基于TDLAS的天然气输送管道微量泄漏检测技术综述

郝 旭，徐景德，李 晖

(华北科技学院 研究生院，北京东燕郊 101601)

基于TDLAS的天然气输送管道微量泄漏检测技术综述

郝 旭，徐景德，李 晖

(华北科技学院 研究生院，北京东燕郊 101601)

可调谐二极管激光吸收光谱检测技术(TDLAS)利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现气体微量泄露检测的一种新技术。首先从红外吸收光谱的原理出发，对TDLAS技术的检测原理、技术原理、系统结构和测量过程进行阐述分析。通过理论分析和系统试验证明，该系统应用在天然气管道微量泄漏检测中显示出其高选择性、高可靠性和高灵敏度的优势。然后列举了近些年TDLAS技术研究的最新进展。最后指出了现在存在的问题和发展的趋势。

TDLAS技术；气体微量泄露；灵敏度；可靠性

0 引言

随着全球对能源需求的日益增长，高压管道集输成为了保障社会需求的重要环节。然而高压管道气体微量泄漏的问题却变得尤为重要[1]。为了保证管网的输送系统能够正常运行，避免泄漏事故带来的社会危害和经济损失，必须要对输送管道进行日常巡检和维护。随着目前管网数量的急剧增加，外加传统监测方法不能实现连续监测，且响应速度慢、精度低等，已经没有办法满足目前大中型检测泄漏工作在可靠性和稳定性方面的要求。

对于甲烷等气体浓度的检测也一直以来是人们关注的热点，对寻找其产生源、泄漏源是非常必要的[2]。针对气体微量泄漏的特性，进行及时、准确的检测其泄漏的浓度具有十分重要的意义。因此本文通过介绍可调谐二极管激光吸收光谱气体检测技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称TDLAS)，来对天然气高压管道中甲烷等气体的微量泄漏检测进行分析研究。

1 TDLAS技术简介

随着对气体泄露检测技术不断增长的需求，近年来应用光谱学知识的检测技术获得快速的发展，它们具有高效、精确、非接触式的特征。其中的可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)，主要是通过改变可调谐半导体激光器的电流来控制激光器的谱线宽度，进而分辨单个或多个分子距离很近的吸收线，通过每个激光波长扫描的待测气体吸收峰都包含被测气体信息的吸收谱线，同时也排除了其他干扰气体的背景谱线[3]。它的本质是利用被测气体对光波的选择吸收，从而产生吸收光谱的特性来对气体进行分析。相比于传统的气体检测方法主要有以下三个优势[4]：(1)高选择性，高分辨率；(2)灵敏度高、响应时间短；(3)应用广泛。

2 TDLAS技术检测原理

2.1 气体浓度检测机理

激光气体浓度检测的机理为：将一束特定波长的激光穿过被测气体，当激光器的波长和被测气体某个吸收谱线的中心频率相同时，气体分子(原子)就会吸收光子而跃迁到高能级，表现出来，就是激光能量的衰减。激光能量的衰减幅度可以由比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律来计算：

(1)

其中，Iv0为频率为ν的激光通过待测气体前的光强；Iv表示频率为ν的激光通过待测气体后的光强；S(T)表示在温度T时气体吸收谱线的谱线强度；g(v-v0)是该气体吸收谱线的线型函数；P是工作气体压力；ρ是气体浓度；L为激光吸收路径的长度。我们可以推导出浓度ρ的表达式：

(2)

由于气体分子结构的不同，不同气体的吸收光谱因而也互不相同，检测某种特定波长的光的吸收情况，便可对相应的气体进行定量分析。气体分子对红外光的选择性吸收是TDLAS型气体浓度检测的研究基础[5]。

2.2 吸收线的选择

应用 TDLAS 技术检测如甲烷(CH4)的浓度实质上是基于对CH4特征吸收谱线的测量。选择什么样的气体分子吸收谱线作为监测之用，对于准确测量气体的浓度至关重要，通常需要考虑以下因素[6]：

(1) 对于待测气体，应选择强吸收线以提高探测灵敏度。

(2) 所选的吸收线线型应尽可能规则，如洛伦兹线型、高斯线型，以便于浓度反演。

(3) 选择一条与该气体其它谱线分离开的吸收线，以减小相邻吸收线的干扰。

(4) 所选的吸收线应尽量避开其它气体的干扰线，常见干扰包括二氧化碳和水蒸气等，它们的吸收线遍于红外光谱区，并且吸收线的强度很高。

例如甲烷分子在1.3 μm至1.6 μm、1.5 μm至1.9 μm波长范围内，尤其是在1.654 μm附近有最大的吸收峰，其吸收线线强的量级为10-21。根据HITRAN数据库，CH4在位于1.654 μm波长处共有三条间隔十分近的吸收谱线，它们分布在不大于0.01 nm的波长范围内，一条吸收谱线的线强相当于三条吸收谱线的线强之和，且在该吸收谱线的前后0.5 nm范围内不存在其它气体的强吸收线，其线强是该波段内其它气体吸收线线强的6500多倍。因此，选择该吸收线不但可以达到非常低的探测下限，同时可以消除空气中其它干扰气体的影响。

2.3 TDLAS气体检测的技术原理

为了提高测量的灵敏度，系统采用波长调制-二次谐波检测技术。由信号发生器生成的低频扫描锯齿波与高频调制正弦波叠加至半导体激光器的驱动电路中。那么，输出激光在对被测气体的特征吸收谱线进行扫描的同时，同时受到高频正弦波信号的正弦调制。调制激光束经过样品池，通过多次反射经气体吸收、强度发生衰减后，被光电探测器检测进行光电转换；探测器输出的电信号进入锁相放大器，被调制信号的二倍频信号(即2f信号)解调就得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号。通过计算机处理后，最终输出被测气体的浓度信息[7]。

3 系统装置及测量过程

本检测系统主要分为发射系统、信号调制与解调系统、接收系统、信息采集与处理系统四部分[8]。试验方法如下：谱线确定后，我们结合TDLAS 技术进行测量。经过波长调制的光束通过准直光纤耦合进入标准气室。采用循环泵吸入的进气方式。探测器将接收到的吸收光信号送至锁相放大器，解调出用于处理的谐波信号，计算机通过对采集到的谐波信号进行实时的数据分析，由此得出所测量的气体体积浓度。TDLAS系统检测的原理和实物如图1、2所示。

图1 TDLAS系统检测的原理图

图2 TDLAS系统检测的实物图

4 TDLAS技术研究进展

将TDLAS技术应用于城市天然气管道中甲烷气体泄漏检测[9]。通过利用激光二极管有很高的光谱分辨率和可调谐性，把甲烷分子与背景的干扰区分开来。实验测量给出了二极管激光器最优的参数设置，得到了系统的最低检测限和线性响应度，具有很好的测量实时性。同时也考虑到地形、风速、风向、管道埋藏深度等因素的影响，也得到了很好的检测效果。

利用TDLAS技术解决了煤矿灾害气体检测过程中存在的很多问题，特别是对采空区、工作面上隅角等甲烷气体易聚集而现有设备无法检测的区域[10]，最终获取更为精确的甲烷浓度信息。通过此技术解决了现有固定式及便携式甲烷检测仪器无法对矿区井下进行全面的甲烷浓度检测的问题。

蒋亚龙、蔡霆力设计了一套基于TDLAS技术的甲烷气体浓度探测系统[11]。利用长光程测量池，对8种浓度的CH4气体进行了测量。实验验证了系统对甲烷有很好的线性关系并且响应度好，系统长时间运行稳定可靠，可以用于对煤矿、天然气站等场所进行现场检测。

通过在TDLAS技术中采用反馈式激光器实现甲烷气体浓度检测，系统的浓度测量精度可达到5%，实现了不大于1 s的系统响应时间。还有在充分考虑线光源和外界压力的影响下，提出了完备的非对称椭球聚光镜气室物理模型[12]，通过现场实验进一步将激光扫描步长、温度、光强和压强等外在环境的影响因素进行优化。

5 存在的问题及发展趋势

TDLAS技术具有十分重要的现实意义，尽管已经取得了很大的进步，工程实践中已得到应用，取得了一定的经济效益，但同时也发现一些问题：一是系统可靠性的问题。要测量高压管道附近甲烷气体泄露的浓度，在保证人员和装置安全情况下的最大测试距离。二是系统灵敏度的问题。实验装置本身可以检测到的泄漏气体最低浓度极限，以及在外界检测时外在环境(如温度、湿度、光照、压强等)因素的影响，这些是否会对结果造成误差。三是在实际测量高压管道中，泄漏气体本身存在多组分的情况，如何准确检测目标气体，其他组分气体是否会对其结果有影响。

TDLAS技术虽已取得了长足的进步，但仍有许多关键技术有待进一步研究。特别是当今传感器、通信、信号处理等技术的快速发展，为TDLAS技术带来了新的活力。今后研究的主要方向有：

(1) 研制适合长远距离管道的小型化、专用化的常见有害气体检测分析仪。

(2) 通过现代无线通信方式来实现气体浓度的遥感监测。可以根据工作现场的需要实施实时或定时检测，突破传统气体检测仪表的工作模式，不再受外界环境的影响。便携式与无线传输相结合将是今后气体检测发展的新趋势。

(3) 随着微电子技术的不断发展，智能化已成为气体检测发展的新方向。随着虚拟仪器技术的发展，用户可以根据不同的测试任务需求来定义和设计仪器的测试性能，实现计算机与检测仪器真正的一体化。

[1] 罗欢.高压输气管道泄漏危险性分析及后果模拟[D].西南石油大学,2015.

[2] 潘卫东，张佳薇，戴景民，等.利用可调谐半导体激光吸收光谱法在1.626 μm处实现乙烯和甲烷的同步检测(英文)[J].红外与毫米波学报，2013， 32(6):486-490.

[3] 陆同兴，路轶群.激光光谱技术原理及应用(第二版)[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.7:22.

[4] 曾盼，倪屹，高攀，等.基于可调谐半导体激光吸收光谱的甲烷传感系统[J].激光与光电子学进展，2015，12:256-262.

[5] 李民赞.光谱分析技术及其应用[M].北京：科学出版社，2006.

[6] 李素文，谢品华.基于小波变换的差分吸收光谱数据处理方法[J].光学学报，2006，26(11):1601-1604.

[7] 董凤忠，阚瑞峰.可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用[J].量子电子学报，2015，22(3):315-325.

[8] 方曦.基于TDLAS技术的多组分气体检测系统研究与电路设计[D].中科院合肥研究院安徽光学精密机械研究所，2007.

[9] 张帅，刘文清，张玉钧，等.基于激光吸收光谱技术天然气管道泄漏定量遥测方法的研究[J].物理学报，2012，61(5):84-91.

[10] 刘彬，童敏明.调谐式激光甲烷检测装置[J].煤炭技术，2010，29(5):42-44.

[11] 蒋亚龙，蔡霆力，祝玉泉.可调谐半导体激光吸收光谱甲烷浓度监测系统[J].电子测量与仪器学报，2011，25(3):265-271.

[12] 金永君.基于分布反馈式半导体激光器的光纤甲烷传感器[J].传感器世界，2016，22(1):17-20.

Summary of trace leakage detection technology for natural gas transmission pipeline based on TDLAS

HAO Xu，XU Jing-de， LI Hui

(GraduateSchool，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

Tunable diode laser absorption spectroscopy detection technique (TDLAS) is a new technique of detection of trace gas leakage.It makes use of a tunable diode laser scanning in wavelength and tuning in current.First from the principle of infrared absorption spectra,the detection principle and technical principle,system structure and the measurement process of TDLAS technology are analyzed.By theoretical analysis and system testing,The system is used in micro leak detection of natural gas pipeline,which shows its advantages of high selectivity,high reliability and high sensitivity.And then the latest progress of TDLAS technology research in recent years is listed.Finally,it is pointed out that the existing problems and the development trend.

TDLAS technology; trace gas leakage; sensitivity; reliability

2016-06-12

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015118，3142015122)

郝旭(1990-)，男，山西太原人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯防治、天然气管道泄漏检测。E-mail：987040805@qq.com

TP274.4

A

1672-7169(2016)04-0060-05