車載天然氣泄漏檢測裝置的結構設計

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(1.中國安全生產科學研究院，北京 100012；2.重大危險源監控與事故應急技術國家安全監管總局重點實驗室，北京 100012；3.中國石油大學(北京)，北京 102249)

車載天然氣泄漏檢測裝置的結構設計

賀行政1，2，李旭明1，3，康榮學1，梁偉3，任貴文1

(1.中國安全生產科學研究院，北京 100012；2.重大危險源監控與事故應急技術國家安全監管總局重點實驗室，北京 100012；3.中國石油大學(北京)，北京 102249)

為了設計出靈敏高效的車載天然氣泄漏檢測裝置，分析了國內外天然氣泄漏檢測系統的發展現狀，選擇可調諧半導體激光器技術(TDLAS)作為檢測系統結構的設計基礎。根據車載系統移動特點，選擇合適的氣體采集方式以構建檢測系統的整體設計方案。對該裝置的光路結構進行了創新設計，即，調制激光器的掃描信號，通過使用HITRAN數據庫選擇甲烷的吸收譜線，設計精密溫控模塊，并用不同體積分數的甲烷氣體充入標定池中進行試驗，證明其合理性。原理性工程測試結果表明，該裝置具有檢測靈敏度高、防爆性能良好、結構簡單等優點，在天然氣管道泄漏檢測領域可以推廣使用。

天然氣；泄漏檢測；TDLAS；光路結構

Abstract：In order to design a sensitive and efficient vehicle natural gas leak detection device，in this paper the development status of domestic and international gas leak detection system are analyzed，tuneable diode laser technology (TDLAS) as the basis for the design of the detection system is chosen.According to the moving characteristics of the vehicle system，it selects the appropriate gas acquisition method to build the overall design of the detection system.The innovative design of the optical path structure is carried out.It is modulated laser scanning signal，selected the absorption spectrum of methane by using HITRAN database，designed a precision temperature control module，and used different concentrations of methane gas into the calibration tank for testing to prove its rationality.After the principle of Engineering Testing，the results show that the device has the advantages of high sensitivity，good explosion-proof performance，simple structure and so on.The device can be widely used in the field of natural gas pipeline leakage detection.

Keywords：natural gas；leak detection；TDLAS；optical path structure

天然氣在管道運輸過程中易發生泄漏，在處于封閉環境中的甲烷濃度達到危險值時，遇到火星或靜電就會發生爆炸。石油天然氣管道泄漏事故不但會造成巨大的人員傷亡和財產損失，而且將嚴重危及社會安全。天然氣泄漏檢測系統的研發是阻止這類災害發生的重要手段[1]。國外早期的車載天然氣檢測設備笨重、昂貴，真正商業應用還是以火焰離子法為主。近十多年來，可調諧半導體激光器技術不斷成熟，在車載系統檢測領域應用廣泛。美國PERGAM-SUISSE AG公司生產的SELMA MPB系統的測量范圍為0.71×10-1～0.67×103kg/m3(0.1～1 000 ppm，ppm為體積濃度)，檢測時間為0.08 s，屬于泵吸式；美國HEATH CONSULTANTS的OMD產品系列測量范圍為0.67～1.33×102kg/m3(1～200 ppm)，屬于掃掠式；德國ESDER的EGC產品系列測量范圍為0～2.67×104kg/m3(0～40 000 ppm)，檢測時間為2～3 s，屬于泵吸式。近幾年，國內在車載天然氣泄漏檢測領域的應用才起步，各地燃氣公司所引進的國外進口產品大多采用泵吸式檢測[2]。泵吸式是對待測區域氣體進行抽氣采樣，此方式需要考慮到泵的流量和車速，并且耗時長。針對這一現狀，國內首創研發了使用TDLAS技術的車載天然氣泄漏檢測系統，該系統采用自然擴散的收集氣體形式進行結構設計，傳感器只需放置在空氣中有效距離內，具有檢測速度快、準確率高、結構合理、適用多種作業場合、設備方便清洗等優點。

1 具有TDLAS技術的氣體檢測裝置工作原理

目前，Hinkley和Reid所提出的測量氣體濃度信息的新方法已經被廣泛采納，而利用該技術的檢測裝置大體可以劃分為3部分：發射端、檢測光路和接收端[3]。工作原理如圖1所示，調整二極管激光器發出的光波，通過準直器準直，在開放光路中掃描某待測氣體的吸收峰，再通過聚焦透鏡匯聚到探測器上以便收集并鎖相放大得到二次諧波信號，最后對信號進行分析就可以得到所關注的氣體濃度信息。

圖1 氣體泄漏檢測裝置的工作原理

使用TDLAS技術進行氣體泄漏檢測具有明顯優勢：TDLAS技術采用的是單一的激光頻率掃描1條獨立的氣體吸收線。為了保障所需線寬，一般選擇在低壓下進行，所以吸收線不會被加寬；該技術具有高選擇性和高靈敏度，利用擅長處理數字信號的數字鎖相來進行二次諧波調節，使波長到達待測氣體分子吸收的特殊區域，而不受其它氣體分子的干擾[4]；在紅外條件下，該技術是對所有可以吸收的氣體分子都有效的通用技術，只需改變激光器和標準器就可以用此設備測量其它氣體組分，改裝成測量多種氣體的儀器[5]；該技術測量速度很快，在不降低靈敏度的同時可以把時間分辨率提高到毫秋量級[6]。以上所述的優良特性使其在分子光譜研究、燃燒過程診斷分析、工業過程監測控制、大氣中痕量污染氣體監測、爆炸檢測、發動機效率和機動車尾氣測量等領域都有廣泛的應用。

2 車載天然氣泄漏檢測系統設計

結合實際場所要求，本裝置應能夠裝載在車上，并可以在雨雪、強風等惡劣環境下工作，在保證工作人員機動性的同時做出準確的檢測。當待測氣體濃度超標后，裝置能夠及時發出警報，工作人員可立即把情況反饋給指揮中心。

2.1檢測裝置整體結構的設計方案

整個裝置設計安裝于車前保險杠的前下方，設備的控制系統放在車內，通過電纜保護套中的電纜與設備通信，控制探測器的開閉。兩塊連接板與基座構成支撐架，光學儀器與支撐架另一端的反射紙固定座與壓蓋上的反射紙構成直接取樣的光路，光學儀器里的探測器接收反射光線，通過電纜保護套與控制系統通信，控制系統對比判斷出入光線的不同，判定被測氣體的含量。光學儀器頭部上的鏡頭前方設有吹氣孔，可以清潔鏡頭，吹氣孔的位置位于探測器鏡頭前方，正對鏡頭處。其中，光學儀器的外套筒保護和平面鏡蓋的保護作用使設備具有防水、防塵性能，能夠在多種惡劣場合作業。裝置整體結構如圖2所示。

圖2 氣體泄漏檢測系統的組成

2.2光路結構設計方案

2.2.1光路機械結構設計

光學子系統采用的是反射式的光路結構，此結構由二極管激光器、PD(PhotoDiode)、迷你準直器、聚焦透鏡和反射紙組成。

激光器經過迷你準直器而形成光束，根據迷你準直器的尺寸在透鏡中心開有圓孔，光束通過透鏡與平面鏡由開放光路射到反射鏡上，又返回到探測器中，以達到延長與外界環境接觸時間、增加光程長度，從而提高探測器的靈敏度。返回的光路再通過聚焦透鏡收集到裝有PD的光敏面板上。在設計方面，平面鏡有一定傾斜度，使光路不會來回反射而影響到接收效果。緊壓平面鏡的是一面帶有相同傾斜角度經過黑化處理的金屬圓環，從而保證圓環的另一面放上透鏡后其圓心在水平位置。考慮到透鏡和環境等因素會使聚焦位置改變，擰緊兩個相互平行的接線頭滑軌，使接線頭安裝板沿滑軌移動，PD到達所需位置。固定完成后安裝防護罩，外套筒的上部打有一圓孔引線，通過接線座將線接入。此外，在探測器不工作時，需要把光敏面板移動到接線頭滑軌的上限位置，然后鎖定其位置，這樣可以方便車載設備的清洗和加強探測器的安全防護。探測器的結構組成如圖3所示。

2.2.2激光器掃描信號調制

TDLAS技術包括直接吸收光譜技術和調制吸收光譜技術。激光器應用波長調制光譜(WMS)技術，通過的電流受到減速的掃描鋸齒信號和加速的高頻正弦信號同時影響。激光器發射的光束經過標定池，吸收信號在峰值附近調諧，其調諧結果通過鎖相放大進行觀測，以得到待測氣體的信息。由此看來，調節吸收光譜比直接吸收光譜技術具有更高的檢測精度，從而減少誤差，用戶對待測氣體做出準確判斷。

本系統應用FPGA控制注入電流以實現對激光器波長的控制，同時由FPGA實現了鎖相放大功能，解調出了二次諧波信號。在光譜吸收線微弱時測量困難，二次諧波能夠提高測量的精度。此種信號通過傳輸通道，采樣TDLAS光譜參數時其強度會衰減，使用250 kHz高頻和16位模擬I/O控制板可以提供更寬的動態范圍。

2.2.3吸收線的選擇和準直器的加工

首先要了解甲烷的吸收光譜，通過使用HITRAN數據庫查詢氣體的吸收譜線獲得。甲烷氣體在近紅外區，溫度為23 ℃，波數為6 000～6 100 cm-1。選擇了幾個強吸收線進行對比[7]，結果如表1所示。

表1 甲烷近紅外區的強吸收線

選擇波數為6 046.96 cm-1，波長為1563.72 nm的甲烷吸收線。在波數為6 000～6 100 cm-1范圍內，其他干擾氣體的吸收峰遠小于1.34 um，所以不會對檢測有影響。

準直器的使用波長為1 563.7 nm±10 nm，輸出光纖類型為單模。為了得到滿足要求的光斑，選擇型號為SMF28e的光纖，其數值孔徑為0.14 mm。根據式(1)得

D=2f×d=2×17.86×0.14=5 mm

(1)

式中：D為光斑的直徑，mm；f為透鏡的聚焦長度，mm；d為光纖的數值孔徑，mm。

光線的透過率保證在99%以上，封裝的外殼外表面不反光，對于從其周圍通過再測量的光線無影響。為了減少反射，光纖接頭選擇FC/APC[8]。外形尺寸如圖4所示。

圖4 準直器外形尺寸

PD可以測量二極管激光器所發出的光強，二者相配合使用[9]。

2.2.4精密溫度模塊設計

考慮到激光器輸出的波長對溫度特別敏感，溫度穩定在0.001 ℃量級是其正常工作的必要保證，所以本裝置采用一個相對獨立的溫控模塊使激光器處于恒溫條件。

本系統中溫控模塊的工作原理為：溫度探測器對被測的物體進行溫度采樣，所獲得溫度信號會反饋到控制芯片中。控制芯片會進行PID算法，把樣本與標準的對比結果轉換為控制信號，通過驅動電路進行信號轉換，得到TEC的驅動電流，驅動電流使TEC做出溫度調整：正向電流表明溫度升高，TEC實現制冷操作，使被控物體溫度降低；反向電流表明溫度降低，TEC實現制熱操作，使被控物體溫度升高。溫度補償技術對系統的穩定至關重要，把溫度模塊放置在車內，以光纖連接控制前端設備[10]。

2.2.5系統測試

為了證明系統測量甲烷氣體濃度與顯示器的波峰成線性關系，對體積分數為0～6%的甲烷氣體進行主要測試。

將標定池抽成真空架在光路上，再灌入不同體積分數的甲烷氣體(因條件限制可以把灌裝甲烷氣體持續充入標定池以排除空氣的方式獲得接近標準的某甲烷氣體體積分數)。圖5所示為甲烷體積分數為5%時數據曲線波動情況。

屏幕左下角的黃色標識為0點，每一小段間隔500 mV。試驗測得，當甲烷氣體體積分數為0%時，在1.50 V位置呈現一條水平帶輕微波動的曲線；體積分數為1%時，呈現出1.65 V的波峰；體積分數為2%時，呈現出1.76 V的波峰；體積分數為3%時，呈現出1.92 V的波峰；體積分數為4%時，呈現出2.04 V的波峰；體積分數為5%時，呈現出2.23 V的波峰；體積分數為6%時，呈現出2.50 V的波峰。由以上測量的波峰數據繪制成分布曲線，如圖6所示。

圖5 甲烷體積分數5%時的曲線波動

圖6 波峰值隨甲烷氣體體積分數變化趨勢

可以看出，數據均勻分布在曲線兩側，滿足隨機誤差理論。整條曲線呈線性上升態勢，證明甲烷氣體體積分數與顯示器顯示的檢測峰值呈線性關系，因此顯示的數據對甲烷氣體體積分數測定具有很大的參考價值。

TDLAS探測器將甲烷氣體體積分數峰值傳輸到控制箱，若超出預設范圍，控制箱里的蜂鳴器會發出報警音以提示工作人員及時處理，實現防爆[11]。

3 天然氣檢測系統的實際應用

結合硬件系統(電源模塊、GPRS通訊模塊等)和軟件系統(報警聲音控制模塊、定位模塊等)，完成了對整個天然氣泄漏檢測系統的設計。本系統在設計完成后做了大量的試驗研究，試驗結果表明該系統具有很好的穩定性，采集的數據準確可靠，能快速發現周圍環境中存在的微量甲烷泄漏，可以快速告知操作人員做出相應處置。

本系統在北京市燃氣管道公司試驗路段開展了原理性工程測試，基本實現了甲烷泄漏檢測的功能要求。試驗過程中，工作人員在城市道路中操作移動巡檢終端移動，同時在道路前方，放置一瓶甲烷氣體，并使其處于微量泄漏狀態，當移動巡檢終端靠近放置有甲烷氣瓶的區域時，移動巡檢終端監測到的甲烷體積分數迅速上升并超過設定的閾值，此時移動終端發出報警聲音，報警燈開始閃爍，同時移動終端將報警時的濃度值、時間、日期、經度、緯度等信息上傳給上位機監控軟件，上位機監控軟件根據報警信息做出相應的提示，告知用戶報警區域控制閥門的編號，用戶根據實際情況做出處置決定[12-14]。

為了證實本裝置的實踐應用價值，在燃氣管道公司允許的情況下對實際地況進行檢測，并成功在北京市望京繁華地段發現了泄漏點，試驗如圖 7所示。

圖7 城市道路檢測試驗

4 結論

1) 采用自然擴散的收集氣體形式進行車載天然氣泄漏檢測系統結構設計，檢測速度快，結果精確度不受車速干擾。

2) 設計了檢測系統的光電檢測部分，通過激光器掃描信號調制得到更精確的待測氣體信息，從而減少誤判。選擇適當氣體吸收線，驗證氣體的吸收峰與體積分數成正比，正確顯示檢測結果。

3) 激光器對溫度要求極高，通過溫度補償技術實現了對系統的恒溫控制。

4) 該裝置對光路結構進行創新設計，延長了光路與外界環境的接觸時間，并通過精密溫度模塊使溫度恒定，達到了快速檢測出超過規定范圍的天然氣，有效發現泄漏點以實現防爆的目的，對于油氣泄漏事故防控、保障企業安全生產和減少事故損失具有重要意義。

5) 該裝置的探頭采用照射式，安裝在車的前方，導致前瞻性欠佳。根據車身的結構特性，今后可以對裝置的結構設計進行進一步改良，深入對采取掃掠式與照射式的探頭相結合的方向進行研究[15]，開發出更加適合我國國情的車載天然氣泄漏檢測裝置。

[1] 王國磊，田貫三，張增剛，等．燃氣泄漏擴散過程的模擬研究[J].山東建筑大學學報，2010，25(6)：576-580.

[2] 董曉舟.車載激光天然氣泄漏檢測系統應用研究[D].濟南：山東大學，2014.

[3] 何祥林，潘勇剛.TDLAS技術的發展現狀及其應用研究[J].鄂州大學學報，2017(1)：102-104.

[4] 劉中亮.基于TDLAS的甲烷氣體監測系統的設計[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[5] 潘紅帥.基于TDLAS技術的甲烷濃度實時監測系統的研究與設計[D].北京：中國礦業大學，2015.

[6] 朱偉光.城市燃氣泄漏檢測的新方法及其運用[J].黑龍江科學，2014，5(4)：96-96.

[7] 胡慧鋪，徐曉潔，張阿宏，等.HITRAN數據庫在甲烷檢測儀開發中的應用[J].微計算機信息，2008，24(28)：204-205.

[8] 吳小鋼.單模無偏準直器的設計與制作[J].光纖與電纜及其應用技術，2004，(5)：5-8.

[9] 董鳳忠，闞瑞峰，劉文清，等.可調諧二極管激光吸收光譜技術及其在大氣質量監測中的應用[J].量子電子學報，2005，22(3)：315-325.

[10] 楊杰文.基于調諧激光吸收光譜技術的氣體檢測系統研究及優化[D].天津：天津大學，2009.

[11] 闞瑞峰，劉文清，張玉鈞，等.基于可調諧激光吸收光譜的大氣甲烷監測儀[J].光學學報，2006，26(1)：7-70.

[12] 吳曉南，胡鎂林，商博軍，等.城市燃氣泄漏檢測新方法及其應用[J].天然氣工業，2011，31(9)：98-101.

[13] 董鳳忠，劉文清，劉建國，等.機動車尾氣的道邊在線實時監測(上)[J].測試技術學報，2005，19(2)：119-127.

[14] 董鳳忠，劉文清，劉建國，等.機動車尾氣的道邊在線實時監測(下)[J].測試技術學報，2005，19(3)：237-244.

[15] 王國龍.天然氣汽車氣體泄漏檢測系統的設計[J].林業機械與木工設備，2016，44(11)：30-33.

StructuralDesignofVehicleMountedNaturalGasLeakDetectionSystem

HE Xingzheng1，2，LI Xuming1，3，KANG Rongxue1，LIANG Wei3，REN Guiwen1

(1.ChinaAcademyofSafetyScienceandTechnology，Beijing100012，China；2.StateKeyLaboratoryofMajorHazardMonitoringandEmergencyResponseTechnology，Beijing100012，China；3.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

TE937

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.016

1001-3482(2017)05-0075-05

2017-03-17

國家科技支撐計劃課題(#2015BAK16B03)；中國安全生產科學研究院基本科研業務經費項目(#2016JBKY05，2017JBKY08)；安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(#zhishu-0006-2015AQ、#zhishu-0003-2016AQ)

賀行政(1966-)，男，安徽人，高級工程師，研究方向：設備及系統安全，E-mail：hygehy@126.com 。