所述计算机输出单元进一步用于确定校正因子ksn，具体为在核电氢浓 度检测装置测试开始之前，各监测点处释放已知浓度C1的氢气；计算机输出单元测得各光 纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度hsn’和标准气室后向反射光强的衰减强度tv计算 各光纤氢敏传感器Sn的氢气浓度测量值Csn’ = C0XhSn' /h0 ；利用氢气浓度测量值和已知 氢气浓度，计算校正因子ksn = Csn’ /C1 ；根据光纤氢敏传感器Sn的校正因子ksn和光纤氢敏传感器Sn与标准气室之间的 距离d进行拟合，得到校正因子拟合曲线；在使用校正因子时，根据光纤氢敏传感器Sn与标准气室之间的距离dsn，查找校正 因子拟合曲线，得到校正因子ksn。较佳地，计算机输出单元进一步用于，采用多次试验取平均的方法获得各光纤氢 敏传感器的校正因子，然后再拟合得到校正因子拟合曲线。本发明公开的核电氢浓度检测装置具有如下有益效果(1)本发明可以在核电安全壳内分布上百个传感器单元，从而实现大范围监测区 域的氢浓度多点在线检测。(2)在整个监测范围内，只用到光纤，不产生任何电信号，不引入任何外部电信号， 因此不会产生电火花，是本征安全的氢浓度检测装置。(3)由于光纤传输速度快，因此本系统灵敏度高，响应速度快，温度性能较好。(4)现场使用方便，传感器受外界环境影响小。
图1为本发明核电氢浓度检测装置的结构示意图。图2为本发明实施例中分布式氢浓度检测装置的技术线路图。图3为标准气室和传感器单元S1的检测结果输出图。图4为标准气室和多个传感器单元的检测结果输出图。其中，1-氢浓度传感器阵列，2-标准气室，3-光耦合器，4-光源，5-光电转换器， 6_信号处理单元，7-计算机输出单元，n-核电安全壳，S、S1、S2、S3-光纤氢敏传感器，u-抗 辐射光纤，Q"壳外仪器安装平台。
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本发明提供了一种核电氢浓度检测装置，如图1所示，该装置包括氢浓度传感器阵 列1、标准气室2、光耦合器3、光源4、光电转换器5、信号处理单元6和计算机输出单元7。其中(1)氢浓度传感器阵列1由多个溶锥型的光纤氢敏传感器S1 SN组成，光纤氢敏 传感器中光纤溶锥区的外部涂覆钯金属形成钯膜。各光纤氢敏传感器以多点分布形式安装 在核电安全壳n内，具体来说是安装在核电安全壳n内的各氢浓度监测点处，并通过一根抗 辐射光纤u将各光纤氢敏传感器串联在一起。核电安全壳n内的抗辐射光纤u外部安装屏 蔽铠甲。(2)标准气室2内部密封已知浓度Q的氢气和一只与核电安全壳n内的光纤氢敏 传感器相同的光纤氢敏传感器。标准气室2为可拆卸单元，便于定期更换标准气室2，以保 证标准氢气浓度恒定。(3)标准气室2、光耦合器3、光源4、光电转换器5、信号处理单元6和计算机输出 单元7位于核电安全壳n外，安装在壳外的仪器安装平台q上。标准气室2和光耦合器3 通过光纤相连，光源4和光电转换器5分别通过光纤与光耦合器3相连；光电转换器5通过 信号处理单元6连接计算机输出单元7。光电转换器5将光信号转换为电信号，通过信号处 理单元6的放大、滤波、A/D转换后送入计算机输出单元7。上述核电氢浓度检测装置的工作过程为光源4向光纤光路提供光脉冲。光源4发出的光脉冲通过光纤传输到达各个光纤 氢敏传感器，光纤氢敏传感器产生后向瑞利散射。当监测点有氢浓度变化时，该监测点的光 纤氢敏传感器钯膜收缩，其后向反射光强出现明显下降，其下降高度就是后向反射光强的 衰减强度。后向反射光强通过光路到达光电转换器5，光电转换器5后向反射光强转换为电 信号，通过信号处理单元6的调理送入计算机输出单元7。计算机输出单元7测量后向反射 光强的衰减强度，对比标准气室2衰减强度测量结果，可以得到监测点的氢气浓度，并由计 算机输出单元7输出计算结果。下面以在核电安全壳内设置一个光纤氢敏传感器S1为例详细描述计算机输出单 元7的处理方式，并假设标准气室中标准氢气浓度Q = 3%。计算机输出单元7采集到标准气室2和光纤氢敏传感器S1的后向反射光强信号， 如图3所示，从中获取标准气室后向反射光强的衰减强度& = 1. 518dB和光纤氢敏传感器 S1后向反射光强的衰减强度hsl = 2. 05dB;利用标准气室的氢气浓度与后向反射光强的衰 减强度之间的比例关系，计算S1的氢气浓度CS1 = C0Xhsl/h0 = 4. 05%。如果在核电安全壳内设置多个光纤氢敏传感器S1 SN，则计算机输出单元7可以 采集到标准气室和各光纤氢敏传感器的后向反射光强信号，如图4所示，那么采用公式Csn =C0XhSn/h0就可以得到各监测点的氢气浓度了。由于各光纤氢敏传感器与标准气室的距离不同，在各光纤氢敏传感器的氢气浓度 与衰减强度的比例关系可能略有差别，因此，较佳地，计算Sn的氢气浓度时考虑校正因子 kSn，利用校正因子校正浓度测量值，即令CSn = CSn/kSn。kSn为Sn的校正因子。校正因子可以根据经验获得，并固化在计算机输出单元7中。或者，为了获得更加精确的校正因子，采用如下方法在测试过程正式开始之前，在各监测点处释放已知浓度C1的氢气，计算机输出单 元7测得各光纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度hsl’ hsn’，以及标准气室后向反射 光强的衰减强度&。利用标准气室的氢气浓度和衰减强度的比例关系(VX，利用公式csn’ =C0XhSn' /h0计算各监测点处的氢气浓度测量值CS1 ’ CSN’。然后，再利用氢气浓度测量 值和已知浓度C1，确定各监测点的校正因子kSn = CSn’ /C1。然后，根据各监测点的校正因子ksn和监测点与标准气室之间的距离d进行拟合， 得到校正因子拟合曲线。该拟合曲线中包括各种距离d对应的校正因子。各监测点的校正 因子可以多次测量取平均得到。在使用校正因子时，例如使用S1的校正因子时，根据S1与标准气室之间的距离 dsl，查找校正因子拟合曲线，得到S1处的校正因子ksl，代入公式CS1 = Csl/ksl，得到校正后 的S1点氢气浓度。假设S1点的校正因子为0. 929，则校正后的S1点氢气浓度为4. 36%。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求
一种核电氢浓度检测装置，其特征在于，包括氢浓度传感器阵列、标准气室、光耦合器、光源、光电转换器、信号处理单元和计算机输出单元；氢浓度传感器阵列由多个相同的溶锥型的光纤氢敏传感器S1～SN组成；光纤氢敏传感器中光纤溶锥区的外部涂覆钯金属形成钯膜；各光纤氢敏传感器以多点分布形式安装在核电安全壳内的各监测点处，并通过一根抗辐射光纤将各光纤氢敏传感器串联在一起；核电安全壳内的抗辐射光纤外部安装屏蔽铠甲；标准气室、光耦合器、光源、光电转换器、信号处理单元和计算机输出单元设置在核电安全壳n外的仪器安装平台上；标准气室和光耦合器通过光纤相连，光源和光电转换器分别通过光纤与光耦合器3相连；标准气室内部密封一只与核电安全壳内的光纤氢敏传感器相同的光纤氢敏传感器和已知浓度C0的氢气；光源向光纤光路提供光脉冲；光电转换器将光路反馈的后向反射光强的光信号转换为电信号，通过信号处理单元的调理送入计算机输出单元；计算机输出单元采集到标准气室和各光纤氢敏传感器的后向反射光强，从中获取标准气室后向反射光强的衰减强度h0和各光纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度hSn，n为1到N的整数；计算光纤氢敏传感器Sn的氢气浓度CSnCSn＝C0×hSn/h0。
2.如权利要求1所述的核电氢浓度检测装置，其特征在于，所述计算机输出单元进一 步用于在Sn的氢气浓度时，进一步利用校正因子ksn校正计算得到的氢气浓度，令CSn = CSn/ksn。
3.如权利要求2所述的核电氢浓度检测装置，其特征在于，所述计算机输出单元进一 步用于确定校正因子ksn，具体为在核电氢浓度检测装置测试开始之前，各监测点处释放 已知浓度C1的氢气；计算机输出单元测得各光纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度hsn’ 和标准气室后向反射光强的衰减强度tv计算各光纤氢敏传感器Sn的氢气浓度测量值Csn’ =C0XhSn' /h0 ；利用氢气浓度测量值和已知氢气浓度，计算校正因子kSn = CSn’ /C1 ；根据光纤氢敏传感器Sn的校正因子ksn和光纤氢敏传感器Sn与标准气室之间的距离 d进行拟合，得到校正因子拟合曲线；在使用校正因子时，根据光纤氢敏传感器Sn与标准气室之间的距离dsn，查找校正因子 拟合曲线，得到校正因子ksn。
4.如权利要求3所述的核电氢浓度检测装置，其特征在于，计算机输出单元进一步用 于，采用多次试验取平均的方法获得各光纤氢敏传感器的校正因子，然后再拟合得到校正 因子拟合曲线。
全文摘要
本发明公开了一种核电氢浓度检测装置，该装置能进行核电站密闭空间内多点氢浓度实时在线监测。该装置由基于光纤的氢浓度传感器阵列、标准气室、光耦合器、光源、光电转换器、信号处理单元和计算机输出单元组成。氢浓度传感器阵列安装在安全壳内，其他设备位于安全壳外的仪器操作平台上。基于光纤传感技术的核电氢浓度检测装置能同时满足安全、实时在线检测、不干扰被测环境的要求，并且具有体积小、重量轻、柔韧性好的特点，特别适合于要求载荷轻和安装空间小的核电站安全壳环境。核电氢浓度检测装置还具备抗化学腐蚀，适应恶劣的环境温度，没有电磁干扰的优点，适合于远程大规模多点复用检测。
文档编号G01N21/47GK101949829SQ20101027334
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者刘东友, 段敬彬, 田彦民, 范广军, 蔡晓波, 郭嗣杰 申请人:中国船舶重工集团公司第七一八研究所