基于光譜技術的燃氣管道泄漏檢測定位研究

中圖分類號： ； TP392 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0119-04

Abstract：In order to further ensure the safety of natural gas transportation in gas pipelines，a gas pipeline detection and positioning system based on cavity output spectroscopy technology was proposed to accurately detect gas leakage in the environment.Among them，the leakage gas detection method based on cavity output spectroscopy technology is used to construct a detection system.The experimental results show that the designed gas pipeline detection systembased on spectral technologycan respond quickly to thechange of leakage concentration in diferent environments，and realize theaccurate detection of leakage.It can be applied to theactual scene and has high reliability. Key words ： pipeline leakage ；spectroscopy ；system testing

在當前的社會日常生活和工業生產中，天然氣已經成為了重要的常用能源之一，各類場景的天然氣需求量也急速增長。天然氣的主要運輸方式為管道運輸，管理不善極易造成天然氣泄漏的情況，進而造成嚴重的事故，及時進行天然氣管道的泄漏檢測，能夠在發生泄漏時進行及時的檢修，避免事故的發生[14]。陳修偉等針對低信噪比條件下天然氣管道運輸存在的定位誤差問題，提出了一種基于功率譜估計的長輸天然氣管道泄漏檢測技術，該技術通過計算信號傳輸延時同時結合聲音傳播速度和管道長度信息，對管道泄漏位置進行準確定位；趙錦鵬等針對天然氣管道泄漏檢測問題，提出了一種基于貝葉斯推理的馬爾科夫鏈蒙特卡洛法的天然氣管道泄漏檢測方法，該方法能夠實現對管道泄漏位置和泄漏速度的準確檢測，根據實際的泄漏情況進行事故處理的判定[]；陳易然等針對農村天然氣使用的安全問題，基于LoRa遠距離通信技術設計了一種天然氣泄漏檢測方法，該方法通過對天然氣管道進行實時監控，能夠對管道泄漏情況進行及時檢測，進而對泄漏情況進行及時處理[7]。由于當前的天然氣需求量不斷增加，泄漏往往會造成難以估量的事故，因此，當前的天然氣泄漏檢測需要精度較高、性能良好的檢測方法保證檢測的及時和準確。故提出一種基于離軸積分腔輸出光譜技術的燃氣管道泄漏檢測方法，實現對不同程度的天然氣泄漏情況進行準確檢測。

1腔輸出光譜技術

腔輸出光譜技術是基于腔增強光譜吸收技術CEAS發展起來的，是主要的紅外線光譜吸收技術之一，該技術在保留腔的吸收放大特性的同時，還可消除腔內的諧振問題[8]

腔輸出光譜技術相比于其他基于腔的吸收方法，復雜度更低，尤其在進行光線的人射角度的設置時，該技術不需要對入射角度進行嚴格保證，進而大大降低了測試難度[9]

腔輸出光譜技術以朗伯-比爾定律作為理論依據，技術的核心為諧振腔的設計，而對諧振腔設計質量影響最主要的原因是反射中的光能損耗。近年來由于鍍膜工藝技術的不斷發展成熟，光能損耗問題得以解決，諧振腔不再受反射過程中的光斑交疊影響，使得氣室有效光程得以大大提升[10-11]

在腔輸出光譜技術的腔設計時，需首先考慮腔的穩定性問題，2個高反鏡規格通常相同，若設定其曲率半徑為 r ，腔長為 L ，則可得腔穩定的條件為：

即滿足條件：

腔中的耦合方式包括離軸人射和共軸入射2種，離軸入射時，首先進行準直器的角度調整，保證激光在入射到離腔鏡時偏離軸線方向，同時激發腔內的高階模；在共軸入射時，則與離軸入射恰好相反，需沿腔鏡的軸線方向入射至腔內，同時形成諧振[12]。光線從高反鏡 $M_{＼mathfrak{r}}$ 的軸心處進人腔內，并在 和 之間網絡往返，在經過多次反射后再通過 出射。

通過對射人光線的人射位置進行調節可對腔內的光線反射情況進行改變。光線在通過反射從 出射時，會向外發散，并通過平凸鏡改變光線的傳播角度，最終達到探測器的光敏面上。

2基于腔輸出光譜技術的燃氣管道檢測定位系統設計

天然氣的主要成分為甲烷（ ）和乙烷（ ），因此在進行燃氣管道泄漏檢測時，主要的檢測對象為甲烷和乙烷，并以此進行基于腔輸出光譜技術的燃氣泄漏檢測系統的設計。

2.1 光學系統

光學系統是泄漏檢測系統中 傳感器部分的核心模塊。在光學系統中，初始為兩束激光，分別由2個DFB激光器生成得到，再通過光纖波分復用器將兩束激光進行合并再發射。通過調整激光的入射角度和位置，達到腔體共軸和離軸調試的目的，腔體另一側固定平凸鏡以聚焦光強，可進一步提升探測器的可探測光功率。

2.1.1 光路調試

光路調試分為離軸和主軸，前者通過紅光進行光路對直，常用的實驗場景為昏暗場景，便于觀察[13]。光路對直中，以下幾個條件為硬性要求：（1）紅光的入射方向需沿兩高反鏡軸線方向；（2）2個高反鏡的安裝必須滿足絕對平行且軸心重合的情況；（3）發射中心與高反鏡軸線三點一線。

當紅光與高反鏡產生的牛頓環的軸心重合時，即表示紅光對直，此時將紅光轉換為近紅外激光會使得光線的路徑發生細小變化，為此，通過激光進行光路的再次調試，而由于紅外光的不可見的特性，使其無法直接進行光路軌跡的顯示，針對此種情況，設計選擇將光電探測器所得信號反饋至示波器上進行調試，得到狀態最佳的基模[14] O

在后續的離軸調試中，通過加大信號發生器三角波的掃描范圍，會使得得到的基模變得越來越密集，進而得到較為穩定的三角波。

2.1.2 探測器

腔中的高反鏡存在反射率過高的問題，使得功率較小的激光打入腔體內后，投射出來的激光的功率會降到更小的級別，而在此種情況下若使用常用的商用探測器會使得腔內的微弱信號無法檢測。針對上述問題，設計一個基于跨阻放大的高增益低噪聲探測器光電轉換電路，同時選擇光明面更大的光電二極管，減小設備的機械誤差。

將設計的探測器應用于腔中時，可進一步提升其信號探測水平，具有更好的靈敏度，進而對微弱信號進行精準檢測。

2.1.3 光程標定

在進行有效光路長度的標定時，通過鋸齒掃描信號進行中心波長位置的分布式反饋激光器電流的掃描，目的在于讓激光波長掃描吸收峰，同時將一定濃度水平的甲烷樣本注人至腔中[15]。通過觀察腔內信號變化情況，將獲取到的信息與吸光度公式相結合可計算得到吸光度值，再根據分子吸收數據庫可進行實際總光程的確定。

2.2 電學與氣路系統

檢測系統的電路部分除了進行光點信號的處理，同時還負責保持腔內的溫度和壓強恒定不變[16]

溫度壓強控制電路在進行腔內的溫度控制時，溫度傳感器進行溫度檢測和數據采集，再根據反饋情況進行電路工作電流的調整，使得溫度動態恒定，整個控制過程通過PID算法實現；壓控電路通過壓力傳感器進行腔內的壓強監測，在進行腔內壓強的控制時，主要通過控制腔的進氣口和出氣口的比例閥開口大小實現，能夠維持腔體內壓強的動態平衡[17]。

氣路系統的主要功能包括向腔體內配置待測氣體以及控制腔體內氣體流速。當傳感器進行氣體標定時，需要使用到氣瓶和氣體采樣模塊，并對采集到的待測氣體進行稀釋處理，而在系統進行較大環境的氣體泄漏檢測時，為了使得檢測范圍足夠大，在腔體的進氣口增添大功率氣泵，將外界氣體泵入腔內。

2.3 系統結構

通過對設計的基于腔輸出光譜技術的燃氣管道泄漏檢測系統的各部分模塊進行設計，具體結構如圖1所示。

如圖1所示，檢測系統應用于燃氣管道的氣體泄漏的檢測，相比于傳統的檢測方法能夠實現更好的檢測效果。

3 系統實現與驗證

3.1 環境搭建

為驗證燃氣管道泄漏檢測系統性能，搭建了實驗環境。首先進行實驗元件的選擇：除使用必要的傳感器以外，所需的元件還包括風速儀（型號YOUNG81000）GPS（GPS500）、上位機系統（Lab-VIEW）[19]。同時，為了減小在移動巡視檢測過程中外界震動給光學系統帶來的影響，設計對應的減震模塊，主要包括光學系統一體化設計、龍門架設計以及橡膠墊緩沖設計。在減震模塊中，龍門架能夠保證系統的相對水平以及較少的外界接觸，橡膠軟墊的添加則可使得系統不出現較大的位置變化，同時使用CYT9200振動傳感器進行儀器的震動系數的測試，整體上減小外界震動帶來的影響。

3.2氣體數據采集與預處理

系統采集到的氣體數據無法直接用于系統測試，這是由于測試環境復雜，會使得采集到的氣體中包含雜質，因此需對采集到的待測氣體進行預處理。預處理方式主要是在系統的進氣口和出氣口位置設置過濾系統，進氣口處的過濾系統包括第一級孔隙較大的濾網模塊，第二級粗過濾模塊，第三級和第四級高精細過濾模塊，出氣口處的過濾模塊為一級粗過濾，規格與進氣口第二級粗過濾一致[20]

3.3檢測系統性能測試

為了保證設計的燃氣管道泄漏檢測系統的性能優秀以及穩定性良好，分別對系統進行泄漏氣體檢測過程的各方面性能進行測試，測試對象選擇 O

3.3.1 擬合情況

在不同的 濃度下，用較大的采樣頻率進行氣體的采樣，采集時間間隔為1s，每次采集時間為 20s 共采集到20個采樣點，將該20個數據取平均值，得到 濃度和系統振幅之間的線性擬合度較好，未出現較明顯的震蕩情況。

3.3.2 響應時間

將 濃度從 逐漸提升至 ，測試不同濃度下系統的響應時間，系統響應時間始終穩定在1s左右。

3.4車載燃氣管道泄漏實驗

3.4.1簡易移動泄漏檢測

將設計的燃氣管道泄漏檢測系統以及其他實驗元件在推車上進行簡易集成，同時在路邊放置2個分別裝有 和 的鋼瓶，推動推車觀測氣體數據變化情況。推車總共經過鋼瓶3次，第1次經過時為僅有 泄漏的情況，第2次為2種氣體均有泄漏的情況，第3次為2種氣體均泄漏的情況。

檢測結果為：第1次經過時系統明顯檢測到了 的泄漏情況；第2次經過時出現了輕微的波動，原因在于泄漏的 還未完全消散；第3次經過時系統檢測到的2個氣體的濃度變化較大。以上結果表明，設計的燃氣管道泄漏檢測系統在該場景下對天然氣泄漏十分靈敏。

3.4.2 車載移動式泄漏檢測

為了進一步掌握燃氣管道泄漏檢測系統的實際性能，將實驗儀器安裝在車內進行泄露測試。在測試路段中設置2個不同泄漏量的泄漏點，得到如圖2所示的檢測結果。

由圖2可知，系統在2個泄漏點均檢測到了2個氣體濃度的明顯波動，這表明系統對于環境中的泄漏氣體濃度變化十分敏感，能夠準確捕捉到泄漏位置，而其他位置濃度波動的原因可能在于環境中其他位置的其他泄漏情況。

4結語

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綜合上述實驗結果可知，設計的燃氣管道泄漏檢測系統對環境中 和 的濃度變化十分靈敏，當環境中出現泄漏情況時，系統能夠迅速檢測到氣體濃度的波動，能夠幫助管理人員和維修人員進行泄漏情況的準確掌握和泄漏位置的準確定位，便于進行及時的維修，進而避免重大事故的發生。

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