王瑋奇，王春楠，李 向

(1.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所有限公司，上海 200233；2.上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，國際上主要采用點型可燃?xì)怏w探測器探測可燃?xì)怏w泄漏情況。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),該探測器存在壽命短[1]、易中毒、探測面積小等缺陷，因此，一般只限于在應(yīng)用現(xiàn)場重點位置安放。激光原理探測器抗干擾能力強(qiáng)，具有氣體吸收單一選擇性和防爆等方面的優(yōu)勢[2-3]，探測距離一般能達(dá)到70 m；與傳統(tǒng)探測器相比，具有布放數(shù)量少、節(jié)約采購成本和安裝維護(hù)成本等優(yōu)點。為了驗證云臺氣體泄漏檢測儀的可靠性，設(shè)計了激光原理泄漏檢測儀的論證試驗，并分析評定了檢測儀的測量不確定度,對其影響因素進(jìn)行分析評價。

1 激光原理泄漏檢測特點

1.1 檢測原理

云臺天然氣管道泄漏檢測儀基于大氣傳輸理論中的本征譜帶吸收原理,即伯朗-比爾定律(又稱光的吸收定律)。該定律表明：一束單色光通過某一氣體后,由于氣體吸收了一部分能,光的強(qiáng)度就要減弱。若氣體濃度不變,則氣體的厚度越大,即光在氣體中所經(jīng)過的途徑越長,光的強(qiáng)度減弱也越顯著[4]。泄漏檢測儀的主要檢測器的工作方式是發(fā)射一束穿過環(huán)境中的氣體，并且在另一端進(jìn)行接收。發(fā)射器與接收器之間的距離即為光程。伯朗-比爾定律用式(1)表示:

Id=Ioe-Clk

(1)

式中:Id為氣體吸收后的光強(qiáng);Io為氣體吸收前入射光強(qiáng);C為氣體濃度;l為光路長度;k為波長相關(guān)系數(shù)。

從式(1)可看出,當(dāng)光路長度l一定時,Id與氣體濃度C有關(guān)。只要知道Id,即可求得氣體濃度C。

具有多原子結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w分子能引起強(qiáng)烈的光譜吸收,并且都具有各自固定的本征吸收譜帶。云臺天然氣管道泄漏檢測儀利用可燃?xì)怏w的本征譜帶吸收特征。該探測器核心部件由發(fā)射器和接收器兩部分組成,在環(huán)境大氣中選擇一條吸收光譜線頻率位置，并選擇發(fā)射頻率范圍與之對應(yīng)的激光二極管。調(diào)節(jié)溫度后，確定激光位于中心的頻率，并且通過注入一些低頻率鋸齒波的電流促進(jìn)激光頻率對整條吸收譜線的掃描，從而獲得環(huán)境氣體的“單線吸收光譜”數(shù)據(jù)。吸收光譜中的“單線”特性在一定程度上避免了背景氣體組分對于被檢測環(huán)境氣體交叉形式的吸收干擾[5]，從而保證了測量準(zhǔn)確性。在理論上,可以證明該波段光強(qiáng)的變化量取決于泄漏可燃?xì)怏w的體積百分比濃度(LEL)與該氣體所占光路長度(m)的乘積[6]。

1.2 激光原理泄漏檢測優(yōu)點

①高選擇性。由于分子光譜的“指紋”特征，高分辨率的光譜技術(shù)使其不受其他氣體的干擾。這一特性與其他的技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢[7]。

②通用性。它是一種對所有在紅外有吸收的活躍分子都有效的通用技術(shù)。同樣的儀器只需要改變激光器和標(biāo)準(zhǔn)氣，即可改裝成測量其他氣體組分的儀器。這個特點亦可同時改善超聲波技術(shù)檢測誤報率高的缺點。

③高靈敏度[8]。其時間分辨率一般在ms量級。

2 測試方案及因素分析

2.1 試驗初始設(shè)置說明

進(jìn)行試驗前，云臺報警值設(shè)置為50×10-6mol/mol，并利用云臺攝像頭對現(xiàn)場測試進(jìn)行監(jiān)控。將氣袋沿檢測激光可以覆蓋的路徑上放置，放置區(qū)域應(yīng)距離云臺約20 m，利用指示激光進(jìn)行檢測點位的定位。當(dāng)設(shè)備檢測到甲烷氣體泄漏時，指示激光會自動打開提示，同時云臺停止轉(zhuǎn)動，由設(shè)備對濃度值進(jìn)行測試顯示。濃度應(yīng)包含1 000×10-6mol/mol或者更高濃度。

2.2 試驗方法說明

通過控制變量法，對以下泄漏檢測儀的參數(shù)分別進(jìn)行測量試驗[9]。

(1)響應(yīng)時間測量。當(dāng)云臺沿設(shè)定軌跡運(yùn)行到分離區(qū)附近時，將云臺暫停，打開指示激光，在現(xiàn)場標(biāo)記該點位。將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體放置在距離云臺大約20 m的區(qū)域，云臺激光直接對準(zhǔn)氣體區(qū)域，記錄上位機(jī)軟件接收到濃度的時間。連續(xù)測量接收時間3次，其平均值即為系統(tǒng)響應(yīng)時間t。

(2)掃描周期測量。將云臺設(shè)置為自動巡檢模式，并將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的氣袋放置在響應(yīng)時間測量所確定的點位處。當(dāng)云臺掃描到該點位時，云臺停止轉(zhuǎn)動，記錄該時刻T1。使云臺繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)下一時刻云臺停止在該點位時，記錄該時刻T2。則ΔT=T2-T1即為設(shè)備周期響應(yīng)時間。

(3)準(zhǔn)確度測量。將云臺設(shè)置為自動巡檢模式，并將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體放置在之前所確定的點位處，利用遮光板擋住氣袋。當(dāng)測試開始后，移開遮光板使檢測激光可以照射在氣袋上。待濃度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄上位機(jī)軟件濃度數(shù)據(jù)，計算誤差。

(4)重復(fù)性測量。將云臺設(shè)置為自動巡檢模式，并將充滿1 000×10-6mol/mol濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的氣袋放置在之前所確定的點位處。待濃度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄上位機(jī)軟件10組濃度數(shù)據(jù)得其平均值，計算重復(fù)性S。重復(fù)性的條件包括：①相同的測量程序；②相同的操作者；③相同的測量系統(tǒng)；④相同的操作條件和相同的地點；⑤在短時間內(nèi)重復(fù)的測量[10]。重復(fù)性計算公式用式(2)表示。

(2)

(5)極限距離測量。云臺設(shè)置為手動巡檢模式，并將充滿50×10-6mol/mol和1 000×10-6mol/mol濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的氣袋固定某一區(qū)域，由近及遠(yuǎn)地手動控制云臺，使檢測激光照射在氣袋上。該測試能讓上位機(jī)軟件顯示有效濃度值時的最大探測距離L。

3 現(xiàn)場測試

3.1 樣品準(zhǔn)備

此次試驗準(zhǔn)備兩臺不同廠家、不同型號、相同技術(shù)指標(biāo)的樣品，分別標(biāo)記為樣品甲和樣品乙。

3.2 響應(yīng)時間測量

當(dāng)距離為20 m時，響應(yīng)時間測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 響應(yīng)時間測量數(shù)據(jù)

3.3 掃描周期測量

當(dāng)距離為20 m時，掃描周期測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 掃描周期測量數(shù)據(jù)

樣品甲和樣品乙的報警響應(yīng)時間均小于1 s，而周期掃描時間均在6 min以上，說明產(chǎn)品從泄漏開始到最終報警所持續(xù)的時間主要取決于掃描周期，響應(yīng)時間的影響足以忽略。

云臺掃描周期時間和掃描速率有關(guān)。掃描速率越快，掃描周期越短，反之亦然[11]。需按照站場泄漏時所能接受報警響應(yīng)的極限值進(jìn)行掃描速率設(shè)定，既滿足掃描的全面性，又滿足泄漏報警的及時性。

3.4 準(zhǔn)確度測量

當(dāng)距離為20 m、濃度值為1 000×106mol/mol時，樣品甲和樣品乙的測量誤差分別為3.3%和5.0%。

3.5 重復(fù)性測量

當(dāng)距離為20 m、濃度為1 000×106mol/mol時，樣品甲和樣品乙的重復(fù)性分別為68.3×10-6mol/mol和112.3×10-6mol/mol。

3.6 極限距離測量

極限距離測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 極限距離測量數(shù)據(jù)

樣品甲、樣品乙在性能(準(zhǔn)確度)未有明顯衰減時，報警探測極限距離均大于70 m。由此可以認(rèn)為，激光泄漏探測的范圍大致為半徑為70 m的半圓。

4 不確定度分析

B類不確定度主要與產(chǎn)品測量的基本誤差樣品甲、樣品乙名義值均為±10%)有關(guān)，滿足均勻分布時，B類不確定度大小為uB=57.7×10-6mol/mol。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

取p=95%，當(dāng)置信概率k=2時，擴(kuò)展不確定度u甲=123.2×10-6mol/mol。

同理求得測試樣品乙擴(kuò)展不確定度u乙=134.9 ×10-6mol/mol。

由此可見,產(chǎn)品測量不確定度大約是產(chǎn)品標(biāo)稱準(zhǔn)確度的1.23～1.34倍，說明產(chǎn)品示值的重復(fù)性能較為理想，讀值可靠性一般。對此，建議產(chǎn)品示值讀數(shù)用于參考或報警用，盡量不作為重要數(shù)值的采集使用。

泄漏探測設(shè)定閾值附近的泄漏報警情況容易受到重復(fù)性差的較大影響，存在同一疑似泄漏點，時而探測出泄漏報警，時而探測不出泄漏的概率。

5 實際泄漏報警測試應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場測試方法

云臺式設(shè)備安裝在分離區(qū)，高度為4.2 m。云臺前半周期正對東側(cè)的墻體掃描，可以覆蓋分離區(qū)、調(diào)壓區(qū)及計量區(qū)的所有管道，云臺距東側(cè)墻體65 m。當(dāng)云臺對東側(cè)墻體掃描結(jié)束后會自動調(diào)節(jié)俯仰和水平角度，后半周期對云臺后方的管道進(jìn)行掃描，一個掃描周期可以覆蓋除進(jìn)站管道之外的所有管道。將設(shè)備上電運(yùn)行后，安裝好監(jiān)控室聲光報警器并將報警值設(shè)置為50×10-6mol/mol。準(zhǔn)備就緒后，分別選取分離區(qū)閥門編號為PI-2201、PI-2601、PI-6102，計量區(qū)閥門編號為PI-3001、PT-3002，調(diào)壓區(qū)閥門編號為PI-5301進(jìn)行放氣測試。放氣時，以較小的釋放速度，待云臺運(yùn)行兩個完整周期結(jié)束后關(guān)閉閥門。若云臺運(yùn)行過程中在相應(yīng)放氣閥門附近出現(xiàn)指示紅光閃爍且云臺有停止動作，則代表檢測到該點位發(fā)生氣體泄漏。此時，查詢上位機(jī)歷史記錄，記錄濃度異常的坐標(biāo)位置及響應(yīng)情況。

5.2 現(xiàn)場測試結(jié)果

測試產(chǎn)品甲對于白鶴站不同工藝區(qū)典型位置的真實泄漏均有較好的報警響應(yīng)。而測試產(chǎn)品乙在PI-2201及PI-6102區(qū)域無響應(yīng)。經(jīng)對比排查，兩區(qū)域反射環(huán)境較差，激光無法有效回傳。測試產(chǎn)品在不同區(qū)域的實際測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測試產(chǎn)品在不同區(qū)域的實際測試數(shù)據(jù)

由表4可知，在加入反光板后，在各區(qū)均能作出報警響應(yīng)。

6 硬件軟件改進(jìn)分析

與常規(guī)儀表設(shè)備相比，云臺式激光氣體探測器的可動部件為水平控制電機(jī)、垂直控制電機(jī)兩部分。電機(jī)多采用步進(jìn)電機(jī)，步幅應(yīng)當(dāng)滿足檢測控制需求。當(dāng)前測試儀器可通過提高電機(jī)轉(zhuǎn)速以縮短掃描周期的方式提高報警響應(yīng)速度。

根據(jù)表4的測試數(shù)據(jù)，激光探測器逆光環(huán)境下及弱反射環(huán)境下的功能算法需要進(jìn)行優(yōu)化，以提高探測器檢測速度和摒除干擾因素影響。

7 結(jié)論

由以上分析可知，云臺氣體泄漏檢測儀在探測距離上有較大優(yōu)勢，但是其濃度測量值的不確定度較大。站場天然氣泄漏危險的根本原因是較高的泄漏率非常容易達(dá)到爆炸濃度，而低泄漏率易于被流動的空氣稀釋，危險程度較低。因此，云臺天然氣管道泄漏檢測儀在使用中能有較好表現(xiàn)。