近年來(lái)紅外氣體檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用在天然氣儲(chǔ)運(yùn)、中轉(zhuǎn)及加工過程中，用來(lái)檢測(cè)甲烷的泄漏情況。它具有極高的準(zhǔn)確性和靈敏度，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、響應(yīng)時(shí)間快、不易受其他氣體干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此使用高精度、高靈敏度、穩(wěn)定耐用的在線或遠(yuǎn)程紅外氣體檢測(cè)儀，對(duì)保證石油天然氣企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。本文分析了紅外氣體檢測(cè)技術(shù)的原理，介紹了目前紅外氣體檢測(cè)中常用的檢測(cè)技術(shù)。詳細(xì)描述了目前能夠應(yīng)用于復(fù)雜測(cè)量環(huán)境中的紅外光譜測(cè)量技術(shù)，并以甲烷和硫化氫氣體為例，分析了紅外檢測(cè)方法在天然氣安全生產(chǎn)中的應(yīng)用。

　　1 紅外氣體檢測(cè)原理

　　多數(shù)雙原子分子和多原子分子在紅外光譜范圍里有其分子結(jié)構(gòu)所決定的特征吸收譜，因此可以根據(jù)氣體紅外吸收光譜的特點(diǎn)來(lái)獲得氣體的種類、濃度等信息。以甲烷氣體為例，在中紅外3.3μm和7.65μm附近存在兩個(gè)基本吸收光譜，在近紅外1.33μm和1.66μm分別存在組合頻帶和泛頻帶[1]。紅外甲烷檢測(cè)基于甲烷氣體對(duì)紅外光吸收的原理，當(dāng)一定波長(zhǎng)的紅外光通過被測(cè)氣體，氣體在其吸收譜線處吸收紅外光，在紅外探測(cè)器上便可以檢測(cè)出光強(qiáng)度的變化。根據(jù)Lambert-Beer定律可以得到氣體的吸收情況[2]：

　　I(v)=I0exp[-α(v)CL] (1)

　　式中I0是入射光強(qiáng)度;I(v)是氣體吸收之后的光強(qiáng)度;L是氣體的吸收長(zhǎng)度;C是氣體濃度，mg/m3;α(v)是在頻率v處的吸收系數(shù)，cm。

　　紅外氣體檢測(cè)技術(shù)包括直接吸收、光聲光譜、光纖傳感、可調(diào)諧激光二極管光譜(TDLS)、波長(zhǎng)/頻率調(diào)制光譜(WMS/FMS)等，這幾種方法可以單獨(dú)采用，也可以結(jié)合起來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短，以獲得更好的檢測(cè)結(jié)果。其中：①直接吸收光譜技術(shù)是最早采用的一種檢測(cè)方法。根據(jù)Lambert-Beer定律，氣體對(duì)光的吸收與氣體吸收長(zhǎng)度成正比，光程越長(zhǎng)，氣體的吸收越多，得到的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性越好;②光纖傳感技術(shù)利用氣體在近紅外區(qū)的泛頻帶或合頻帶，以近紅外激光二極管(LD)為光源，利用光纖進(jìn)行光傳輸，易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式傳感，同時(shí)不會(huì)受到電磁輻射的干擾。此外光纖傳感器系統(tǒng)在易燃易爆氣體環(huán)境下工作是本質(zhì)安全的;③光聲光譜技術(shù)(PAS，photoacoustic spectroscopy)基于光聲效應(yīng)，同其他紅外吸收技術(shù)相比，PAS是間接的測(cè)量技術(shù)。氣體分子對(duì)光的吸收通過非輻射躍遷過程，在氣體中產(chǎn)生瞬態(tài)溫度變化，然后轉(zhuǎn)化為壓力變化，用電介質(zhì)微音器或基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的壓力傳感器來(lái)探測(cè)聲波，從而獲得氣體的吸收情況。

　　對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的高精度測(cè)量，氣體分子吸收光譜在壓力或溫度變化時(shí)存在展寬或譜線強(qiáng)度的改變。為了獲得被測(cè)分子譜線的信息以及其他相關(guān)測(cè)量結(jié)果，例如氣體濃度、壓力、溫度等，最近有人提出了一種新的基于TDLS和WMS的精確測(cè)量氣體分子吸收譜線的方法[3]?；赥DLS WMS的氣體檢測(cè)系統(tǒng)不需要附加其他的溫度、壓力傳感器，是一種不需要校準(zhǔn)的

　　技術(shù)，其系統(tǒng)框圖見圖1。圖1中采用加法器將高頻正弦調(diào)制信號(hào)同低頻調(diào)諧信號(hào)結(jié)合起來(lái)，作為激光器的驅(qū)動(dòng)電流，在光電探測(cè)器將氣體吸收之后的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出并用鎖相放大器進(jìn)行相敏檢波，從而獲得被測(cè)氣體吸收譜線的諧波分量。圖2為氣體分子吸收譜線及其一次、二次波長(zhǎng)調(diào)制諧波分量的示意圖。

　　2.1 監(jiān)測(cè)天然氣輸送儲(chǔ)運(yùn)過程甲烷的泄漏

　　無(wú)論是長(zhǎng)距離天然氣輸送管道，還是壓縮天然氣(CNG)儲(chǔ)運(yùn)，對(duì)甲烷氣體的泄漏監(jiān)測(cè)都非常重要。其中對(duì)于天然氣管道泄漏的遠(yuǎn)距離安全巡檢是一個(gè)亟待解決的難題。在野外或城鎮(zhèn)環(huán)境下，受到地表樹木、土壤、巖石以及建筑物的影響，探測(cè)無(wú)法直接進(jìn)行。根據(jù)甲烷氣體分子質(zhì)量比空氣的平均分子質(zhì)量小的原理，天然氣管道中泄漏出的甲烷氣體向上漂浮在空氣中，并同空氣混合形成濃度較低的甲烷氣團(tuán)。

　　紅外氣體檢測(cè)是目前天然氣管道泄漏檢測(cè)非常有效的方法?；诩淄闅怏w紅外吸收原理的遠(yuǎn)距離遙感探測(cè)方法，可以在高空或近地表處實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏區(qū)域附近的甲烷探測(cè)，從而確定泄漏位置，為搶修提供最及時(shí)的幫助。采用TDLS和高頻WMS技術(shù)能夠克服空氣湍流對(duì)測(cè)量的影響，同時(shí)結(jié)合諧波檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度甲烷氣體的實(shí)時(shí)探測(cè)。

　　基于光纖拉曼放大技術(shù)的近紅外甲烷傳感系統(tǒng)結(jié)合TDLS和WMS[5]，對(duì)甲烷吸收譜線進(jìn)行掃描并采用諧波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過同時(shí)掃描甲烷吸收譜線和譜線之間的空白區(qū)，并對(duì)空白區(qū)的噪聲以及光強(qiáng)度衰減情況進(jìn)行分析，能夠克服遠(yuǎn)距離測(cè)量中激光照射到地表物體后存在的嚴(yán)重光散射和光吸收等問題。由此提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，其原理如圖3所示。其中半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)和探測(cè)器的后端處理部分同圖1。