摘　要：對天然氣泄漏檢測方法和設(shè)備研究現(xiàn)狀進行綜述，重點討論光纖吸收法和光干涉法檢測天然氣的原理、優(yōu)缺點、相應檢測儀器的研發(fā)進展。

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

Research Status of Natural Gas Leak Detection Technology

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

1　概述

天然氣作為清潔能源，在發(fā)電、城市燃氣及工業(yè)燃氣等領(lǐng)域得到了廣泛應用。天然氣的應用減少了大氣污影有利于經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是國民經(jīng)濟發(fā)展及人民生活的重要保障能源之一，隨著國家出臺擴大內(nèi)需政策而加大對城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度，我國天然氣行業(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，有時會出現(xiàn)燃氣泄漏情況，燃氣泄漏產(chǎn)生嚴重的安全隱患，如果采取措施不及時，會造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。近年來，我國各地煤氣中毒、天然氣爆炸事故時有發(fā)生。在日常生活中，使用燃氣不當造成的天然氣泄漏、人員中毒傷亡事故更是屢見不鮮。因此，如何實現(xiàn)滅然氣泄漏的快速、準確檢測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，對天然氣泄漏檢測實質(zhì)上就是對甲烷氣體體積分數(shù)的檢測。目前，檢測甲烷的方法主要有光纖吸收法、光干涉法、熱催化法等^[5-9]，檢測甲烷的儀器主要有光干涉法甲烷檢測儀、光纖吸收法甲烷檢測儀。

2　甲烷檢測方法

2．1　光纖吸收法

光纖吸收法是目前研究應用的重點，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，當氣體受到光束照射時，該氣體分子就會選擇性地吸收某些特定頻率的光子。氣體分子吸收光子會引起透射光的強度變小，特定波長的平行光透過一定厚度的氣體，則出射光的強度與氣體體積分數(shù)有一定的函數(shù)關(guān)系，利用這種函數(shù)關(guān)系可以實現(xiàn)甲烷氣體體積分數(shù)的檢測。根據(jù)具體測量原理的不同，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光源進行止弦調(diào)制，然后對從氣室(收集、儲存標準氣體或被檢測氣體的腔體)中射出的光信號進行分析，從而獲得甲烷氣體體積分數(shù)的值^[10]。這種方法可以有效消除各種系統(tǒng)噪聲和干擾，具有較低的檢測下限，是較為先進的氣體體積分數(shù)檢測方法。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、檢測下限較高等問題，因此，在使用過程中需要對輸入的非單色光進行波長挑選和帶寬壓縮，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)進行振蕩運行等特點，并且可以通過改變溫度和外加電流來調(diào)整輸出波長。該法在選擇性、檢測下限、動態(tài)范圍、響應時間和信噪比等方面具有明顯優(yōu)勢，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，造成價格較高等問題，影響了其在實際生產(chǎn)中的應用。

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，待測氣室和參考氣室為兩個機構(gòu)相同的氣室。b．采用同一LED光源，一個氣室。光源通過分束器得到發(fā)光強度均勻的兩束光，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為測量波波長和中心波長為參考波波長的兩個干涉濾光片)，由單片機控制步進電機，使測量波和參考波的光依次通過氣室，實現(xiàn)差分測量，提高測量準確度，降低檢測下限。

該方法具有較高的測量精度，其原因在于能夠消除環(huán)境干擾造成的系統(tǒng)誤差^[11]。在差分檢測中，存在光電檢測及信號采集系統(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，通過測量抽真空前后氣室的吸光度計算氣體體積分數(shù)^[12]。該法的體積分數(shù)檢測下限可達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度，可以進一步降低其檢測下限值。該法的缺點是LED光源受驅(qū)動電流和溫度影響較大，需采用恒定電流電源供電。

2．2　光干涉法

光干涉法是一種基于等厚干涉原理的測量方法^[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)的新鮮空氣時產(chǎn)生的條紋為基準，當甲烷室充入含有甲烷的氣體時，由于密度的改變會引起折射率的變化，光程也就隨之發(fā)生變化，從而引起干涉條紋位移(移動)，從目鏡可以看到干涉條紋移動的距離。當空氣室和甲烷室的溫度及壓力相等時，光干涉條紋的移動距離與甲烷體積分數(shù)成正比關(guān)系，可以根據(jù)干涉條紋的移動距離測得甲烷的體積分數(shù)。

該方法檢測時具有較高的穩(wěn)定性，測量精度較高，相應的測量儀器便于攜帶，是我國煤礦瓦斯檢漏的主要手段之一。但現(xiàn)有的儀器存在測量步驟繁瑣，人為誤差較大的缺點。

2．3　熱催化法

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方法。其原理是當含有甲烷的空氣遇到涂有熱催化劑鉑絲時(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)輸出電壓的不同對甲烷氣體體積分數(shù)進行檢測。熱催化法的優(yōu)點是載體催化元件在甲烷氣體體積分數(shù)較低的環(huán)境下性能比較穩(wěn)定，零點漂移小，精度高。目前，在便攜式甲烷檢測報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。但當甲烷體積分數(shù)高于9.5％時，甲烷不能充分燃燒，載體催化元件的電阻變化較小，傳感器指標輸出數(shù)據(jù)隨之變小，易造成測量誤差^[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，都會使敏感元件檢測下限升高，從而降低檢測數(shù)據(jù)的準確性。因此，熱催化法比較適用于甲烷體積分數(shù)較低的情況(一般低于4％)。

2．4　甲烷檢測的其他方法

①容積式甲烷測定法

該法利用甲烷在催化元件上燃燒而引起燃燒室容積(當燃燒室為固體材料時，燃燒室容積的變化是隨活塞的移動而改變)變化來檢測甲烷的體積分數(shù)。容積式甲烷測定法具有測定精度高的優(yōu)點，但也存在測定所用時間較長、構(gòu)造復雜的缺點。

②壓力式甲烷測定法

該法利用甲烷在催化元件上燃燒而引起的燃燒室壓力變化來檢測甲烷的體積分數(shù)。壓力式甲烷測定儀的優(yōu)點是構(gòu)造簡單，缺點是測量精度較低。

③甲烷檢定燈法

該法在測試過程中，根據(jù)甲烷體積分數(shù)不同引起燃燒火焰的長度變化來檢測甲烷體積分數(shù)。該法的優(yōu)點是能在缺氧狀態(tài)下測量甲烷體積分數(shù)，并且該類儀器結(jié)構(gòu)簡單。但該法的缺點是測量精度低，不能測高體積分數(shù)的甲烷，而且檢測時若操作人員方法控制不當，很容易引起爆炸，因此使用該法測量甲烷時安全性較差。

④密度差式甲烷測定法

該法利用甲烷與空氣的密度差產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)翼角速度(本文中指甲烷氣體以回轉(zhuǎn)半徑每秒掃過的角度)的變化來測量甲烷體積分數(shù)。該方法具有結(jié)構(gòu)牢固的優(yōu)點，但存在裝置體積較大、測量精度較低的缺點。

⑤熱導式測定法

該法利用甲烷體積分數(shù)變化所引起的相對空氣熱導率的變化規(guī)律來測定甲烷體積分數(shù)。該法測量低體積分數(shù)甲烷精度很低，并且受雜質(zhì)氣體影響大^[15]。

3　甲烷檢測儀器

目前，常用的甲烷檢測儀器主要有兩類：一類是光干涉法甲烷檢測儀，其利用甲烷與空氣對光折射率的不同而產(chǎn)生不同的干涉條紋偏移量，而此偏移量的大小與甲烷體積分數(shù)成比例的關(guān)系；另一類是光纖吸收法甲烷檢測儀，其利用甲烷氣體的光譜吸收特性測定甲烷的體積分數(shù)。

3．1　光干涉法甲烷檢測儀

光干涉法傳感器是根據(jù)光干涉法的測量原理制備而成。l930年，日本的遷二郎博士經(jīng)過長期研究，發(fā)明了第一臺光干涉法甲烷檢測儀。1954年，我國引進了該設(shè)備，并研發(fā)了AQG-l型、GWI-1型、AQG-2型等儀器。目前，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)、互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)作為光電轉(zhuǎn)換器件應用到甲烷檢測儀中，提高了測量的精度。近年來，隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，單片機、數(shù)字信號處理(Digital Signal Process，DSP)、開發(fā)板等嵌入式系統(tǒng)被應用于儀器儀表中進行信號處理是行業(yè)未來發(fā)展趨勢。光干涉法甲烷檢測儀主要的優(yōu)點是使用壽命長。但是這種檢測儀選擇性較差，易受氧氣和二氧化碳含量的影響，還容易受溫度和氣壓影響產(chǎn)生誤差，可靠性、穩(wěn)定性稍差。

3．2　光纖吸收法甲烷檢測儀

在線檢測(實時檢測)儀器研究和應用方面，國外起步較早，并已取得較多成果。其中光纖吸收法甲烷檢測儀是應用最普遍的儀器，該儀器是根據(jù)Beer-Lambert定理進行甲烷氣體檢測。1979年，同本的H．Inaba等提出用長距離光纖進行大氣污染監(jiān)測的光纖系統(tǒng)，對甲烷進行在線檢測，可檢測到的甲烷體積分數(shù)下限為甲烷爆炸下限的25％^[16]。T．Nakaya等人于2000年以波長為1.66×10^-12m的激光器為光源，對大氣中甲烷體積分數(shù)進行了連續(xù)監(jiān)測研究^[17]。

雖然DFBLD光源大幅提高了氣體傳感器的檢測精度，但其較高的成本使其難以應用。我國對這方面的研究始于20世紀80年代末，起步較晚。1997年，曹茂永等研究了吸收光譜式光纖瓦斯傳感器，并提出了該類傳感器技術(shù)指標及基本參數(shù)的確定方法^[18]。2000年，葉險峰等進行了甲烷氣體體積分數(shù)檢測的研究，該研究采用波長為1.3×10^-6m通信波段LED作為光源，配合閃耀光柵的技術(shù)對甲烷氣體體積分數(shù)進行檢測^[19]。2005年，林楓等將超輻射發(fā)光二極管應用到甲烷的差分吸收測量研究中，該技術(shù)對甲烷體積分數(shù)的檢測下限達到1×10^-3[20]。光纖氣體傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了由寬帶光源到利用窄帶可調(diào)諧光源的過程。在發(fā)展過程中，其檢測下限逐步降低，單點測量成本也逐漸降低。隨著光纖傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，基于光纖的氣體傳感技術(shù)也會越來越完善。

4　結(jié)語

甲烷檢測方法和技術(shù)的發(fā)展對我國天然氣的安全使用具有重大意義。現(xiàn)有的甲烷檢測方法中，光干涉法和光纖吸收法由于具有檢測下限低、響應快、不易受其他氣體干擾等優(yōu)點，成為甲烷檢測的主要方法。光干涉法甲烷檢測儀和光纖吸收法甲烷檢測儀是甲烷檢測儀發(fā)展的主要方向。并且，隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是新型光源、探測器和光學器件的出現(xiàn)，光干涉法甲烷檢測儀和光纖吸收法甲烷檢測儀在甲烷的快速、準確檢測中將得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]薛凱喜，胡艷香，潘貴生，等．我國天然氣行業(yè)發(fā)展態(tài)勢[J]．煤氣與熱力，2011，31(12)：B32-B37．

[2]李佩銘，焦文玲，宋漢成，等．我國液化天然氣應用與推廣[J]．煤氣與熱力，2008，28(1)：B25-B28．

[3]陳立．城市燃氣技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．煤氣與熱力，2007，27(12)：56-58．

[4]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(yè)，2009，31(9)：98-101．

[5]鐘春蘭．光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究和設(shè)計(碩士學位論文)[D]．廈門：廈門大學，2009：1-20．

[6]管立君．基于近紅外吸收原理的甲烷濃度檢測研究(碩士學位論文)[D]．秦皇島：燕山大學，2008：2-10．

[7]張婭玲，李泉明，趙勝利，等．便攜式甲烷激光遙感探測儀在天然氣泄漏檢測的應用[J]．城市燃氣，2010(8)：9-11．

[8]陳俊英．基于嵌入式技術(shù)的甲烷檢測儀的研制(碩士學位論文)[D]．廈門：廈門大學．2008：1-7．

[9]張景超，管立君，肖長江，等．基于諧波檢測原理的雙光路CH4檢測研究[J]．光電子·激光，2007．18(12)：1442-1444．

[10]王書濤，劉瑾，車仁生，等．一種基于諧波檢測技術(shù)的光纖甲烷氣體傳感器[J]．應用光學，2004，25(2)：44-47．

[11]米新江，許愛東，王英華，等．分時差分式光纖甲烷氣體檢測儀的研制[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2003(6)：12-14．

[12]葉險峰，湯偉中．CH4氣體光纖傳感器的研究[J]．半導體光電，2000(6)：218-220．

[13]王佳木．嵌入式光干涉甲烷檢測儀設(shè)計(碩士學位論文)[D]．合肥：合肥工業(yè)大學，2007：1-4．

[14]樊雪梅．淺談熱催化燃燒式甲烷傳感器檢測瓦斯的適用性[J]．同煤科技，2009(3)：19-20．

[15]貪榮先，史惠昌．建井通風與安全[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，l980：161．

[16]CHAN K．10km-long fiber-optic reinote sensing of CH4 gas by near infrared absorption[J]．Applied Phvsies，1985(12)：11-15．

[17]NAKAYA T．Continuous monitoring of theⅡlethane concentration in the atmosphere by IR spectrometry with 1.66pm diode laser[J]Analytical Sciences，2000(6)：1211-1214．

[18]曹茂永，張逸芳，張二昌，等．吸收光譜式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設(shè)計[J]．煤炭學報，1997，22(3)：280-283．

[19]葉險峰，湯偉中．CH4氣體光纖傳感器的研究[J]．半導體光電，2000，21(3)：215-220．

[20]林楓，蔡海文，夏志平，等．光纖光柵濾波的瓦斯傳感系統(tǒng)的研究[J]．中國激光，2005，4(32)：549-552．

本文作者：楊孟喬  白莉

作者單位：吉林建筑大學