摘　要：对天然气泄漏检测方法和设备研究现状进行综述，重点讨论光纤吸收法和光干涉法检测天然气的原理、优缺点、相应检测仪器的研发进展。

关键词：天然气泄漏检测；  甲烷检测；  光纤吸收法；  光干涉法

Research Status of Natural Gas Leak Detection Technology

Abstract：The research status of natural gas leak detection methods and equipment is reviewed．The principles，advantages and disadvantages of optical fiber absorption method and light interference method for detection of natural gas，and the researeh progress of the corresponding detection instrument are discussed．

Keywords：natural gas leak detection；methane detection；optical fiber absorption method；light interference methnd

1　概述

天然气作为清洁能源，在发电、城市燃气及工业燃气等领域得到了广泛应用。天然气的应用减少了大气污影有利于经济与环境的协调发展，是国民经济发展及人民生活的重要保障能源之一，随着国家出台扩大内需政策而加大对城乡基础设施建设的投入力度，我国天然气行业的发展得到越来越高的重视^[1-2]；。在天然气输送及使用过程中，有时会出现燃气泄漏情况，燃气泄漏产生严重的安全隐患，如果采取措施不及时，会造成重大安全事故和经济损失。近年来，我国各地煤气中毒、天然气爆炸事故时有发生。在日常生活中，使用燃气不当造成的天然气泄漏、人员中毒伤亡事故更是屡见不鲜。因此，如何实现灭然气泄漏的快速、准确检测越来越成为人们普遍关注的问题^[3-4]。天然气的主要成分为烷烃，其中甲烷占绝大多数，因此，对天然气泄漏检测实质上就是对甲烷气体体积分数的检测。目前，检测甲烷的方法主要有光纤吸收法、光干涉法、热催化法等^[5-9]，检测甲烷的仪器主要有光干涉法甲烷检测仪、光纤吸收法甲烷检测仪。

2　甲烷检测方法

2．1　光纤吸收法

光纤吸收法是目前研究应用的重点，是天然气检漏技术的发展方向，其基本原理是Beer-Lambert定理^[5]。光是由光子组成的，当气体受到光束照射时，该气体分子就会选择性地吸收某些特定频率的光子。气体分子吸收光子会引起透射光的强度变小，特定波长的平行光透过一定厚度的气体，则出射光的强度与气体体积分数有一定的函数关系，利用这种函数关系可以实现甲烷气体体积分数的检测。根据具体测量原理的不同，光纤吸收法可以分为以下3类。

①调谐检波式

原理是通过外加电流对光源进行止弦调制，然后对从气室(收集、储存标准气体或被检测气体的腔体)中射出的光信号进行分析，从而获得甲烷气体体积分数的值^[10]。这种方法可以有效消除各种系统噪声和干扰，具有较低的检测下限，是较为先进的气体体积分数检测方法。该方法的光源可以采用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，也可以采用分布反馈式半导体激光器(Distributed Feed Back Laser Device，DFBLD)。LED光源存在带宽较大、单色性较差、检测下限较高等问题，因此，在使用过程中需要对输入的非单色光进行波长挑选和带宽压缩，以提高其单色性。相比于LED光源，DFBLD光源具有功率大、谱线窄和单纵模(是指谐振腔内只有单一纵模即单一频率)进行振荡运行等特点，并且可以通过改变温度和外加电流来调整输出波长。该法在选择性、检测下限、动态范围、响应时间和信噪比等方面具有明显优势，是光纤气体传感器的首选光源。但DFBLD光源仍然存在与光纤耦合处的干涉、衍射等损耗，造成价格较高等问题，影响了其在实际生产中的应用。

②差分吸收式

根据采用差分技术的环节不同，差分吸收式又可分为以下3种方式。a．采用一组光源，待测气室和参考气室为两个机构相同的气室。b．采用同一LED光源，一个气室。光源通过分束器得到发光强度均匀的两束光，然后分别经滤光器选取出处于吸收峰的测量波和不在吸收峰的参考波。c．采用同一LED光源，通过滤光片切换装置(该装置上安装有中心波长为测量波波长和中心波长为参考波波长的两个干涉滤光片)，由单片机控制步进电机，使测量波和参考波的光依次通过气室，实现差分测量，提高测量准确度，降低检测下限。

该方法具有较高的测量精度，其原因在于能够消除环境干扰造成的系统误差^[11]。在差分检测中，存在光电检测及信号采集系统体积较大、不易携带的问题。

③直接吸收式

采用单光源LED，单气室，由于气室出气口接有真空泵，可将气室抽真空，通过测量抽真空前后气室的吸光度计算气体体积分数^[12]。该法的体积分数检测下限可达1.3×10^-3，目前仍有研究表明，通过提高入射光功率和气室长度，可以进一步降低其检测下限值。该法的缺点是LED光源受驱动电流和温度影响较大，需采用恒定电流电源供电。

2．2　光干涉法

光干涉法是一种基于等厚干涉原理的测量方法^[13]。根据光通过气体介质的折射率随气体的密度不同而改变的性质，以空气室和甲烷室都充入相同状态的新鲜空气时产生的条纹为基准，当甲烷室充入含有甲烷的气体时，由于密度的改变会引起折射率的变化，光程也就随之发生变化，从而引起干涉条纹位移(移动)，从目镜可以看到干涉条纹移动的距离。当空气室和甲烷室的温度及压力相等时，光干涉条纹的移动距离与甲烷体积分数成正比关系，可以根据干涉条纹的移动距离测得甲烷的体积分数。

该方法检测时具有较高的稳定性，测量精度较高，相应的测量仪器便于携带，是我国煤矿瓦斯检漏的主要手段之一。但现有的仪器存在测量步骤繁琐，人为误差较大的缺点。

2．3　热催化法

热催化法是基于特定的催化剂在一定条件下能够使甲烷燃烧的检测方法。其原理是当含有甲烷的空气遇到涂有热催化剂铂丝时(铂丝由工作电流加热到一定温度)，甲烷接触到催化剂，呈无烟燃烧，放出燃烧热，铂丝的温度随之升高，从而导致铂丝的电阻明显增加，输出一定的电压，依据输出电压的不同对甲烷气体体积分数进行检测。热催化法的优点是载体催化元件在甲烷气体体积分数较低的环境下性能比较稳定，零点漂移小，精度高。目前，在便携式甲烷检测报警仪的传感器头及煤矿矿井安全监控系统中大多采用载体催化元件。但当甲烷体积分数高于9.5％时，甲烷不能充分燃烧，载体催化元件的电阻变化较小，传感器指标输出数据随之变小，易造成测量误差^[14]。另外，外界环境、使用条件变化及元件自身催化活性下降，都会使敏感元件检测下限升高，从而降低检测数据的准确性。因此，热催化法比较适用于甲烷体积分数较低的情况(一般低于4％)。

2．4　甲烷检测的其他方法

①容积式甲烷测定法

该法利用甲烷在催化元件上燃烧而引起燃烧室容积(当燃烧室为固体材料时，燃烧室容积的变化是随活塞的移动而改变)变化来检测甲烷的体积分数。容积式甲烷测定法具有测定精度高的优点，但也存在测定所用时间较长、构造复杂的缺点。

②压力式甲烷测定法

该法利用甲烷在催化元件上燃烧而引起的燃烧室压力变化来检测甲烷的体积分数。压力式甲烷测定仪的优点是构造简单，缺点是测量精度较低。

③甲烷检定灯法

该法在测试过程中，根据甲烷体积分数不同引起燃烧火焰的长度变化来检测甲烷体积分数。该法的优点是能在缺氧状态下测量甲烷体积分数，并且该类仪器结构简单。但该法的缺点是测量精度低，不能测高体积分数的甲烷，而且检测时若操作人员方法控制不当，很容易引起爆炸，因此使用该法测量甲烷时安全性较差。

④密度差式甲烷测定法

该法利用甲烷与空气的密度差产生的回转翼角速度(本文中指甲烷气体以回转半径每秒扫过的角度)的变化来测量甲烷体积分数。该方法具有结构牢固的优点，但存在装置体积较大、测量精度较低的缺点。

⑤热导式测定法

该法利用甲烷体积分数变化所引起的相对空气热导率的变化规律来测定甲烷体积分数。该法测量低体积分数甲烷精度很低，并且受杂质气体影响大^[15]。

3　甲烷检测仪器

目前，常用的甲烷检测仪器主要有两类：一类是光干涉法甲烷检测仪，其利用甲烷与空气对光折射率的不同而产生不同的干涉条纹偏移量，而此偏移量的大小与甲烷体积分数成比例的关系；另一类是光纤吸收法甲烷检测仪，其利用甲烷气体的光谱吸收特性测定甲烷的体积分数。

3．1　光干涉法甲烷检测仪

光干涉法传感器是根据光干涉法的测量原理制备而成。l930年，日本的迁二郎博士经过长期研究，发明了第一台光干涉法甲烷检测仪。1954年，我国引进了该设备，并研发了AQG-l型、GWI-1型、AQG-2型等仪器。目前，随着电子技术的快速发展，电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)作为光电转换器件应用到甲烷检测仪中，提高了测量的精度。近年来，随着嵌入式技术的快速发展，单片机、数字信号处理(Digital Signal Process，DSP)、开发板等嵌入式系统被应用于仪器仪表中进行信号处理是行业未来发展趋势。光干涉法甲烷检测仪主要的优点是使用寿命长。但是这种检测仪选择性较差，易受氧气和二氧化碳含量的影响，还容易受温度和气压影响产生误差，可靠性、稳定性稍差。

3．2　光纤吸收法甲烷检测仪

在线检测(实时检测)仪器研究和应用方面，国外起步较早，并已取得较多成果。其中光纤吸收法甲烷检测仪是应用最普遍的仪器，该仪器是根据Beer-Lambert定理进行甲烷气体检测。1979年，同本的H．Inaba等提出用长距离光纤进行大气污染监测的光纤系统，对甲烷进行在线检测，可检测到的甲烷体积分数下限为甲烷爆炸下限的25％^[16]。T．Nakaya等人于2000年以波长为1.66×10^-12m的激光器为光源，对大气中甲烷体积分数进行了连续监测研究^[17]。

虽然DFBLD光源大幅提高了气体传感器的检测精度，但其较高的成本使其难以应用。我国对这方面的研究始于20世纪80年代末，起步较晚。1997年，曹茂永等研究了吸收光谱式光纤瓦斯传感器，并提出了该类传感器技术指标及基本参数的确定方法^[18]。2000年，叶险峰等进行了甲烷气体体积分数检测的研究，该研究采用波长为1.3×10^-6m通信波段LED作为光源，配合闪耀光栅的技术对甲烷气体体积分数进行检测^[19]。2005年，林枫等将超辐射发光二极管应用到甲烷的差分吸收测量研究中，该技术对甲烷体积分数的检测下限达到1×10^-3[20]。光纤气体传感技术的发展经历了由宽带光源到利用窄带可调谐光源的过程。在发展过程中，其检测下限逐步降低，单点测量成本也逐渐降低。随着光纤传感器技术的不断发展，基于光纤的气体传感技术也会越来越完善。

4　结语

甲烷检测方法和技术的发展对我国天然气的安全使用具有重大意义。现有的甲烷检测方法中，光干涉法和光纤吸收法由于具有检测下限低、响应快、不易受其他气体干扰等优点，成为甲烷检测的主要方法。光干涉法甲烷检测仪和光纤吸收法甲烷检测仪是甲烷检测仪发展的主要方向。并且，随着光电技术的不断发展，特别是新型光源、探测器和光学器件的出现，光干涉法甲烷检测仪和光纤吸收法甲烷检测仪在甲烷的快速、准确检测中将得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]薛凯喜，胡艳香，潘贵生，等．我国天然气行业发展态势[J]．煤气与热力，2011，31(12)：B32-B37．

[2]李佩铭，焦文玲，宋汉成，等．我国液化天然气应用与推广[J]．煤气与热力，2008，28(1)：B25-B28．

[3]陈立．城市燃气技术现状及发展趋势[J]．煤气与热力，2007，27(12)：56-58．

[4]吴晓南，胡镁林，商博军，等．城市燃气泄漏检测新方法及其应用[J]．天然气工业，2009，31(9)：98-101．

[5]钟春兰．光谱吸收型光纤气体传感器的研究和设计(硕士学位论文)[D]．厦门：厦门大学，2009：1-20．

[6]管立君．基于近红外吸收原理的甲烷浓度检测研究(硕士学位论文)[D]．秦皇岛：燕山大学，2008：2-10．

[7]张娅玲，李泉明，赵胜利，等．便携式甲烷激光遥感探测仪在天然气泄漏检测的应用[J]．城市燃气，2010(8)：9-11．

[8]陈俊英．基于嵌入式技术的甲烷检测仪的研制(硕士学位论文)[D]．厦门：厦门大学．2008：1-7．

[9]张景超，管立君，肖长江，等．基于谐波检测原理的双光路CH4检测研究[J]．光电子·激光，2007．18(12)：1442-1444．

[10]王书涛，刘瑾，车仁生，等．一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器[J]．应用光学，2004，25(2)：44-47．

[11]米新江，许爱东，王英华，等．分时差分式光纤甲烷气体检测仪的研制[J]．仪表技术与传感器，2003(6)：12-14．

[12]叶险峰，汤伟中．CH4气体光纤传感器的研究[J]．半导体光电，2000(6)：218-220．

[13]王佳木．嵌入式光干涉甲烷检测仪设计(硕士学位论文)[D]．合肥：合肥工业大学，2007：1-4．

[14]樊雪梅．浅谈热催化燃烧式甲烷传感器检测瓦斯的适用性[J]．同煤科技，2009(3)：19-20．

[15]贪荣先，史惠昌．建井通风与安全[M]．北京：煤炭工业出版社，l980：161．

[16]CHAN K．10km-long fiber-optic reinote sensing of CH4 gas by near infrared absorption[J]．Applied Phvsies，1985(12)：11-15．

[17]NAKAYA T．Continuous monitoring of theⅡlethane concentration in the atmosphere by IR spectrometry with 1.66pm diode laser[J]Analytical Sciences，2000(6)：1211-1214．

[18]曹茂永，张逸芳，张二昌，等．吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计[J]．煤炭学报，1997，22(3)：280-283．

[19]叶险峰，汤伟中．CH4气体光纤传感器的研究[J]．半导体光电，2000，21(3)：215-220．

[20]林枫，蔡海文，夏志平，等．光纤光栅滤波的瓦斯传感系统的研究[J]．中国激光，2005，4(32)：549-552．

本文作者：杨孟乔  白莉

作者单位：吉林建筑大学