紅外氣體檢紅外氣體檢測技術分析理解（jiě）

2015-02-04 13:13:05 admin

紅外（wài）氣（qì）體檢紅外氣體（tǐ）檢測技術（shù）分析理解

紅外（wài）氣體檢紅外氣體檢測技術具（jù）有極高的（de）準（zhǔn）確性和靈敏度（dù）。同時（shí）具有動態測範圍大、響應時（shí）間快、不易受其他氣體幹擾等優點。因（yīn）此使用高精度、高靈敏度、穩定耐用的（de）在線或遠程紅（hóng）外氣體檢測儀.對保證天然氣安全生產具有重（chóng）要意義。為此，針對現行檢測方法存在精度不足（zú）等問題，采（cǎi）用紅外氣體（tǐ）紅外氣體傳感技術結合可調諧激光（guāng）光（guāng）譜與波長調製技術，對天然氣管道傳輸中的甲（jiǎ）烷氣體泄漏進行遠距離檢測，提高了測量精度；采用（yòng）譜線分析法實時監（jiān）測含硫天然氣井噴或泄漏，在空氣中水蒸氣和甲（jiǎ）烷氣體的幹擾下，根據譜線（xiàn）交疊情況建立起二元一次方程組，能夠在不同濃度甲烷氣體幹擾下同（tóng）時計算出甲（jiǎ）烷和硫化氫的濃度，在71.4mg/m3的甲烷幹擾氣（qì）體存在時，可以獲得的最低可探（tàn）測硫化氫濃（nóng）度（dù）為15.2mg/m3，達到了安全生（shēng）產（chǎn）的要求。研（yán）究結（jié）果證明，紅外氣（qì）體檢測（cè）技術在天然氣安全生產（chǎn）中有著廣泛的應用前景。

      近年來紅外氣體紅外氣體檢測技（jì）術（shù）已經可以應用在天然氣。儲運、中轉及加工過程中，用來檢測甲烷的泄漏情況。它具有極（jí）高的準確性和靈（líng）敏度，同時具有動（dòng）態測量範圍大、響（xiǎng）應時間快（kuài）、不易受其他（tā）氣體幹擾等優點。因此使用高精度、高靈敏（mǐn）度、穩定耐（nài）用（yòng）的（de）在線或遠（yuǎn）程紅外氣（qì）體檢測儀，對保證石油（yóu）天然氣企業的安全生產具有重要意義。本文分析了（le）紅外氣體檢測（cè）技術的原（yuán）理，介紹了目前紅外氣體檢測中常用的檢測技術。洋細描述了目前能夠應用於複雜測量（liàng）環境中的紅外光譜測量技術，並以甲烷和硫化氫氣體為例，分析了紅外檢（jiǎn）測方（fāng）法在天然氣安全生產中的應用。

      1紅外氣（qì）體（tǐ）紅外（wài）氣（qì）體檢測原理

      多數雙原（yuán）子分子和多（duō）原子分子在紅（hóng）外光譜範圍裏有其分子結構所決定的特征（zhēng）吸收譜，因（yīn）此可以（yǐ）根據氣體紅外吸收光譜（pǔ）的特點來獲（huò）得氣體的種類、濃度等信息。以甲烷氣體（tǐ）為例，在中紅外3.3μm和7.65μm附近（jìn）存在兩個基本吸收（shōu）光譜，在近（jìn）紅外1.33μm和1.66μm分別（bié）存在組合頻帶（dài）和泛（fàn）頻帶[1]。紅外甲（jiǎ）烷檢測基於甲烷氣體對紅外光吸收（shōu）的原理，當一（yī）定波長（zhǎng）的紅（hóng）外光（guāng）通過被測氣體，氣體在其吸收譜線處吸（xī）收紅外光，在紅外探測器上便可以檢測出光強（qiáng）度的變化。根據Lambert-Beer定律可以得到（dào）氣（qì）體的吸（xī）收情況[2]:

      式中I0是入射（shè）光強度；I（v）是氣體吸收之後的光強度（dù）；L是氣體的吸（xī）收長度；C是氣體濃度，mg/m3；α（v）是在頻率v處的吸收係數（shù），cm-1。

      紅（hóng）外氣體檢測技術包括直接吸收、光聲光譜、光纖傳（chuán）感、可（kě）調諧激光二極管光譜（（TDLS）、波長/頻率調製光譜（WMS/FMS）等，這幾（jǐ）種方法可以單獨采用，也（yě）可以結合（hé）起來取長補短，以獲得更好的檢測結果（guǒ）。其中:1直接（jiē）吸收光譜（pǔ）技術（shù）是最（zuì）早采用的（de）一種檢測方法。根據Lambert-Beer定律，氣體對光的吸收與氣體吸收長度成正比，光（guāng）程越長，氣體的吸收越多，得到的檢測靈敏（mǐn）度和（hé）準確性越好；2光纖傳感（gǎn）技（jì）術利用氣體在近紅外區的（de）泛（fàn）頻帶或合頻帶，以近紅外激光二極管（LD）為光源，利用光纖進行（háng）光傳輸，易於實現長距（jù）離分布式傳感，同時不會受到電磁輻射的幹擾。此外光纖傳感器係統在易燃易爆（bào）氣（qì）體環境下工作是（shì）本質安（ān）全的；3光聲光譜技術（PAS，photoacousticspectroscopy）基於光聲效應（yīng），同其他紅（hóng）外吸收技術相（xiàng）比，PAS是間接的測（cè）量技術。氣體分子對光的吸收（shōu）通過非輻射躍（yuè）遷過程，在氣體中（zhōng）產生瞬態溫（wēn）度變化，然後轉化為壓力變化，用電介質（zhì）微音器或（huò）基於微（wēi）機電係統（MEMS）的壓力傳（chuán）感器來探測聲波，從而獲得氣體（tǐ）的吸收情況。

      對於複雜環（huán）境下的高精度測量，氣體分子吸收（shōu）光譜在壓力或溫（wēn）度變化時存在展寬或譜（pǔ）線強度的改變。為了獲得被測（cè）分子譜線的信息（xī）以及其他相關測量結果，例如氣體濃度、壓力、溫度等，最近有人（rén）提出了一種新的基於TDLS和WMS的精確測量氣體分子吸收譜線的方法[3]。基於TDLS-WMS的氣體檢測係統不需（xū）要附加其他的溫度、壓力傳感器，是（shì）一種不（bú）需要校準的技術，其係統框圖見圖1。圖1中采用（yòng）加法（fǎ）器將高頻正弦調製信號同低頻調諧信號（hào）結合起來，作為激光器的馭動電流，在光電探測器將氣體吸收之後的光信號轉變為電信號（hào）輸出並用鎖（suǒ）相放大器（qì）進行相敏檢波，從而獲得被測氣體吸收譜線（xiàn）的（de）諧波（bō）分量。圖2為（wéi）氣體分子吸收譜線（xiàn）及其一次、二次波（bō）長調製諧波分量的示意圖。

      2紅外（wài）檢測技術在天然（rán）氣行業中的應用

      2.1監測天然氣輸送儲運（yùn）過程甲烷的泄漏

      無論是（shì）長距（jù）離天然氣（qì）輸送管道（dào），還是壓縮天然氣（CNG）儲運，對甲烷氣（qì）體的泄漏監測都非常重要。其中對於天然氣管道泄漏的遠距（jù）離安全巡檢（jiǎn）是一個亟（jí）待解決的難題。在野外或城鎮環境下，受到地表樹（shù）木、土壤、岩石以及建築物（wù）的影響，探測無法直接進行（háng）。根據甲烷氣體分子（zǐ）質量比空氣的平均分子質量小的（de）原理，天然氣管道中泄漏出的甲烷氣體向上漂浮在空氣中，並同空氣混合形成濃度較低的甲烷氣團

      紅外氣體檢測是目前天然氣（qì）管道泄漏檢測非常有效的方法。基於甲烷氣體紅外吸收原理的遠距離遙感（gǎn）探測方法，可以（yǐ）在高空或近地表（biǎo）處實現對泄漏區（qū）域附近（jìn）的甲烷探測，從而確定（dìng）泄漏位置，為搶（qiǎng）修提供最及時的幫助。采用TDLS和高頻WMS技術能夠克服（fú）空氣湍流對測量的（de）影響，同時結合諧（xié）波（bō）檢測（cè）方法（fǎ）可（kě）以實現對低濃度甲烷氣體的實（shí）時探測。

      基於光纖拉曼放大技術的近紅外（wài）甲烷傳感係統結合TDLS和（hé）WMS[5]，對甲烷吸收譜線進行掃描並（bìng）采用諧波技術進（jìn）行檢測。通過同時掃（sǎo）描甲烷（wán）吸收譜（pǔ）線和譜線之（zhī）間的空自區，並（bìng）對空（kōng）自區的噪聲以及（jí）光強度衰減情況進行分析，能夠克服遠距（jù）離測量中激光照射到地表物體後存在（zài）的嚴重光散射和光吸收等問題（tí）。由此（cǐ）提高了係統的測量精度，其原理如圖3所示。其中半導體激光器的（de）馭（yù）動（dòng）和探測器的（de）後端處理部分同圖1。

      激光器輸出的1650nm的激光（甲烷氣體在1650nm附近存在強吸收譜線）經過（guò）放大功率為1w的拉曼放（fàng）大器放大後，照射在地表上，地表附近泄（xiè）漏出的甲烷氣團對激光吸收後，剩餘的激光照射在陸地表麵，經反射、散射（shè）之後的激光再次通過甲烷氣團，然後通過一個大的菲涅爾（ěr）透鏡會聚到（dào）光電探測（cè）器上。該係統在100~150m的探測範圍內可以（yǐ）獲得71.4mg/m3的探測靈敏度（dù），係統（tǒng）信噪比大於3[5]。能夠實現複雜環境下天然氣輸送管道泄漏的高靈敏度檢（jiǎn）測。英國蘇格（gé）蘭天然氣管道係統采用上述方法進行天然氣泄漏（lòu）檢測，但是此項技術目前在我國還沒有正式的應用。

      2.2監測含硫化氫天然氣的泄漏

      現有的硫化氫檢測多采用化學方法，需要將儀器放在硫化氫氣體中或（huò）者對環境中的（de）氣體進（jìn）行采樣來分析其濃度，既無法保證實時監測，同時威脅（xié）到檢測（cè）人員（yuán）的安全。而遠距離紅外甲烷檢（jiǎn）測（cè）技術（shù）同（tóng）樣可以用在（zài）對硫化氫的遠距離實時探測上。從HITRAN2008[1]氣（qì）體分子紅外吸收光譜數據庫可以知道，硫化氫在2.6μm和7.7μm附近有較強的吸收帶，在4μm處有相對較弱的吸（xī）收譜（圖4）。在空氣中檢測隨天然氣泄漏的硫化氫氣體，首先要克服空氣中的水蒸氣和殘餘的甲烷氣體的幹擾。水（shuǐ）蒸氣在（zài）2.6μm處存在強吸收譜，同時甲烷在7.65μm也存在比硫化氫吸（xī）上吹強度大幾十倍的吸收譜線。

      對泄漏在空氣中的硫化氫氣體進行遠距離檢測，空氣中殘（cán）留的甲烷、水蒸氣（qì）的幹擾不可忽略（luè）。紅外光譜是分子振動一轉動的特征譜線（xiàn），不同分子因為化學鍵的不同（tóng），具有不（bú）同波長的吸收譜。同時（shí）氣體分子的吸收光譜（pǔ）並不是連續分布的，而是在一個波長範圍裏離散的存在。譜線的（de）寬度受到壓力的影響而有不同程（chéng）度的展寬，在不同的壓（yā）力下具有高（gāo）斯、Voigt，或者洛倫茲分布。氣體分子的吸（xī）收譜線之間可以因為相（xiàng）近而存在交疊，或者由於分布較遠而留有空自區。因此，通過洋細分（fèn）析（xī）水蒸氣、甲烷、硫化氫氣體在不同波長下吸收譜線之間的交疊情況，來（lái）選擇不受或者受水（shuǐ）蒸（zhēng）氣、甲烷吸收譜線影（yǐng）響較小的硫化氫吸收譜線，並以（yǐ）此來（lái）進行檢測，從（cóng）而確定出所要采用的光源波長、類型以及檢測方法等。圖（tú）5給出了根（gēn）據HITRAN2008分子光譜數據庫對硫化（huà）氫、水蒸氣和甲烷（wán）分（fèn）子吸收譜線進行分析之後選定的（de）硫化氫吸收譜（pǔ）線，圈（quān）中的譜線為硫化氫（qīng）吸收譜線附近的弱（ruò）吸收強度的水蒸氣或甲烷吸收譜線。從圖5可以以看出，硫化氫在2.64μm（圖5-a）和7.46μm（圖5-b）附近能夠得到不受水（shuǐ）蒸氣或甲烷明顯幹擾的吸收譜（pǔ）線，用來實現紅外硫化氫檢測。

      天然氣泄漏後，因為分子質量的不同，甲烷向上漂浮，而硫化氫則向（xiàng）地表沉積。

      由於氣體分子的擴（kuò）散、對流，使得地麵附近的硫化氫氣團中混合有少量的（de）甲烷氣（qì）體。即使通（tōng）過分析HITRAN分子（zǐ）光譜數據庫，選擇了低強度甲烷吸收譜線附近（jìn）的硫化氫紅（hóng）外（wài）吸收譜，但是當較高濃度甲烷（wán）同低濃度硫化氫同時存在時，在7460.5nm附近的硫化氫的吸收依然會被甲烷的吸收信（xìn）號所淹沒，因此（cǐ）本（běn）文提出了一種（zhǒng）新的數值分析方法，用來在甲烷幹擾下提取出硫化氫的吸收情（qíng）況。圖6給出了不同濃度甲烷和151.8mg/m3硫化（huà）氫共同存在時（shí）的吸收情況（kuàng）（紅色曲線表示（shì）甲烷的吸收，藍（lán）色曲線（xiàn）表示硫化氫的吸收，綠（lǜ）色（sè）曲線表示實際測量中測得的兩種氣體的總吸（xī）收），圖中標出的點表示（shì）選取的特征點，用來計算兩種氣體的濃度。

      從圖（tú）可以看出，兩種氣（qì）體吸收譜線（xiàn）相互交疊，實際測得的（de）吸收是兩種氣體共同的吸（xī）收結果。根（gēn）據數據庫給出的譜線信息和實際測量結果，選取3個特（tè）征（zhēng）點，通常選擇總吸收的峰值（zhí）和（hé）穀底數值。根（gēn）據它們之間的相（xiàng）互關係建立起一個二（èr）元一次方程組（zǔ），來計算（suàn）甲烷（wán）和硫化氫（qīng）的（de）濃（nóng）度，同時能夠消除掉測量（liàng）過程中環境或其他因索所引（yǐn）起的誤差:

      式中Ap1，Ap2和Av分別為（wéi）總吸收曲線上（shàng）兩個吸收峰（fēng）頂點（從左至右依次為頂點（diǎn）1和頂點2）以及兩峰中（zhōng）間穀底拐點的吸收率，CC和CH。

      分別為甲烷和（hé）硫化氫的濃度，α為對應於總吸收曲線上不同特征點的吸收係（xì）數，這些特（tè）征點的吸收係數可以根據HITRAN數據庫和相應的理論計算（suàn）獲得。在測（cè）量結果中選擇特征點並代入到公式（2）中，可（kě）以很容易的同時計算（suàn）出硫化氫和甲烷的濃度。即（jí）使對於圖6（d）所示的甲烷濃度（dù）比（bǐ）硫化氫濃度高出10餘倍的情況，也（yě）能夠（gòu）很好地根據公式（2）計算出甲烷吸收所淹沒的硫化氫濃度。

      根據公式（2）計（jì）算，對151.8mg/m3硫（liú）化氫氣體在71.4mg/m3~857.1mg/m3甲烷氣體幹擾下，進行了（le）實驗測量（liàng）。甲烷濃度越大時，測量結果的誤差越大，對硫化氫的幹擾越（yuè）嚴重。但是誤差能夠（gòu）控製在10%以下，依然可以獲得（dé）較好的測量結果。在71.4mg/m3的甲烷幹擾氣（qì）體存在時，可以獲得的最低可（kě）探測硫化氫（qīng）濃度為（wéi）15.2mg/m3，能夠滿足天然氣工業中對於高含硫天然氣開采、運輸、加工等過程中的安（ān）全監測，保障工作人員和（hé）附近居民的健康安全。