基于TDLAS技术的空间网格化甲烷检测方法

张　义，康信龙，李长吾，王智森

（大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连　116034）

基于TDLAS技术的空间网格化甲烷检测方法

张义，康信龙，李长吾，王智森

（大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连116034）

针对传统甲烷检测方法响应速度慢、无法定位泄漏源的弊端，设计了一种基于可调谐激光二极管吸收光谱技术的空间立体甲烷检测方法。通过对开放性空间分层精细化划分，布置TDLAS传感器，不仅实现了对空间内甲烷气体实时、准确的探测与定位，而且大大减少了传感器的使用数量。根据不同的应用环境，空间检测方法提供两种检测模式：空间网格定位检测与扫描检测。网格检测适用于复杂的生产装置内部的检测；扫描检测适用相对更少的传感器，适用于视线开阔的边界区域检测。当泄漏发生时该检测方法可及时发现泄漏点，对于保护生产生活安全具有十分重要的意义。

TDLAS；甲烷检测；空间定位

0　引　言

甲烷是民用和工业领域中主要的气体燃料，也是一种重要的化工原料，同时也是石油、石化生产过程中的一种主要中间产品。而甲烷气体易燃易爆，对泄漏甲烷气体浓度进行及时、准确的探测，并发现泄漏源，对于保护生产生活安全具有十分重要的意义［1－3］。

目前国内甲烷检测的技术手段主要是化学方法和半导体传感器检测法［4］。这些传统的检测方法是单纯的点检测，而甲烷气体具有空间扩散性，在实际应用中不仅存在探头维护频繁、灵敏度低、响应速度慢、不能连续检测等问题。单点检测无法对空间中的泄漏气体有效地检测。

可调谐激光二极管吸收光谱（tunablediode laserabsorptionspectroscopy，TDLAS）气体测量技术是在二极管激光器与长光程吸收池技术的基础上发展起来的一种气体检测方法，这种方法不仅精度较高、选择性强而且响应速度快［5］，特别适合低浓度气体的快速检测。

基于TDLAS技术的甲烷检测研究已有部分成果，例如曹家年等［6］利用温度补偿提高检测精度，汪世美等［7－9］设计了基于气室的检测系统。上述研究仅实现了甲烷气体检测由点到线的转变，在实际工程应用中，还存在以下问题：（1）检测区域经常是一个开放性的空间，以典型的石化厂区为例，其主要特点是区域面积大，管线立体密布。在复杂的工程环境中如何发挥TDLAS技术的优势，对整个开放性空间有效的监控是目前研究的空白。（2）传感器检测精度高，但无法定位泄漏源。检测精度是指传感器能够检测到气体的最小浓度，检测精度高的意义在于泄漏发生的早期能够发现泄漏气体，而当泄漏发生后，泄漏点的定位则更加重要，快速定位泄漏点才能及时采取措施，避免重大事故的发生。如何实现泄漏点定位，及提高定位精度，是目前研究有所欠缺的。所谓定位精度是指检测出的泄漏点与实际泄漏点的最大位置误差。

针对上述问题，作者提出了一种基于TDLAS技术的空间网格化甲烷检测方法，采取立体网格化的传感器布局方式对需要检测空间进行全方位监控，能够连续监控空间中甲烷气体泄漏情况，确定泄露气体扩散轨迹、速度，迅速定位泄露点。特别适用于需要精确检测甲烷气体泄漏情况又无法密集布置传感器的复杂应用环境。

1　理论基础

如果气体的吸收谱线在入射光谱范围内，光通过气体以后，在相应谱线处会发生光强的衰减［10］。一束光强为PI（λ）的探测激光，扫描过待测气体的空间范围，被待测气体吸收后，透射光强为PO（λ），根据Lambert－Beer［11－13］定律：式中：L为光程，即光通过待测气体的距离；C为待测气体的体积浓度；α（λ）为气体在波长为λ处的吸收系数。通过光强吸收前后变化，便可判断出气体浓度。

本研究的甲烷（CH4）气体在1653.72nm附近存在3条非常近的吸收线，可等效为一条吸收线，如图1所示，图中波数为波长的倒数。

Lambert－Beer定律是气体光谱分析的理论基础，但并不适用于对低浓度气体进行直接测量。不能直接使用的主要原因是被测气体在其吸收峰处吸收谱线宽度很窄，当激光器温度、电流波动时，激光器中心波长很难严格对准气体吸收峰［14］。图2为使用直接测量法的仿真结果。

图1　甲烷气体吸收峰示意图Fig.1　Diagram　of　methane　gas　absorption　peak

图2　直接测量法检测结果示意图Fig.2　Test　results　of　directly　measure

在标准大气压下，可以用洛仑兹吸收线型来描述甲烷气体的吸收系数［15］：

式中：α0为甲烷在吸收峰中心处的吸收系数；λ为吸收线半宽度。设置甲烷气体浓体积分数0.4%，激光中心波长1653.72nm，波长变化±0.1%即可得到图2的仿真结果，图中可见直接检测量结果误差较大。

为了消除激光器中心波长变化引入的误差，使用波长扫描，检测输出信号峰－谷比的方式来检测甲烷气体，即用三角波信号控制可调谐激光二极管的注入电流，使探测激光波长在甲烷吸收峰附近扫描运动［16］，如图3所示。

图3中上半部分为控制激光器的三角波信号，下半部分为透射光的强度信号，透射光强在三角波信号半个周期內的峰－谷比即为入射光强与透射光强的比值，应用Lambert－Beer定律可反演出甲烷浓度［17］。

在使用波长扫描法时应注意，扫描宽度要大于甲烷气体吸收线宽度，以保证激光器中心波长波动时探测激光波长能够扫描到待测气体的吸收峰。本文中使用“激光传感器”代指基于TDLAS波长扫描法的甲烷检测传感器。

图3　激光扫描式原理示意图Fig.3　Schematic　diagram　of　laser　scanning　principle

2　空间检测方法

基于理论分析与甲烷检测方法，本研究重点在于提出一种适用于开放性空间的空间甲烷检测方法。根据不同的需求，空间检测方法可具体为两种检测模式，即空间网格检测与扫描检测。

2.1空间网格化检测与漏点定位

空间中甲烷气体的精细定位检测是基于对检测区域的划分，并赋予相应的空间编码而实现的。所谓的空间编码是对监测区域进行多层划分，即将空间分层，在每层内以二维坐标标定，如图4所示。图中所示为在检测区域内进行精细化划分，使得区域内的每一点都可用唯一坐标（x，y，z）进行标示，这里划分的粒度决定了该方法的检测精度。检测空间精细划分后，在每层布置若干激光传感器，如图5所示。

图4　空间分层划分示意图Fig.4　Schematic　diagram　of　the　space　division

图5　传感器布置示意图Fig.5　Sensor　placement　diagram

图5中，在第一层，x轴方向安放激光传感器x1L，x2L，…，xiL，相邻的两个传感器间距相为L，且L＞0，y轴方向安放激光传感器y1L，y2L，…，yjL，相邻的两个传感器间距相等为L，且L＞0，在第二层同样位置安放激光传感器x1LH，x2LH，…，xiLH和y1LH，y2LH，…，yjLH，依此类推，在第k层安放激光传感器x1LkH，x2LkH，…，xiLkH和y1LkH，y2LkH，…，yjLkH，相邻层的间距相等为H，且H＞0。

在传感器布置过程中，理论上传感器在检测区域的边界均匀分布，但实际工程中可根据现场条件（避开激光无法穿越的障碍物），在合适的位置安装传感器，并将每个传感器实际位置与理论设计的偏移量一一记录，在数据处理时修正偏移量，便能够得到正确的结果。

在图5所示的检测空间内，如发生甲烷气体泄漏，且泄漏位置为（2L，2L，kH），则处于点x2LkH及y2LkH的激光传感器会检测到泄漏气体，即可判断x2LkH与y2LkH的交点处发生泄漏，泄漏点坐标为（2L，2L，kH）。

举例阐述了泄漏点处于理想位置时的定位，而对于泄漏点偏离激光传感器的一般情况，定位精度小于空间划分粒度。

进一步将每层传感器信号进行汇总，即可得到检测区域内甲烷气体的分层气体浓度等高线，若在此基础上再辅以时间标识，便可得到气体的扩散趋势、运动速度等信息，这些信息可用于对泄漏区域周边人员或装置预警。

由空间网格图可知，每个检测到的泄漏点周围都有26个传感器检测点，因此，网格检测方法可以获得泄漏点周围26个方向上的气体扩散速度，如图6所示。

图6　气体扩散方向速度计算示意图Fig.6　Gas　diffusion　velocity　calculation　in　each　direction

图中黑点表示检测点，假设o点为检测到的泄漏点，则可计算泄漏气体在oi方向的扩散速度为：

式中：Soi为o点到i点的距离，to和ti分别为o、i两点检测到泄漏气体的时间。同理可计算出泄漏点周围26个相邻点方向上的气体扩散速度。

在计算基础上，可以确定泄漏气体的扩散趋势，即泄漏气体扩散速度最快的方向。以扩散趋势方向上的邻点为原点，计算新原点25个方向上气体扩散速度，并确定新原点处气体扩散趋势。按照过程迭代运算，可以得到若干气体扩散趋势向量，即气体扩散轨迹，同时这些气体扩散趋势向量的和向量即为气体总体扩散方向。

2.2扫描检测

针对边界或开阔区域，这里提出扫描检测的方法。扫描检测采用摇头扫描式激光传感器，即激光器可以旋转扫描过0～180°，如图7所示。

图7　激光头扫描式示意图Fig.7　Scanning　laser　schematic　diagram

扫描检测的每一空间层，其z轴坐标是已知的，即扫描层的高度nH。

式中：H为层与层之间的间隔，n为层编号，扫描检测的定位算法为：

由式（4）～（6）漏点坐标（x，y，z），即可定位泄漏点。

两种检测模式是本研究空间网格化检测方法提案的核心思想，在实际工程应用中两种检测模式，可根据现场环境配合工作，例如在石化生产装置内部使用空间定位检测，在底部使用扫描检测，以减少传感器布置的数量，配合工作的优点在于保证检测准确性的前提下降低了检测成本。

3　定位精度分析与技术优势比较

网格化检测方法，其空间定位精度工程上是可控的，定位精度由空间划分粒度确定，即激光传感器布放的密集程度。网格法检测中考虑到最坏的情况，如图8所示。

图8　网格法误差计算示意图Fig.8　Error　calculation　of　grid　method

当A点发生泄漏，受重力、风等环境因素影响，被B点检测到，则定位误差为槡3L，L为传感器间隔，由此确定网格法定位误差为：

对于扫描检测方法，其二维定位精度由摇头传感器步进角度确定，扩展到空间后，垂直于扫描层方向上的定位精度由层划分精细程度确定，即垂直于扫描层方向上的精度为层与层之间的间距。扫描法定位精度为：

式中：D为检测点到传感器的距离，H为层与层之间的距离。可以看出，扫描检测方法容易做到比网格法更高的精度。

与传统点式检测方法相比，基于激光传感器的空间网格化检测方法其优势明显。主要体现在以下几个方面：（1）传感器使用数量大大减少。例如，检测长、宽、高分别为100、50、30m的生产区，若要达到5m的定位精度，将空间划分为5m见方的立方体，使用点式检测，在每个立方体内需要安装一个传感器，共需要1200个点式传感器。如果检测区域内开阔，不存在遮挡物则可使用分层扫描的方法，将检测空间划分为6层，每层设置两个扫描式激光传感器，共使用12个传感器即可。即使检测区无法使用扫描检测，使用固定的网格检测，每层长度方向使用20个传感器，宽度方向使用10个传感器，总的传感器使用数量仅为180个。（2）实现对检测空间的在线实时监测，便于与生产或消防系统联动，当泄漏发生时，在处理人员到达现场前，预先切断气源，避免事故扩大化。（3）能够迅速定位泄漏点，确定泄漏气体扩散轨迹、速度，对泄漏区域周边人员或装置预警。

4　结　论

基于TDLAS技术，提出了一种立体网格式甲烷检测方法，解决了传统检测方法灵敏度低、响应速度慢、不能进行漏点空间定位的问题，可实现对气体泄漏点迅速定位。本方法不但可以检测生产过程中的气体泄漏，还可用于管线、储罐等装置的检测。此外，这种检测方法不局限于甲烷气体的检测，通过改变激光器的波长范围可拓展到空间中其他气体的检测与定位。

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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.

张义（1989－），男，硕士研究生；通信作者：李长吾（1966－），男，教授.