袁少輝，劉應(yīng)乾，殷海濤

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心（陜西西安710018）

紅外探測技術(shù)在氣體泄漏監(jiān)測中的應(yīng)用

袁少輝，劉應(yīng)乾，殷海濤

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心（陜西西安710018）

氣體探測系統(tǒng)主要是用來監(jiān)測環(huán)境里危險(xiǎn)氣體的含量，保護(hù)工作人員、生產(chǎn)設(shè)備以及周圍環(huán)境，但是只有合理的選擇氣體探測器，才能起到最大的保護(hù)作用。分別介紹了點(diǎn)型、線型、面型氣體探測器及其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)提出了根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境將點(diǎn)、線、面氣體探測器系統(tǒng)結(jié)合的面域氣體監(jiān)控思路。

面域氣體探測；線型氣體探測器；激光氣體遙測儀

隨著工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，各種易燃易爆氣體應(yīng)用范圍大大增加，而這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存和使用過程中發(fā)生的爆炸、火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生。國家和各企業(yè)對于安裝氣體探測器越來越重視，但是目前氣體探測器的種類非常多，如何選擇合適的氣體監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要，它關(guān)系著現(xiàn)場工作人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全。

氣體探測器根據(jù)測量空間的不同可分為點(diǎn)型氣體探測器、線型氣體探測器和面型氣體探測器。氣體探測技術(shù)在國外已有幾十年的歷史，國內(nèi)的氣體探測技術(shù)起步較晚，但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，與國外的差距也在逐漸減小。目前國內(nèi)已經(jīng)具備點(diǎn)型、線型和面型等多種氣體檢測技術(shù)。工業(yè)場合使用的氣體探測器，主要還是點(diǎn)型氣體探測器。線型和面型氣體探測器是針對點(diǎn)型氣體探測器的不足而出現(xiàn)的比較新型的氣體探測器。

1 點(diǎn)型氣體探測器

點(diǎn)型氣體探測器一般是基于催化燃燒原理，使用過程中，有壽命短、易中毒、響應(yīng)時(shí)間慢、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。另外，點(diǎn)式探測器是接觸檢測，需要在危險(xiǎn)氣體到達(dá)傳感器，才能被檢測到，探測面積小。通常，可燃?xì)怏w探測器在室外的保護(hù)半徑是15 m；封閉和半封閉的室內(nèi)場所的保護(hù)半徑是7.5 m[1]。但因價(jià)格便宜，應(yīng)用還是非常廣泛，一般只限于在重點(diǎn)位置設(shè)置。

針對催化燃燒原理的不足，出現(xiàn)了點(diǎn)型紅外氣體探測器，例如WD6200。這類探測器有效地克服了壽命短、易中毒的缺點(diǎn)，卻無法克服抗干擾能力差和探測面積小的缺點(diǎn)，應(yīng)用受到了一定的限制。

2 線型氣體探測器

為了確保氣體探測更加及時(shí)和高效，人們進(jìn)行不斷的技術(shù)探索和更新。西格有限公司在1987年率先研發(fā)出第一臺線型開放路徑可燃?xì)怏w探測器，被稱為Searchline。隨后，國內(nèi)外企業(yè)開始了研發(fā)線型氣體探測器，國內(nèi)推出的線型氣體探測器OPGD1000，已經(jīng)成功得到應(yīng)用。

線型氣體探測器構(gòu)成方式有2種，對射式和反射式。對射式由發(fā)射端和接收端組成，分別安裝在待測區(qū)域的兩端，發(fā)射端的光線經(jīng)過對準(zhǔn)調(diào)節(jié)照射到接收端，并被接受處理后，實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域的監(jiān)測。反射式由收發(fā)裝置和反射板組成，將發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)集成在一起，使產(chǎn)品更加簡單穩(wěn)定，并且有效地降低了成本。反射板，通常為角反射鏡，它可以實(shí)現(xiàn)出射光光軸與入射光光軸平行，并且與入射角的變化無關(guān)[2]。

2.1 線型紅外氣體探測器

最先出現(xiàn)的線型氣體探測器是基于紅外吸收原理，采用的光源為高亮度的氙閃燈，代表產(chǎn)品有霍尼韋爾searchline Excel、梅思安xenon800、德爾格Polytron Pulsar等。當(dāng)氙閃燈發(fā)出的高亮度紅外光波長被被測氣體吸收后，測量光的吸收程度就可以得到氣體的濃度。這類探測器由于使用的氙閃燈，光譜范圍比較寬，具有了普通紅外氣體探測器的通用缺點(diǎn)，例如響應(yīng)時(shí)間慢，抗氣體干擾能力差，特別是抗水汽干擾等，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用場所。

2.2 線型激光氣體探測器

針對線型紅外氣體探測器的不足，研發(fā)出了線型激光氣體探測器。采用先進(jìn)的TDLAS可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的波長掃描和電流調(diào)諧的特性，選取待測氣體的特征吸收線，具有非接觸、高靈敏度、高分辨率、和高選擇性等特點(diǎn)。他是一種重要的痕量氣體探測技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)在氣體探測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。線型激光氣體探測器一般選用的光源為DFB可調(diào)諧激光器，該光源單色性好，線寬一般小于10 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被測氣體的吸收譜線寬度，從根本上消除了氣體干擾的問題。

線型激光氣體探測器具有一系列優(yōu)點(diǎn)：①檢測覆蓋區(qū)域廣，線型氣體探測器的檢測距離可以達(dá)到5～200m，比較適合大范圍開放空間；②檢測速度快，線型氣體探測器一般采用紅外光譜吸收的原理，響應(yīng)速度比采用催化燃燒、電化學(xué)等原理的氣體探測器要快；③選擇性好，線型激光氣體探測器采用的是窄帶DFB可調(diào)諧激光器，波長純度好，只對單一氣體敏感，不受其他氣體干擾；④對探測器安裝位置沒有要求，線型氣體探測器檢測的是開放式的空間，其安裝位置非常靈活，不會影響氣體檢測的質(zhì)量；⑤可顯示危險(xiǎn)區(qū)域大小，線型氣體探測器檢測的是線型路徑上氣體的積分濃度，同時(shí)指示了氣團(tuán)的濃度和危害范圍的大小，便于檢測人員判斷當(dāng)前的危險(xiǎn)程度，采取有效措施。

線型紅外氣體探測器相對于線型激光氣體探測器出現(xiàn)較早，成本也較低，應(yīng)用較廣。一般應(yīng)用在天然氣管線、油氣開采、海上鉆井平臺、燃?xì)獯鎯Ψ蛛x站場等。但是由于其抗水汽干擾能力較差，目前正在逐漸被線型激光氣體探測器所替代。

3 面型氣體探測器

雖然線型氣體探測器滿足了一定大面積探測的需求，但是隨著工業(yè)自動化程度的提高，人們對高效率的探測工具的需求越來越迫切，因此，出現(xiàn)了面型氣體探測器，如激光氣體遙測儀（有手持式和車載式）、紅外氣體成像儀、激光氣體雷達(dá)等，它們可以通過掃描，實(shí)現(xiàn)對一個(gè)面域的氣體監(jiān)測。

3.1 激光氣體遙測儀

激光氣體遙測儀，是一種非接觸測量。遙測儀內(nèi)部的激光器發(fā)出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直，穿過被測氣體，照射在遠(yuǎn)處氣體管道后面的墻面，樹干或者地面等背景物表面后被反射，反射光被遙測儀的光線收集系統(tǒng)收集，并聚焦在內(nèi)部的光電探測器上，經(jīng)過微處理器的分析計(jì)算，就可以得到被測氣體的濃度。它不同于一般的氣體探測器，它采用激光非接觸測量法，不需要取樣，不干擾現(xiàn)場，靈敏度高，響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、大區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)時(shí)遙測，檢測人員無法到達(dá)的地方，能夠準(zhǔn)確定位，快速查找泄漏源，大大提高了檢測效率。

手持激光氣體遙測儀主要通過人工攜帶遙測儀，對需要檢測的區(qū)域進(jìn)行掃描，得到氣體泄漏情況。因?yàn)槠洳恍枰獙⑻綔y器處于泄漏氣團(tuán)中，所以可以檢測傳統(tǒng)便攜氣體檢測儀檢測不到的地方。車載激光甲烷巡檢儀是將遙測氣體檢測儀安裝在掃描伺服系統(tǒng)上，然后再安裝在車頂，當(dāng)車行駛后，就可以實(shí)現(xiàn)對行駛路線上的氣體泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)它也可以固定于一點(diǎn)，通過控制自動掃描設(shè)備，設(shè)計(jì)合理的掃描路徑，實(shí)現(xiàn)對一個(gè)面型區(qū)域的氣體泄漏情況監(jiān)測。

3.2 紅外氣體成像儀

紅外氣體成像儀將光譜技術(shù)和成像技術(shù)結(jié)合，使探測變得更加的形象，是目前國際上氣體探測領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)手段。它可以使無形的泄漏氣團(tuán)在紅外圖像上顯示為一縷煙霧，更加方便人們觀測，提高目標(biāo)探測的準(zhǔn)確性。國內(nèi)研發(fā)的紅外氣體成像儀，可以探測SF6和烴類氣體。

紅外光通過氣體時(shí)，某些波長的光會被吸收，形成紅外吸收光譜。紅外氣體成像儀就是利用這個(gè)特性，通過紅外探測器感應(yīng)被測氣體和周圍環(huán)境的物體對紅外光的不同響應(yīng)程度，使不可見的氣體泄漏可視化[4]。具體過程是紅外氣體成像儀內(nèi)部的光源發(fā)出的紅外光照向被測區(qū)域，經(jīng)背景反射物反射后，返回紅外攝像機(jī)。如果存在氣體泄漏，紅外攝像機(jī)接受到的紅外光的強(qiáng)度就會減弱，泄漏氣體出現(xiàn)區(qū)域的視頻圖像就會產(chǎn)生對比變化，氣體濃度越大，吸收就越強(qiáng)，對比度就越大。在圖像中，泄漏源和移動方向均能確定，因此，紅外氣體成像是一種比較高效的氣體探測技術(shù)。

3.3 激光氣體雷達(dá)

激光氣體雷達(dá)是一種主動式的遙測大氣污染物的設(shè)備，采用高能量的激光作為發(fā)射光源，依據(jù)大氣對激光的散射和吸收等過程，對大氣污染物進(jìn)行探測，具有高時(shí)空分辨力和高測量精度。激光雷達(dá)內(nèi)部的激光器，以激光脈沖的形式發(fā)射到空中，被大氣反射后，激光被望遠(yuǎn)鏡接收探測，得到大氣消光系數(shù)和微量氣體的濃度等結(jié)果[5]。通常檢測距離能達(dá)到1 000 m，甚至幾十千米。

3.4 面型氣體探測器的優(yōu)勢

面型氣體探測器不僅具備了線型氣體探測器檢測覆蓋區(qū)域廣、檢測速度快、選擇性好，對探測器安裝位置沒有要求，可顯示危險(xiǎn)區(qū)域大小等優(yōu)點(diǎn)，還具備以下2點(diǎn)：①面型氣體探測器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離遙測，檢測效率更高。同時(shí)，它可以通過掃描，檢測一個(gè)更大的面型區(qū)域的氣體泄漏情況，有效降低檢測成本。②可以準(zhǔn)確定位危險(xiǎn)氣體泄漏源，面型氣體探測器由于其特有的檢測方式，在遠(yuǎn)處就可以快速定位氣體泄漏源，同時(shí)也保護(hù)了巡檢人員的安全。

激光氣體遙測產(chǎn)品比較成熟的是檢測甲烷，主要應(yīng)用在燃?xì)庑袠I(yè)中用于燃?xì)庋矙z。紅外氣體成像產(chǎn)品，主要應(yīng)用在變電站（檢測SF6），燃?xì)庑袠I(yè)（檢測CH4）。激光氣體雷達(dá)一般應(yīng)用在大氣污染物的測量，如SOx、NOx、O3、CH4和氣溶膠等。

4 面域氣體監(jiān)測系統(tǒng)

由于線型和面型氣體探測器采用的技術(shù)難度較高，使用的元器件也比較昂貴，所以成本居高，售價(jià)一般在幾萬到幾十萬之間，特別是面型氣體探測器，給實(shí)際應(yīng)用帶來了困難。然而單一使用點(diǎn)型氣體探測器時(shí)，可能會出現(xiàn)測量死角，無法保證全區(qū)域監(jiān)測，帶來安全隱患。因此在這里提出一個(gè)新的布點(diǎn)或者施工方式的概念，將點(diǎn)線面氣體探測系統(tǒng)相結(jié)合，組成面域氣體監(jiān)控系統(tǒng)，這樣不僅保證了監(jiān)測區(qū)域的安全，同時(shí)降低了檢測成本，是一種比較完善的和經(jīng)濟(jì)有效的氣體檢測系統(tǒng)。

用圓柱體代替工業(yè)廠區(qū)設(shè)備和建筑，那么現(xiàn)有的點(diǎn)型氣體探測器安裝在設(shè)備的周圍。引入線型氣體探測器后，在直線區(qū)域就可以使用線型氣體探測器將點(diǎn)式探測器取代，將點(diǎn)型探測器則做為空間范圍比較小的地方的補(bǔ)充。引入面型氣體探測器后，在開闊的地方使用面型探測器可以實(shí)現(xiàn)大面積的覆蓋，實(shí)現(xiàn)無盲點(diǎn)的監(jiān)控。在被遮擋的細(xì)小地方，用點(diǎn)型氣體探測器做補(bǔ)充。

5 結(jié)語

每種氣體探測器都各有優(yōu)缺點(diǎn)，最好的氣體探測系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境而專門設(shè)計(jì)的多種探測系統(tǒng)的組合。提出的面域氣體監(jiān)控系統(tǒng)，將點(diǎn)、線、面氣體探測器系統(tǒng)結(jié)合，搭配使用，形成一套更為可靠的氣體監(jiān)控系統(tǒng)，安全有效地保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

[1]中國石油化工集團(tuán)公司.石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社,2009：6-8.

[2]魏儒義,雷俊鋒,楊琨,等.傅里葉變換紅外光譜儀中立方反射鏡特性分析[J].光學(xué)儀器,2007,29(3)：69-75．

[3]陳志,尚麗平.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)在探測靈敏度上的探討[J].激光雜志,2007,28(3)：81．

[4]陳晟.SF6氣體泄漏紅外檢測技術(shù)探討[J].中國電業(yè),2013 (9)：25-27

[5]杜小勇.AML-2型車載測污激光雷達(dá)系統(tǒng)改進(jìn)研究[D].合肥：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,2007.

The gas detection system is mainly used for monitoring the content of hazardous gases in the environment to protect personnel,production equipment and surrounding environment,but only a reasonable choice of gas detector plays the maximum protective effect.The advantages,disadvantages and application fields of point type,line type and surface type gas detectors are introduced respectively.At the same time,the areal gas monitoring idea that the point,line and surface gas detectors are combined according to actual application environment is put forward.

areal gas detection;line gas detector;laser gas telemeter

2017-05-11

袁少輝（1977-），男，主要從事氣體檢測報(bào)警儀檢定工作。