基于TDLAS技術的空間網(wǎng)格化甲烷檢測方法

張　義，康信龍，李長吾，王智森

（大連工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧大連　116034）

基于TDLAS技術的空間網(wǎng)格化甲烷檢測方法

張義，康信龍，李長吾，王智森

（大連工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧大連116034）

針對傳統(tǒng)甲烷檢測方法響應速度慢、無法定位泄漏源的弊端，設計了一種基于可調諧激光二極管吸收光譜技術的空間立體甲烷檢測方法。通過對開放性空間分層精細化劃分，布置TDLAS傳感器，不僅實現(xiàn)了對空間內甲烷氣體實時、準確的探測與定位，而且大大減少了傳感器的使用數(shù)量。根據(jù)不同的應用環(huán)境，空間檢測方法提供兩種檢測模式：空間網(wǎng)格定位檢測與掃描檢測。網(wǎng)格檢測適用于復雜的生產裝置內部的檢測；掃描檢測適用相對更少的傳感器，適用于視線開闊的邊界區(qū)域檢測。當泄漏發(fā)生時該檢測方法可及時發(fā)現(xiàn)泄漏點，對于保護生產生活安全具有十分重要的意義。

TDLAS；甲烷檢測；空間定位

0　引　言

甲烷是民用和工業(yè)領域中主要的氣體燃料，也是一種重要的化工原料，同時也是石油、石化生產過程中的一種主要中間產品。而甲烷氣體易燃易爆，對泄漏甲烷氣體濃度進行及時、準確的探測，并發(fā)現(xiàn)泄漏源，對于保護生產生活安全具有十分重要的意義［1－3］。

目前國內甲烷檢測的技術手段主要是化學方法和半導體傳感器檢測法［4］。這些傳統(tǒng)的檢測方法是單純的點檢測，而甲烷氣體具有空間擴散性，在實際應用中不僅存在探頭維護頻繁、靈敏度低、響應速度慢、不能連續(xù)檢測等問題。單點檢測無法對空間中的泄漏氣體有效地檢測。

可調諧激光二極管吸收光譜（tunablediode laserabsorptionspectroscopy，TDLAS）氣體測量技術是在二極管激光器與長光程吸收池技術的基礎上發(fā)展起來的一種氣體檢測方法，這種方法不僅精度較高、選擇性強而且響應速度快［5］，特別適合低濃度氣體的快速檢測。

基于TDLAS技術的甲烷檢測研究已有部分成果，例如曹家年等［6］利用溫度補償提高檢測精度，汪世美等［7－9］設計了基于氣室的檢測系統(tǒng)。上述研究僅實現(xiàn)了甲烷氣體檢測由點到線的轉變，在實際工程應用中，還存在以下問題：（1）檢測區(qū)域經(jīng)常是一個開放性的空間，以典型的石化廠區(qū)為例，其主要特點是區(qū)域面積大，管線立體密布。在復雜的工程環(huán)境中如何發(fā)揮TDLAS技術的優(yōu)勢，對整個開放性空間有效的監(jiān)控是目前研究的空白。（2）傳感器檢測精度高，但無法定位泄漏源。檢測精度是指傳感器能夠檢測到氣體的最小濃度，檢測精度高的意義在于泄漏發(fā)生的早期能夠發(fā)現(xiàn)泄漏氣體，而當泄漏發(fā)生后，泄漏點的定位則更加重要，快速定位泄漏點才能及時采取措施，避免重大事故的發(fā)生。如何實現(xiàn)泄漏點定位，及提高定位精度，是目前研究有所欠缺的。所謂定位精度是指檢測出的泄漏點與實際泄漏點的最大位置誤差。

針對上述問題，作者提出了一種基于TDLAS技術的空間網(wǎng)格化甲烷檢測方法，采取立體網(wǎng)格化的傳感器布局方式對需要檢測空間進行全方位監(jiān)控，能夠連續(xù)監(jiān)控空間中甲烷氣體泄漏情況，確定泄露氣體擴散軌跡、速度，迅速定位泄露點。特別適用于需要精確檢測甲烷氣體泄漏情況又無法密集布置傳感器的復雜應用環(huán)境。

1　理論基礎

如果氣體的吸收譜線在入射光譜范圍內，光通過氣體以后，在相應譜線處會發(fā)生光強的衰減［10］。一束光強為PI（λ）的探測激光，掃描過待測氣體的空間范圍，被待測氣體吸收后，透射光強為PO（λ），根據(jù)Lambert－Beer［11－13］定律：式中：L為光程，即光通過待測氣體的距離；C為待測氣體的體積濃度；α（λ）為氣體在波長為λ處的吸收系數(shù)。通過光強吸收前后變化，便可判斷出氣體濃度。

本研究的甲烷（CH4）氣體在1653.72nm附近存在3條非常近的吸收線，可等效為一條吸收線，如圖1所示，圖中波數(shù)為波長的倒數(shù)。

Lambert－Beer定律是氣體光譜分析的理論基礎，但并不適用于對低濃度氣體進行直接測量。不能直接使用的主要原因是被測氣體在其吸收峰處吸收譜線寬度很窄，當激光器溫度、電流波動時，激光器中心波長很難嚴格對準氣體吸收峰［14］。圖2為使用直接測量法的仿真結果。

圖1　甲烷氣體吸收峰示意圖Fig.1　Diagram　of　methane　gas　absorption　peak

圖2　直接測量法檢測結果示意圖Fig.2　Test　results　of　directly　measure

在標準大氣壓下，可以用洛侖茲吸收線型來描述甲烷氣體的吸收系數(shù)［15］：

式中：α0為甲烷在吸收峰中心處的吸收系數(shù)；λ為吸收線半寬度。設置甲烷氣體濃體積分數(shù)0.4%，激光中心波長1653.72nm，波長變化±0.1%即可得到圖2的仿真結果，圖中可見直接檢測量結果誤差較大。

為了消除激光器中心波長變化引入的誤差，使用波長掃描，檢測輸出信號峰－谷比的方式來檢測甲烷氣體，即用三角波信號控制可調諧激光二極管的注入電流，使探測激光波長在甲烷吸收峰附近掃描運動［16］，如圖3所示。

圖3中上半部分為控制激光器的三角波信號，下半部分為透射光的強度信號，透射光強在三角波信號半個周期內的峰－谷比即為入射光強與透射光強的比值，應用Lambert－Beer定律可反演出甲烷濃度［17］。

在使用波長掃描法時應注意，掃描寬度要大于甲烷氣體吸收線寬度，以保證激光器中心波長波動時探測激光波長能夠掃描到待測氣體的吸收峰。本文中使用“激光傳感器”代指基于TDLAS波長掃描法的甲烷檢測傳感器。

圖3　激光掃描式原理示意圖Fig.3　Schematic　diagram　of　laser　scanning　principle

2　空間檢測方法

基于理論分析與甲烷檢測方法，本研究重點在于提出一種適用于開放性空間的空間甲烷檢測方法。根據(jù)不同的需求，空間檢測方法可具體為兩種檢測模式，即空間網(wǎng)格檢測與掃描檢測。

2.1空間網(wǎng)格化檢測與漏點定位

空間中甲烷氣體的精細定位檢測是基于對檢測區(qū)域的劃分，并賦予相應的空間編碼而實現(xiàn)的。所謂的空間編碼是對監(jiān)測區(qū)域進行多層劃分，即將空間分層，在每層內以二維坐標標定，如圖4所示。圖中所示為在檢測區(qū)域內進行精細化劃分，使得區(qū)域內的每一點都可用唯一坐標（x，y，z）進行標示，這里劃分的粒度決定了該方法的檢測精度。檢測空間精細劃分后，在每層布置若干激光傳感器，如圖5所示。

圖4　空間分層劃分示意圖Fig.4　Schematic　diagram　of　the　space　division

圖5　傳感器布置示意圖Fig.5　Sensor　placement　diagram

圖5中，在第一層，x軸方向安放激光傳感器x1L，x2L，…，xiL，相鄰的兩個傳感器間距相為L，且L＞0，y軸方向安放激光傳感器y1L，y2L，…，yjL，相鄰的兩個傳感器間距相等為L，且L＞0，在第二層同樣位置安放激光傳感器x1LH，x2LH，…，xiLH和y1LH，y2LH，…，yjLH，依此類推，在第k層安放激光傳感器x1LkH，x2LkH，…，xiLkH和y1LkH，y2LkH，…，yjLkH，相鄰層的間距相等為H，且H＞0。

在傳感器布置過程中，理論上傳感器在檢測區(qū)域的邊界均勻分布，但實際工程中可根據(jù)現(xiàn)場條件（避開激光無法穿越的障礙物），在合適的位置安裝傳感器，并將每個傳感器實際位置與理論設計的偏移量一一記錄，在數(shù)據(jù)處理時修正偏移量，便能夠得到正確的結果。

在圖5所示的檢測空間內，如發(fā)生甲烷氣體泄漏，且泄漏位置為（2L，2L，kH），則處于點x2LkH及y2LkH的激光傳感器會檢測到泄漏氣體，即可判斷x2LkH與y2LkH的交點處發(fā)生泄漏，泄漏點坐標為（2L，2L，kH）。

舉例闡述了泄漏點處于理想位置時的定位，而對于泄漏點偏離激光傳感器的一般情況，定位精度小于空間劃分粒度。

進一步將每層傳感器信號進行匯總，即可得到檢測區(qū)域內甲烷氣體的分層氣體濃度等高線，若在此基礎上再輔以時間標識，便可得到氣體的擴散趨勢、運動速度等信息，這些信息可用于對泄漏區(qū)域周邊人員或裝置預警。

由空間網(wǎng)格圖可知，每個檢測到的泄漏點周圍都有26個傳感器檢測點，因此，網(wǎng)格檢測方法可以獲得泄漏點周圍26個方向上的氣體擴散速度，如圖6所示。

圖6　氣體擴散方向速度計算示意圖Fig.6　Gas　diffusion　velocity　calculation　in　each　direction

圖中黑點表示檢測點，假設o點為檢測到的泄漏點，則可計算泄漏氣體在oi方向的擴散速度為：

式中：Soi為o點到i點的距離，to和ti分別為o、i兩點檢測到泄漏氣體的時間。同理可計算出泄漏點周圍26個相鄰點方向上的氣體擴散速度。

在計算基礎上，可以確定泄漏氣體的擴散趨勢，即泄漏氣體擴散速度最快的方向。以擴散趨勢方向上的鄰點為原點，計算新原點25個方向上氣體擴散速度，并確定新原點處氣體擴散趨勢。按照過程迭代運算，可以得到若干氣體擴散趨勢向量，即氣體擴散軌跡，同時這些氣體擴散趨勢向量的和向量即為氣體總體擴散方向。

2.2掃描檢測

針對邊界或開闊區(qū)域，這里提出掃描檢測的方法。掃描檢測采用搖頭掃描式激光傳感器，即激光器可以旋轉掃描過0～180°，如圖7所示。

圖7　激光頭掃描式示意圖Fig.7　Scanning　laser　schematic　diagram

掃描檢測的每一空間層，其z軸坐標是已知的，即掃描層的高度nH。

式中：H為層與層之間的間隔，n為層編號，掃描檢測的定位算法為：

由式（4）～（6）漏點坐標（x，y，z），即可定位泄漏點。

兩種檢測模式是本研究空間網(wǎng)格化檢測方法提案的核心思想，在實際工程應用中兩種檢測模式，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境配合工作，例如在石化生產裝置內部使用空間定位檢測，在底部使用掃描檢測，以減少傳感器布置的數(shù)量，配合工作的優(yōu)點在于保證檢測準確性的前提下降低了檢測成本。

3　定位精度分析與技術優(yōu)勢比較

網(wǎng)格化檢測方法，其空間定位精度工程上是可控的，定位精度由空間劃分粒度確定，即激光傳感器布放的密集程度。網(wǎng)格法檢測中考慮到最壞的情況，如圖8所示。

圖8　網(wǎng)格法誤差計算示意圖Fig.8　Error　calculation　of　grid　method

當A點發(fā)生泄漏，受重力、風等環(huán)境因素影響，被B點檢測到，則定位誤差為槡3L，L為傳感器間隔，由此確定網(wǎng)格法定位誤差為：

對于掃描檢測方法，其二維定位精度由搖頭傳感器步進角度確定，擴展到空間后，垂直于掃描層方向上的定位精度由層劃分精細程度確定，即垂直于掃描層方向上的精度為層與層之間的間距。掃描法定位精度為：

式中：D為檢測點到傳感器的距離，H為層與層之間的距離?？梢钥闯?，掃描檢測方法容易做到比網(wǎng)格法更高的精度。

與傳統(tǒng)點式檢測方法相比，基于激光傳感器的空間網(wǎng)格化檢測方法其優(yōu)勢明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）傳感器使用數(shù)量大大減少。例如，檢測長、寬、高分別為100、50、30m的生產區(qū)，若要達到5m的定位精度，將空間劃分為5m見方的立方體，使用點式檢測，在每個立方體內需要安裝一個傳感器，共需要1200個點式傳感器。如果檢測區(qū)域內開闊，不存在遮擋物則可使用分層掃描的方法，將檢測空間劃分為6層，每層設置兩個掃描式激光傳感器，共使用12個傳感器即可。即使檢測區(qū)無法使用掃描檢測，使用固定的網(wǎng)格檢測，每層長度方向使用20個傳感器，寬度方向使用10個傳感器，總的傳感器使用數(shù)量僅為180個。（2）實現(xiàn)對檢測空間的在線實時監(jiān)測，便于與生產或消防系統(tǒng)聯(lián)動，當泄漏發(fā)生時，在處理人員到達現(xiàn)場前，預先切斷氣源，避免事故擴大化。（3）能夠迅速定位泄漏點，確定泄漏氣體擴散軌跡、速度，對泄漏區(qū)域周邊人員或裝置預警。

4　結　論

基于TDLAS技術，提出了一種立體網(wǎng)格式甲烷檢測方法，解決了傳統(tǒng)檢測方法靈敏度低、響應速度慢、不能進行漏點空間定位的問題，可實現(xiàn)對氣體泄漏點迅速定位。本方法不但可以檢測生產過程中的氣體泄漏，還可用于管線、儲罐等裝置的檢測。此外，這種檢測方法不局限于甲烷氣體的檢測，通過改變激光器的波長范圍可拓展到空間中其他氣體的檢測與定位。

［1］施文.有毒有害氣體檢測儀器原理和應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009：23－58.

［2］李靜，汪彤，呂梁海.城鎮(zhèn)天然氣管道泄露原因分析［J］.安全，2005，26（4）：33－34.

［3］李靜，汪彤，呂梁海.LD調制技術在光學式甲烷氣體傳感器中的應用［J］.傳感器世界，2011，17（1）：16－18.

［4］張俊有，趙玉斌，張冬鼎.TDLAS甲烷氣體濃度檢測方法的研究［J］.大觀周刊，2013（7）：68.

［5］闞瑞峰，劉文清，張玉鈞，等.可調諧二極管激光吸收光譜法測量環(huán)境空氣中的甲烷含量［J］.物理學報，2005，54（4）：1927－1930.

［6］曹家年，張可可，王琢，等.可調諧激光吸收光譜光纖甲烷傳感器研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2011，32（3）：366－371.

［7］汪世美，劉文清，劉建國，等.基于可調諧二極管激光吸收光譜遙測CH4濃度［J］.光譜學與光譜分析，2006，26（2）：221－224.

［8］高山虎，劉文清，劉建國，等.可調諧半導體激光吸收光譜學測量甲烷的研究［J］.量子電子學報，2006，23（3）：366－371.

［9］張記龍，王志斌，李曉，等.基于氣體特征光譜吸收和諧波檢測的瓦斯?jié)舛葴y量技術［J］.煤炭學報，2009，34（1）：24－27.

［10］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.

［11］董鳳忠，祠瑞峰，劉文清，等.可調諧二極管激光吸收光譜技術及其在大氣質量監(jiān)測中的應用［J］.量子電子學報，2005，22（3）：315－325.

［12］PAULC，AUSTINE.Theoreticalanalysisofa methanegasdetectionsystem，usingthecomplementarysourcemodulationmethodofcorrelation spectroscopy［J］.MeasurementScienceandTechnology，2004（8）：1629－1636.

［13］姚華.采用可調諧激光吸收光譜技術遙測甲烷氣體濃［D］.杭州：浙江大學，2011：11－12.

［14］蘆婧.光譜吸收型光纖甲烷氣體傳感器檢測方案研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009：24－25.

［15］張記龍，王志斌，李曉，等.基于光譜吸收和諧波檢測的瓦斯?jié)舛葴y量技術［J］.中北大學學報：自然科學版，2008，29（1）：68－72.

［16］楊蕊.數(shù)字化光纖氣體檢測系統(tǒng)方案研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010：8－10.

［17］楊小麗.差分光學吸收在線測量有害氣體研究［D］.成都：電子科技大學，2010：30－32.

SpacegridmethanedetectionmethodbasedonTDLAStechnology

ZHANGYi，KANGXinlong，LIChangwu，WANGZhisen
（SchoolofInformationScienceandEngineering，DalianPolytechnicUniversity，Dalian116034，China）

Becausethelowresponsespeedoftraditionalmethanedetectionfailstolocateleakage source，wedesignakindofspatialmethanedetectionmethodbasedontunablediodelaserabsorption spectroscopytechnology.ThroughdividingtheopenspacefinelyandlayingTDLASsensor，we realizethedetectionandlocationofmethanegasinthespacetimelyandaccuratelywhilegreatly reducingthenumberofsensors.Accordingtodifferentapplicationenvironment，spacedetection methodprovidestwodetectionmodes：spatialgridlocationdetectionandscanningdetection.Spatial griddetectionissuitablefordetectingthecomplexgridenvironment.Scanningdetectionusingfewer sensorsissuitablefortheboundaryregiondetection.Oncethemethaneleaks，thesourceoftheleak canbefoundintimebyapplyingthemethod.Itisgreatsignificanceforprotectingthesafetyof productionandlife.

TDLAS；methanedetection；spatiallocalization

TN247

A

1674－1404（2015）02－0136－05

2015－02－18.

張義（1989－），男，碩士研究生；通信作者：李長吾（1966－），男，教授.