國(guó)產(chǎn)紅外式可燃?xì)怏w傳感器在海上石油平臺(tái)中的應(yīng)用研究

劉橋林

（中海石油（中國(guó)）有限公司 湛江分公司，廣東湛江524057）

海洋石油開(kāi)發(fā)對(duì)中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，隨著海洋石油勘探技術(shù)的不斷提高，中國(guó)已建立了上百座海洋石油平臺(tái)。海洋石油平臺(tái)建設(shè)投資巨大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，是一個(gè)存在很多危險(xiǎn)的場(chǎng)所。在鉆井、修井及生產(chǎn)的過(guò)程中，存在較大的氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)，其中包含了可燃?xì)狻2S等易燃易爆、有毒有害氣體，對(duì)人身安全和設(shè)備的安全運(yùn)行形成了較大的威脅。為了防患于未然，需對(duì)這些氣體的泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)報(bào)警，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)的泄漏情況，采取相應(yīng)的措施，杜絕安全事故的發(fā)生。

目前海上石油平臺(tái)的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可燃?xì)馓綔y(cè)器采用的均是紅外檢測(cè)原理的產(chǎn)品，由于國(guó)外的產(chǎn)品價(jià)格高、維護(hù)修理成本高昂和技術(shù)支持的缺失，有必要選擇國(guó)內(nèi)質(zhì)量性能可靠，可替代國(guó)外同類(lèi)檢測(cè)報(bào)警功能的產(chǎn)品。無(wú)錫格林通公司生產(chǎn)的紅外檢測(cè)原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器，可以完全替代國(guó)外同類(lèi)功能的產(chǎn)品，利用泄漏氣體成分的特定紅外吸收譜線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃性氣體的泄漏檢測(cè)，該技術(shù)不容易受光源驅(qū)動(dòng)電路不穩(wěn)、紅外光源發(fā)光率衰減、探測(cè)器靈敏度漂移、水氣和灰塵干擾等污染光路的不穩(wěn)定因素的影響，并針對(duì)海上石油平臺(tái)高溫、高濕、高鹽環(huán)境進(jìn)行了防護(hù)改進(jìn)和參數(shù)匹配。經(jīng)過(guò)了海上石油平臺(tái)約3.5 a的測(cè)試、觀察，該可燃?xì)怏w探測(cè)器表現(xiàn)穩(wěn)定，輸出信號(hào)與氣體體積分?jǐn)?shù)匹配，重復(fù)性好、反應(yīng)速率快，在測(cè)試應(yīng)用期間未出現(xiàn)故障。

1 應(yīng)用環(huán)境要求

1.1 抗高低溫和高鹽霧措施

由于海上石油平臺(tái)冬天表面溫度達(dá)到-25℃，夏天溫度達(dá)60℃，晝夜溫差較大，又是高濕、高鹽霧環(huán)境，因而電子元器件和探測(cè)器的選型和測(cè)試方面就必須采取相應(yīng)控制措施。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，全部采用寬溫型低功耗電子元器件，選擇寬溫顯示器尤其重要，它能保證在低溫狀態(tài)下正常顯示；其次是電源模塊的選用，其工作穩(wěn)定性決定著其他電子元器件能否正常運(yùn)行。測(cè)試則包括在高低溫循環(huán)下的性能測(cè)試、鹽霧測(cè)試、靜電測(cè)試、故障插入測(cè)試、壽命測(cè)試等。

1.2 抗振動(dòng)措施

由于海上石油平臺(tái)有大量的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，使得可燃?xì)怏w探測(cè)器工作在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下，為了提高抗振動(dòng)性能，首先從電路板的安裝入手，采用了抗振動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)顯示器進(jìn)行了有效加固?？紤]到外殼模型設(shè)計(jì)也對(duì)抗振和安裝維修便利性有很大的影響，運(yùn)用三維建模技術(shù)對(duì)可燃?xì)怏w探測(cè)器的外殼進(jìn)行建模，并在不同振動(dòng)環(huán)境、不同安裝角度和位置對(duì)其抗振、安裝維修便利性進(jìn)行測(cè)試，評(píng)審得到最優(yōu)化的外殼模型。

1.3 防護(hù)防腐性能

采用隔爆型設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足防爆等級(jí)：Ex dⅡC T6/T5 Gb，Ex t D A20 T85℃/135℃；防護(hù)等級(jí)：IP66；采用316材質(zhì)外殼，有效抵抗高鹽霧、高濕度和高溫差環(huán)境腐蝕。

2 光譜吸收型的氣體傳感器工作原理

2.1 工作原理

光譜吸收型的氣體傳感器是利用氣體吸收產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減而得到氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)光源的發(fā)射波長(zhǎng)與氣體的吸收波長(zhǎng)相吻合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振吸收，其吸收強(qiáng)度與該氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)一束入射光強(qiáng)為I0的輸入平行光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，如果光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體的吸收譜線(xiàn)，則光發(fā)生衰減。根據(jù)朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律，出射光強(qiáng)I與I0和氣體的體積分?jǐn)?shù)φ之間的關(guān)系如下：

式中：a（v）——?dú)怏w吸收函數(shù)，即氣體在一定頻率v處的吸收函數(shù)；L——吸收路徑的長(zhǎng)度。

通過(guò)計(jì)算I與I0的比值可以得到氣體的體積分?jǐn)?shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中，出射光強(qiáng)自身的漂移及環(huán)境引起的入射光強(qiáng)的變化，均會(huì)影響對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算。因此，需要對(duì)出射光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，以便排除調(diào)制頻率之外的光強(qiáng)擾動(dòng)，同時(shí)還需要引入另一個(gè)波長(zhǎng)的光源作為參考，且須保證大多數(shù)被測(cè)氣體對(duì)該參考光源具有非常小的吸收作用，以便排除環(huán)境因素對(duì)入射光強(qiáng)的干擾。

通過(guò)對(duì)光源的注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制，光源輸出光強(qiáng)也受到相應(yīng)的調(diào)制。

式中：f（t）——正弦函數(shù)，f（t）=sinωt，ω=2πf，f——電流調(diào)制頻率；η——光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)。將式（2）代入（1），則：

在近紅外波段，氣體的吸收系數(shù)很小，滿(mǎn)足a（v）φL?1，光強(qiáng)的調(diào)制幅度也很小，即η?1，這時(shí)I（t）可近似為

計(jì)算電流調(diào)制周期T=1/f內(nèi)的I（t）面積：

對(duì)于參考光源，可以認(rèn)為a（v）近似為0，于是：

若設(shè)式（5）與式（6）相除的面積比為R，則有：

式中：K=（2η+π）/[2a（v）L]為常數(shù)。

可見(jiàn)，用入射檢測(cè)光強(qiáng)與參考光強(qiáng)在完整周期內(nèi)的面積比值作為系統(tǒng)的輸出，可以消除光源波動(dòng)等共模噪聲。

2.2 紅外傳感器的技術(shù)特點(diǎn)

紅外傳感器技術(shù)的特點(diǎn)有以下幾方面：

1)當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時(shí)，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為另一種能量，即分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量。在吸收過(guò)程中，分子的振動(dòng)頻率與分子的特性有關(guān)，輻射只是在這些頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處被吸收。利用這一點(diǎn)可以測(cè)量物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收。

2)非對(duì)稱(chēng)雙原子和多原子分子氣體，如CH4，CO，SO2，NO和CO等在紅外波段均有特征吸收峰，因而可以通過(guò)其吸收光譜來(lái)辨別，即所謂的指紋區(qū)。在2～14.5 u m的紅外吸收光譜范圍內(nèi)，混合物的成分可以很容易地被區(qū)分。正是在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收是有選擇性的。

3)采用非色散紅外（NDIR）氣體檢測(cè)原理，一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過(guò)一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強(qiáng)度就要減弱。吸收介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)愈大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強(qiáng)度的減弱愈顯著。

3 紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器的原理和結(jié)構(gòu)

3.1 直射式和反射式紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器

凡含碳?xì)浠衔锏目扇夹詺怏w對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外輻射能有強(qiáng)烈的吸收能力，通過(guò)測(cè)量紅外能量的減少，就能檢測(cè)出可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)。紅外光能的吸收是物理過(guò)程，檢測(cè)傳感器不易疲勞，所以使用壽命長(zhǎng)，可在無(wú)氧環(huán)境中使用，無(wú)中毒現(xiàn)象。檢測(cè)系統(tǒng)按光學(xué)結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單分為直射式和反射式。

1)直射式。紅外光源直接透射過(guò)氣室后到達(dá)紅外光能檢測(cè)器端，光源和檢測(cè)器單元器件分別裝在2個(gè)殼體里，兩者用防爆玻璃隔開(kāi)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，氣室光路較長(zhǎng)，一般大于80 mm，光路越長(zhǎng)，靈敏度越高。并且當(dāng)防爆玻璃因長(zhǎng)時(shí)間的使用變臟后，可以直接清洗而不影響檢測(cè)性能，光學(xué)特性穩(wěn)定。直射式紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器原理如圖1所示。

圖1 直射式紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器原理示意

2)反射式。光源與紅外光能探測(cè)器安裝在一個(gè)殼體里，在被隔爆片固封的腔體里，紅外光源通過(guò)多次反射面的反射到達(dá)光能探測(cè)器端，反射式紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器原理如圖2所示。該光學(xué)結(jié)構(gòu)的腔體也是氣室，腔體內(nèi)的反射鏡面會(huì)被進(jìn)入氣室的被測(cè)氣體污染，并且腔體光學(xué)結(jié)構(gòu)已固封，導(dǎo)致無(wú)法清洗鏡面，從而影響到檢測(cè)性能，光學(xué)特性很不穩(wěn)定。由于該類(lèi)型的光學(xué)結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)際上一些主流制造商的產(chǎn)品都不采用該光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖2 反射式紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器原理示意

3.2 國(guó)產(chǎn)紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器的特點(diǎn)

國(guó)產(chǎn)紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器的特點(diǎn)如下：

1)光學(xué)結(jié)構(gòu)。無(wú)錫格林通公司生產(chǎn)的紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器采用直射式的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并且采用了雙紅外光源技術(shù)，具有光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠，免于日常維護(hù)和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)所的易燃易爆氣體體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)。紅外雙光源直射式可燃?xì)怏w探測(cè)器光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。檢測(cè)氣體時(shí)，采用兩束單色光（窄帶光波），一束光波可被被測(cè)氣體吸收，稱(chēng)為檢測(cè)光，另一束光波不被被測(cè)氣體吸收，稱(chēng)為參考光。被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)正比于這兩束光在傳感器上測(cè)得的能量強(qiáng)度的比值。

2)硬件電路設(shè)計(jì)核心技術(shù)。信號(hào)檢測(cè)敏感體輸出的是一個(gè)毫伏級(jí)幅值的正弦波信號(hào)，將該微弱的信號(hào)放大濾波處理后，再輸入至AD采樣芯片進(jìn)行處理。該處理電路的優(yōu)點(diǎn)：能與敏感體有效阻抗匹配，保證信號(hào)的輸出功率和信號(hào)質(zhì)量；將微弱的模擬信號(hào)抬升到運(yùn)放的線(xiàn)性放大區(qū)，有利于信號(hào)的波形完整和保真；經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，使每級(jí)運(yùn)放都處于運(yùn)放的最佳放大倍數(shù)范圍；通過(guò)電容耦合消除運(yùn)放的直流量等。

4 紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器特性

紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器特性如下：

1)紅外雙光源氣體探測(cè)器光路采用直射式結(jié)構(gòu)，氣室光路較長(zhǎng)，探測(cè)器的分辨率得以提高；具有加熱光學(xué)窗口功能，可以有效地抑制和消除水氣和凝露等的污染干擾，從而保證了探測(cè)器零點(diǎn)和靈敏度的穩(wěn)定。該特性對(duì)于海上石油平臺(tái)的高濕，高熱，高腐蝕等氣候環(huán)境有很好的防御作用。

圖3 紅外雙光源直射式可燃?xì)怏w探測(cè)器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意

2)能檢測(cè)多種氣體，除了單原子的惰性氣體和具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的無(wú)極性的雙原子分子氣體外，大多數(shù)有機(jī)和無(wú)機(jī)多原子分子氣體，都可進(jìn)行檢測(cè)，這給生產(chǎn)、檢修和維護(hù)帶來(lái)便利。

3)檢測(cè)范圍寬。NDIR紅外氣體探測(cè)器能夠分析氣體的上限為100%，下限為10-6。當(dāng)采取一定措施后，下限可達(dá)10-9。

4)反應(yīng)快。對(duì)于90%的檢測(cè)氣體其響應(yīng)時(shí)間一般在10 s內(nèi)，與其他分析手段相比要快好幾倍。

5)有良好的選擇性。NDIR紅外氣體探測(cè)器有良好的選擇性，因而特別適于對(duì)多組分氣體混合氣中某一待分析組分的測(cè)量，而且當(dāng)混合氣中一種或幾種組分的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)，并不影響對(duì)待分析組分的測(cè)量。例如，熱導(dǎo)式、熱磁式等分析器則對(duì)背景氣體的成分有比較嚴(yán)格的要求。

6)能進(jìn)行連續(xù)分析。紅外線(xiàn)氣體探測(cè)器是屬于連續(xù)進(jìn)樣、連續(xù)測(cè)量和連續(xù)顯示的自動(dòng)化儀表，能監(jiān)測(cè)在線(xiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)的任何瞬時(shí)變化。

7)不中毒。不受有害氣體化學(xué)物質(zhì)的“毒害”。

8)操作簡(jiǎn)單、維修方便。

9)壽命長(zhǎng)。紅外吸收光譜的檢測(cè)儀器工作壽命一般為5 a以上，與此相比，目前普遍使用的載體催化型甲烷測(cè)量?jī)x、電化學(xué)一氧化碳測(cè)量?jī)x等，受檢測(cè)原理的限制，工作壽命一般比較短。

5 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)該國(guó)產(chǎn)紅外氣體探測(cè)器外形優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整后，在某海上平臺(tái)經(jīng)過(guò)3 a的測(cè)試，參與測(cè)試的2個(gè)傳感器在每3個(gè)月1次的預(yù)防性防護(hù)測(cè)試中，信號(hào)穩(wěn)定、輸出與測(cè)試氣樣體積分?jǐn)?shù)匹配、無(wú)誤報(bào)警和信號(hào)突變等情況；316材質(zhì)的外殼無(wú)銹蝕點(diǎn)，傳感器內(nèi)部未見(jiàn)水氣和鹽漬，密封件無(wú)老化失效現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)紅外氣體探測(cè)器能從原理上抵消光源驅(qū)動(dòng)電路及紅外光源發(fā)光率衰減、探測(cè)器靈敏度漂移、少量水氣和灰塵干擾污染光路等不穩(wěn)定因素的影響，使輸出的測(cè)量信號(hào)僅與被探測(cè)氣體吸收光譜的變化相關(guān)，從而保證了產(chǎn)品長(zhǎng)期工作穩(wěn)定；該型可燃?xì)怏w探測(cè)器具有測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、溫度范圍寬、響應(yīng)速度快、維護(hù)成本低、生命周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)海上石油平臺(tái)環(huán)境要求下的測(cè)試和性能改進(jìn)，適合海上石油平臺(tái)使用。