［摘　要］　文中介绍了采用荧光标识法，荧光光纤传感器的工作原理及应用荧光光纤传感器来检测管道中油品界面的方法，并给出了相应的信号处理系统方案和传感器的旁路安装方式。
［关键词］　荧光；管道；光纤传感器；界面检测

1　概　述　　
　　管道广泛应用于原油和成品油的输送。成品油管道通常采用顺序输送［1］的方法，也就是一种油品跟在另一种油品的后面分批输送。油品在流动过程中会扩散，形成混油。为保证油品质量，必须精确测量油品之间界面的位置，进行混油切割操作。尤其不能让低质量的油品混入高质量的油品中，从而降低质量。界面检测的方法有很多，荧光检测法就是很好的检测方法之一。荧光溶液即使在管线停运时，也会全部分散，不会滞后，可以准确地标识界面位置。另外，该方法还可以有选择的对油品进行保护：保护前面的油品可以在实际界面之前注入荧光剂溶液；保护后面的油品可以在实际界面之后注入荧光剂溶液；当两种油品性质相近时，在实际界面中间注入荧光剂溶液。随着传感技术和光学技术的发展，荧光传感器［2］有了新的选择———荧光光纤传感器。这种传感器具有很多优点：（1）光纤的光损耗极小，信号可以远距离传输，可以把测量仪表的其它部分与探测部分分开，只留光纤探头在管道上工作，这样，在传感器的安装位置上有更多选择；（2）它是根据光的导波原理工作的，所以光纤传感器不受电磁干扰；（3）光纤探测头可以做的很小巧，而且结构简单紧密，灵活多变，方便安装；（4）光纤的材料是石英玻璃，耐化学腐蚀；（5）光纤传感器测量的是光学物理量，测量精度高，准确可靠，响应速度快，这正是实时在线检测所需要的。
2　荧光检测原理　　
　　有些物质在一定波长光的照射下吸收光波的能量，某些分子能级跃迁，从而处于不稳定状态（激发态）；与此同时，分子在电磁辐射下释放出过多的能量，回到稳定状态，这种能量就以荧光［3］的方式释放出来。吸收的波长叫做激励波长，释放的波长叫做发射波长，激励波长比发射波长要短。荧光物质吸收光的过程大约为10－8～10－9s，发出的荧光大约持续10－6s量级。荧光强度受多种因素影响，比如温度、酸度、溶剂、溶剂中溶解的氧气量等等。但最主要的因素还是激发光强度和荧光物质浓度。根据Beer定理，某荧光物质经一定波长的光激发后发射的荧光强度为
F=kP0(1-10-εcb) (2—1)
其中k为常数；P0为激励光光强；c为荧光物质浓度；b为光束之高阁路径介质长度；ε为油品摩尔吸收系数。
当εcb＜0．05时，展开上式，忽略高次项后，则
　　F＝2．3 kεcbP0（2—2）
只要确定k、P0、b、ε、c就可以计算出荧光强度F。在εcb＜0．05时，荧光强度与浓度成线性关系，当浓度达到εcb＞0．05时，非线性关系增强，线性度下降，荧光强度趋于饱和。实际上是由于高浓度下产生了荧光猝灭现象的缘故，浓度越大，猝灭的可能性越大。
　　在输油首站顺序输送的油品界面间注入一定量的荧光溶液［5］，该溶液在两种油品界面处随油品的扩散而扩散存在于混油中，因此，混油的荧光强度就与其浓度成正比。在下游的接收站用荧光检测仪对油流进行检测，当荧光强度达到一定值时，也就表示混油达到了一定浓度，由此就可以确定切割位置。设定一定的浓度值（也就是荧光强度），当测量值达到设定值时，阀门动作，进行切割操作。
3　系统工作原理　　
　　系统包括一个光纤传感器和一个信号处理系统。传感器工作原理框图如下：



                    　　
荧光光纤传感器的光纤有两个作用［6］，一是激发光的功率传输，另一个是对荧光的收集。光源发出的激励光经过一定波长的滤光片滤光后，经光纤耦合器耦合到激励光纤，然后通过光纤到达传感头；混油流经传感头时，荧光物质在光源的照射下吸收能量，其分子发生能量跃迁而释放荧光。激发出的荧光又反射到接收光纤，经过滤光后被分成波长为λ1和λ2的两路光（一路光作为参考光，一路光作为信号光，以消除光源功率波动的影响），分别由检测器1和检测器2检测。检测器通过光电倍增管把光信号转换成电信号，电信号经I／V变换和放大后被转换成数字信号，送往计算机进行分析处理，并输出结果。
　　滤光片的作用就是让一定波长的光波通过，而其它波长的光波截止。光源处的滤波就是只让能激发荧光的激发光波通过；而反射光的滤波则是为了滤除油品本身故有的荧光。因为很多油品都天然具有荧光，尤其是柴油，其荧光很强。为避免天然荧光的干扰，应选择合适的激发光，使发射光波长与油品天然荧光波长不一样，能够被滤光片区分开。 

                                   
                 
4　传感器的安装　　
　　如果传感器安装在主管线，安装、校准和维护都比较困难，维护时主管线必须停输，主管道传送的停工意味着损失，这是管道公司不愿意看到的结果。所以，应该另接旁路管道，将传感器安装在管线旁路。如图4—1所示：


                            　
　在主管道上通过三路阀安装一小段管道，传感器就安装在这段管道上。管线正常运行时，油流经过阀门，一部分流入旁路管，传感器和检测系统对其进行检测。维护检修时，通过三路阀将该旁路管线关闭即可，并不影响主管道的运行。另外，也容易控制旁路流体条件，这有利于检测的准确性；当管线采用清管器进行清管工作时，也不会有任何影响，传感器照常工作。
　　由于光纤可以很方便的实现远距离信号传输，检测部件和数据处理部分可以安装在便于操作管理的地方。
5　结束语　　
　　采用荧光标记法检测输油管道中油品界面时，尽管荧光物质对油品品质没有影响，但还是尽量减少其使用量。为保证界面的精确，要求能检测到管道中浓度低达20ppm的荧光物质；由于荧光无方向性。这就要求检测系统有很高的灵敏度。另外，由于油品天然荧光的影响，对激发光波波长也有较高的要求。根据已有的经验，荧光物质发射波长为485NM的可见光波效果较佳。当然，荧光标识法不能检测到油品种类，但现在发达的通讯手段可以解决这一问题。首站在发油时就通知接收站是何种油品，检测系统只需要检测界面位置即可。
［参考文献］
［1］［苏］M．B．卢里耶，等．成品油顺序输送最优化［M］．石油工业出版社．
［2］　王惠文．光纤传感技术与应用［M］．国防工业出版社2001．
［3］　李毛和，张美敦．用于海洋测量的化学和生物光纤传感器［J］．光纤传感技术介绍，2000（3）．
［4］　Grattan KT V，Palmer A W．Fluorescence Lifetime and Its
Application［J］．Advance in Fluorescence Sensing Technolo－gy．1993（11）．
［5］　Jeffares，G．M．and Northen，B．H．Jr．Interface Detection Sys－tems Tested［J］．Oil and GasJournal．1973（5）．
［6］　郑宏军，黎忻，杨恒新．两种典型的光纤传感器研究现状与发展趋势［J］．传感技术学报，2001（12）．