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

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

 

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。

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。

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。

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％)。