摘　要：對(duì)天然氣泄漏檢測(cè)方法和設(shè)備研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，重點(diǎn)討論光纖吸收法和光干涉法檢測(cè)天然氣的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、相應(yīng)檢測(cè)儀器的研發(fā)進(jìn)展。?

關(guān)鍵詞：天然氣泄漏檢測(cè)；??甲烷檢測(cè)；??光纖吸收法；??光干涉法

Abstract：The research status of natural gas?leak detection methods and equipment is reviewed．The principles，advantages and disadvantages of optical?fiber absorption method and light interference method?for detection of natural gas，and the researeh progress?of the corresponding detection instrument are discussed．

Keywords：natural gas leak detection；methane detection；optical fiber absorption method；light?interference methnd

?

天然氣作為清潔能源，在發(fā)電、城市燃?xì)饧肮I(yè)燃?xì)獾阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。天然氣的應(yīng)用減少了大氣污影有利于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活的重要保障能源之一，隨著國(guó)家出臺(tái)擴(kuò)大內(nèi)需政策而加大對(duì)城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度，我國(guó)天然氣行業(yè)的發(fā)展得到越來越高的重視^[1-2]；。在天然氣輸送及使用過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)燃?xì)庑孤┣闆r，燃?xì)庑孤┊a(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，如果采取措施不及時(shí)，會(huì)造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。近年來，我國(guó)各地煤氣中毒、天然氣爆炸事故時(shí)有發(fā)生。在日常生活中，使用燃?xì)獠划?dāng)造成的天然氣泄漏、人員中毒傷亡事故更是屢見不鮮。因此，如何實(shí)現(xiàn)滅然氣泄漏的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)越來越成為人們普遍關(guān)注的問題^[3-4]。天然氣的主要成分為烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，因此，對(duì)天然氣泄漏檢測(cè)實(shí)質(zhì)上就是對(duì)甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)。目前，檢測(cè)甲烷的方法主要有光纖吸收法、光干涉法、熱催化法等^[5-9]，檢測(cè)甲烷的儀器主要有光干涉法甲烷檢測(cè)儀、光纖吸收法甲烷檢測(cè)儀。

光纖吸收法是目前研究應(yīng)用的重點(diǎn)，是天然氣檢漏技術(shù)的發(fā)展方向，其基本原理是Beer-Lambert定理^[5]。光是由光子組成的，當(dāng)氣體受到光束照射時(shí)，該氣體分子就會(huì)選擇性地吸收某些特定頻率的光子。氣體分子吸收光子會(huì)引起透射光的強(qiáng)度變小，特定波長(zhǎng)的平行光透過一定厚度的氣體，則出射光的強(qiáng)度與氣體體積分?jǐn)?shù)有一定的函數(shù)關(guān)系，利用這種函數(shù)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)。根據(jù)具體測(cè)量原理的不同，光纖吸收法可以分為以下3類。

①調(diào)諧檢波式

原理是通過外加電流對(duì)光源進(jìn)行止弦調(diào)制，然后對(duì)從氣室(收集、儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)氣體或被檢測(cè)氣體的腔體)中射出的光信號(hào)進(jìn)行分析，從而獲得甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)的值^[10]。這種方法可以有效消除各種系統(tǒng)噪聲和干擾，具有較低的檢測(cè)下限，是較為先進(jìn)的氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)方法。該方法的光源可以采用發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)，也可以采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(Distributed Feed Back Laser Device，DFBLD)。LED光源存在帶寬較大、單色性較差、檢測(cè)下限較高等問題，因此，在使用過程中需要對(duì)輸入的非單色光進(jìn)行波長(zhǎng)挑選和帶寬壓縮，以提高其單色性。相比于LED光源，DFBLD光源具有功率大、譜線窄和單縱模(是指諧振腔內(nèi)只有單一縱模即單一頻率)進(jìn)行振蕩運(yùn)行等特點(diǎn)，并且可以通過改變溫度和外加電流來調(diào)整輸出波長(zhǎng)。該法在選擇性、檢測(cè)下限、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間和信噪比等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是光纖氣體傳感器的首選光源。但DFBLD光源仍然存在與光纖耦合處的干涉、衍射等損耗，造成價(jià)格較高等問題，影響了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

②差分吸收式

根據(jù)采用差分技術(shù)的環(huán)節(jié)不同，差分吸收式又可分為以下3種方式。a．采用一組光源，待測(cè)氣室和參考?xì)馐覟閮蓚€(gè)機(jī)構(gòu)相同的氣室。b．采用同一LED光源，一個(gè)氣室。光源通過分束器得到發(fā)光強(qiáng)度均勻的兩束光，然后分別經(jīng)濾光器選取出處于吸收峰的測(cè)量波和不在吸收峰的參考波。c．采用同一LED光源，通過濾光片切換裝置(該裝置上安裝有中心波長(zhǎng)為測(cè)量波波長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)為參考波波長(zhǎng)的兩個(gè)干涉濾光片)，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，使測(cè)量波和參考波的光依次通過氣室，實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，降低檢測(cè)下限。

該方法具有較高的測(cè)量精度，其原因在于能夠消除環(huán)境干擾造成的系統(tǒng)誤差^[11]。在差分檢測(cè)中，存在光電檢測(cè)及信號(hào)采集系統(tǒng)體積較大、不易攜帶的問題。

③直接吸收式

采用單光源LED，單氣室，由于氣室出氣口接有真空泵，可將氣室抽真空，通過測(cè)量抽真空前后氣室的吸光度計(jì)算氣體體積分?jǐn)?shù)^[12]。該法的體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)下限可達(dá)1.3×10^-3，目前仍有研究表明，通過提高入射光功率和氣室長(zhǎng)度，可以進(jìn)一步降低其檢測(cè)下限值。該法的缺點(diǎn)是LED光源受驅(qū)動(dòng)電流和溫度影響較大，需采用恒定電流電源供電。

光干涉法是一種基于等厚干涉原理的測(cè)量方法^[13]。根據(jù)光通過氣體介質(zhì)的折射率隨氣體的密度不同而改變的性質(zhì)，以空氣室和甲烷室都充入相同狀態(tài)的新鮮空氣時(shí)產(chǎn)生的條紋為基準(zhǔn)，當(dāng)甲烷室充入含有甲烷的氣體時(shí)，由于密度的改變會(huì)引起折射率的變化，光程也就隨之發(fā)生變化，從而引起干涉條紋位移(移動(dòng))，從目鏡可以看到干涉條紋移動(dòng)的距離。當(dāng)空氣室和甲烷室的溫度及壓力相等時(shí)，光干涉條紋的移動(dòng)距離與甲烷體積分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系，可以根據(jù)干涉條紋的移動(dòng)距離測(cè)得甲烷的體積分?jǐn)?shù)。

該方法檢測(cè)時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，測(cè)量精度較高，相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器便于攜帶，是我國(guó)煤礦瓦斯檢漏的主要手段之一。但現(xiàn)有的儀器存在測(cè)量步驟繁瑣，人為誤差較大的缺點(diǎn)。

熱催化法是基于特定的催化劑在一定條件下能夠使甲烷燃燒的檢測(cè)方法。其原理是當(dāng)含有甲烷的空氣遇到涂有熱催化劑鉑絲時(shí)(鉑絲由工作電流加熱到一定溫度)，甲烷接觸到催化劑，呈無煙燃燒，放出燃燒熱，鉑絲的溫度隨之升高，從而導(dǎo)致鉑絲的電阻明顯增加，輸出一定的電壓，依據(jù)輸出電壓的不同對(duì)甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè)。熱催化法的優(yōu)點(diǎn)是載體催化元件在甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)較低的環(huán)境下性能比較穩(wěn)定，零點(diǎn)漂移小，精度高。目前，在便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀的傳感器頭及煤礦礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中大多采用載體催化元件。但當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)高于9.5％時(shí)，甲烷不能充分燃燒，載體催化元件的電阻變化較小，傳感器指標(biāo)輸出數(shù)據(jù)隨之變小，易造成測(cè)量誤差^[14]。另外，外界環(huán)境、使用條件變化及元件自身催化活性下降，都會(huì)使敏感元件檢測(cè)下限升高，從而降低檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，熱催化法比較適用于甲烷體積分?jǐn)?shù)較低的情況(一般低于4％)。