紅外探測技術在氣體泄漏監測中的應用

袁少輝，劉應乾，殷海濤

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

紅外探測技術在氣體泄漏監測中的應用

袁少輝，劉應乾，殷海濤

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

氣體探測系統主要是用來監測環境里危險氣體的含量，保護工作人員、生產設備以及周圍環境，但是只有合理的選擇氣體探測器，才能起到最大的保護作用。分別介紹了點型、線型、面型氣體探測器及其優缺點和應用領域，同時提出了根據實際應用環境將點、線、面氣體探測器系統結合的面域氣體監控思路。

面域氣體探測；線型氣體探測器；激光氣體遙測儀

隨著工業的發展和進步，各種易燃易爆氣體應用范圍大大增加，而這些氣體在生產、運輸、儲存和使用過程中發生的爆炸、火災事故也時有發生。國家和各企業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測系統至關重要，它關系著現場工作人員和生產設備的安全。

氣體探測器根據測量空間的不同可分為點型氣體探測器、線型氣體探測器和面型氣體探測器。氣體探測技術在國外已有幾十年的歷史，國內的氣體探測技術起步較晚，但是經過幾十年的發展，已經有一定的基礎，與國外的差距也在逐漸減小。目前國內已經具備點型、線型和面型等多種氣體檢測技術。工業場合使用的氣體探測器，主要還是點型氣體探測器。線型和面型氣體探測器是針對點型氣體探測器的不足而出現的比較新型的氣體探測器。

1 點型氣體探測器

點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、響應時間慢、抗干擾能力差等缺點。另外，點式探測器是接觸檢測，需要在危險氣體到達傳感器，才能被檢測到，探測面積小。通常，可燃氣體探測器在室外的保護半徑是15 m；封閉和半封閉的室內場所的保護半徑是7.5 m[1]。但因價格便宜，應用還是非常廣泛，一般只限于在重點位置設置。

針對催化燃燒原理的不足，出現了點型紅外氣體探測器，例如WD6200。這類探測器有效地克服了壽命短、易中毒的缺點，卻無法克服抗干擾能力差和探測面積小的缺點，應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和高效，人們進行不斷的技術探索和更新。西格有限公司在1987年率先研發出第一臺線型開放路徑可燃氣體探測器，被稱為Searchline。隨后，國內外企業開始了研發線型氣體探測器，國內推出的線型氣體探測器OPGD1000，已經成功得到應用。

線型氣體探測器構成方式有2種，對射式和反射式。對射式由發射端和接收端組成，分別安裝在待測區域的兩端，發射端的光線經過對準調節照射到接收端，并被接受處理后，實現對該區域的監測。反射式由收發裝置和反射板組成，將發射光學系統和接收光學系統集成在一起，使產品更加簡單穩定，并且有效地降低了成本。反射板，通常為角反射鏡，它可以實現出射光光軸與入射光光軸平行，并且與入射角的變化無關[2]。

2.1 線型紅外氣體探測器

最先出現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，代表產品有霍尼韋爾searchline Excel、梅思安xenon800、德爾格Polytron Pulsar等。當氙閃燈發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，例如響應時間慢，抗氣體干擾能力差，特別是抗水汽干擾等，嚴重限制了其應用場所。

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，研發出了線型激光氣體探測器。采用先進的TDLAS可調諧半導體激光吸收光譜技術，利用可調諧半導體激光器的波長掃描和電流調諧的特性，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。他是一種重要的痕量氣體探測技術，目前該技術已經在氣體探測領域得到了廣泛的應用[3]。線型激光氣體探測器一般選用的光源為DFB可調諧激光器，該光源單色性好，線寬一般小于10 MHz，遠遠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點：①檢測覆蓋區域廣，線型氣體探測器的檢測距離可以達到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，響應速度比采用催化燃燒、電化學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量；⑤可顯示危險區域大小，線型氣體探測器檢測的是線型路徑上氣體的積分濃度，同時指示了氣團的濃度和危害范圍的大小，便于檢測人員判斷當前的危險程度，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較早，成本也較低，應用較廣。一般應用在天然氣管線、油氣開采、海上鉆井平臺、燃氣存儲分離站場等。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、激光氣體雷達等，它們可以通過掃描，實現對一個面域的氣體監測。

3.1 激光氣體遙測儀

激光氣體遙測儀，是一種非接觸測量。遙測儀內部的激光器發出的激光束經準直，穿過被測氣體，照射在遠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收集，并聚焦在內部的光電探測器上，經過微處理器的分析計算，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，不干擾現場，靈敏度高，響應速度快，能夠實現遠距離、大區域范圍內實時遙測，檢測人員無法到達的地方，能夠準確定位，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，對需要檢測的區域進行掃描，得到氣體泄漏情況。因為其不需要將探測器處于泄漏氣團中，所以可以檢測傳統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上，然后再安裝在車頂，當車行駛后，就可以實現對行駛路線上的氣體泄漏情況進行監測。同時它也可以固定于一點，通過控制自動掃描設備，設計合理的掃描路徑，實現對一個面型區域的氣體泄漏情況監測。

3.2 紅外氣體成像儀

紅外氣體成像儀將光譜技術和成像技術結合，使探測變得更加的形象，是目前國際上氣體探測領域的先進技術手段。它可以使無形的泄漏氣團在紅外圖像上顯示為一縷煙霧，更加方便人們觀測，提高目標探測的準確性。國內研發的紅外氣體成像儀，可以探測SF6和烴類氣體。

紅外光通過氣體時，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特性，通過紅外探測器感應被測氣體和周圍環境的物體對紅外光的不同響應程度，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部的光源發出的紅外光照向被測區域，經背景反射物反射后，返回紅外攝像機。如果存在氣體泄漏，紅外攝像機接受到的紅外光的強度就會減弱，泄漏氣體出現區域的視頻圖像就會產生對比變化，氣體濃度越大，吸收就越強，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。

3.3 激光氣體雷達

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

3.4 面型氣體探測器的優勢

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，可顯示危險區域大小等優點，還具備以下2點：①面型氣體探測器，實現了遠距離遙測，檢測效率更高。同時，它可以通過掃描，檢測一個更大的面型區域的氣體泄漏情況，有效降低檢測成本。②可以準確定位危險氣體泄漏源，面型氣體探測器由于其特有的檢測方式，在遠處就可以快速定位氣體泄漏源，同時也保護了巡檢人員的安全。

激光氣體遙測產品比較成熟的是檢測甲烷，主要應用在燃氣行業中用于燃氣巡檢。紅外氣體成像產品，主要應用在變電站（檢測SF6），燃氣行業（檢測CH4）。激光氣體雷達一般應用在大氣污染物的測量，如SOx、NOx、O3、CH4和氣溶膠等。

4 面域氣體監測系統

由于線型和面型氣體探測器采用的技術難度較高，使用的元器件也比較昂貴，所以成本居高，售價一般在幾萬到幾十萬之間，特別是面型氣體探測器，給實際應用帶來了困難。然而單一使用點型氣體探測器時，可能會出現測量死角，無法保證全區域監測，帶來安全隱患。因此在這里提出一個新的布點或者施工方式的概念，將點線面氣體探測系統相結合，組成面域氣體監控系統，這樣不僅保證了監測區域的安全，同時降低了檢測成本，是一種比較完善的和經濟有效的氣體檢測系統。

用圓柱體代替工業廠區設備和建筑，那么現有的點型氣體探測器安裝在設備的周圍。引入線型氣體探測器后，在直線區域就可以使用線型氣體探測器將點式探測器取代，將點型探測器則做為空間范圍比較小的地方的補充。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現大面積的覆蓋，實現無盲點的監控。在被遮擋的細小地方，用點型氣體探測器做補充。

5 結語

每種氣體探測器都各有優缺點，最好的氣體探測系統是根據實際應用環境而專門設計的多種探測系統的組合。提出的面域氣體監控系統，將點、線、面氣體探測器系統結合，搭配使用，形成一套更為可靠的氣體監控系統，安全有效地保護人們的生命和財產安全。

[1]中國石油化工集團公司.石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范[M].北京：中國計劃出版社,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].光學儀器,2007,29(3)：69-75．

[3]陳志,尚麗平.可調諧二極管激光吸收光譜技術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探討[J].中國電業,2013 (9)：25-27

[5]杜小勇.AML-2型車載測污激光雷達系統改進研究[D].合肥：中國科學院合肥物質科學研究院,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警儀檢定工作。