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劉橋林

（中海石油（中國）有限公司 湛江分公司）

摘要：目前海洋石油平臺可燃氣氣體監(jiān)測系統(tǒng)中，國外產(chǎn)品占主流，存在價格高、到貨期長、后期維護無保障等不利因素。介紹了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型國產(chǎn)可燃氣體傳感器，利用泄漏氣體成分的特定紅外吸收譜線來實現(xiàn)對可燃氣體的泄漏檢測。該技術(shù)不容易受光源驅(qū)動電路不穩(wěn)、紅外光源發(fā)光率衰減、探測器靈敏度漂移、水汽和灰塵干擾、光路污染等不穩(wěn)定因素的影響，并針對海上石油平臺應(yīng)用環(huán)境的高溫、高濕度、高鹽度特性進行了防護改進和參數(shù)匹配，經(jīng)過了運行測試表明：該型國產(chǎn)可燃氣體傳感器運行穩(wěn)定、重復(fù)性好、反應(yīng)速率快，在測試應(yīng)用期間未出現(xiàn)故障。

關(guān)鍵詞：點紅外式可燃氣體傳感器 石油平臺

海洋石油開發(fā)對中國國民經(jīng)濟發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，隨著海洋石油勘探技術(shù)的不斷提高，中國已建立了上百座海洋石油平臺。海洋石油平臺建設(shè)投資巨大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，是一個存在很多危險的場所。在鉆井、修井及生產(chǎn)的過程中，存在較大的氣體泄漏風(fēng)險，其中包含了可燃氣、H 2S等易燃易爆、有毒有害氣體，對人身安全和設(shè)備的安全運行形成了較大的威脅。為了防患于未然，需對這些氣體的泄漏進行實時監(jiān)測并自動報警，以便根據(jù)監(jiān)測的泄漏情況，采取相應(yīng)的措施，杜絕安全事故的發(fā)生。

目前海上石油平臺的氣體監(jiān)測系統(tǒng)中，可燃氣探測器采用的均是紅外檢測原理的產(chǎn)品，由于國外的產(chǎn)品價格高、維護修理成本高昂和技術(shù)支持的缺失，有必要選擇國內(nèi)質(zhì)量性能可靠，可替代國外同類檢測報警功能的產(chǎn)品。無錫格林通公司生產(chǎn)的紅外檢測原理的可燃氣體探測器，可以完全替代國外同類功能的產(chǎn)品，利用泄漏氣體成分的特定紅外吸收譜線來實現(xiàn)對可燃性氣體的泄漏檢測，該技術(shù)不容易受光源驅(qū)動電路不穩(wěn)、紅外光源發(fā)光率衰減、探測器靈敏度漂移、水氣和灰塵干擾等污染光路的不穩(wěn)定因素的影響，并針對海上石油平臺高溫、高濕、高鹽環(huán)境進行了防護改進和參數(shù)匹配。經(jīng)過了海上石油平臺約3.5 a的測試、觀察，該可燃氣體探測器表現(xiàn)穩(wěn)定，輸出信號與氣體體積分數(shù)匹配，重復(fù)性好、反應(yīng)速率快，在測試應(yīng)用期間未出現(xiàn)故障。

1 應(yīng)用環(huán)境要求

1.1 抗高低溫和高鹽霧措施

由于海上石油平臺冬天表面溫度達到-25℃，夏天溫度達60℃，晝夜溫差較大，又是高濕、高鹽霧環(huán)境，因而電子元器件和探測器的選型和測試方面就必須采取相應(yīng)控制措施。在設(shè)計電路時，全部采用寬溫型低功耗電子元器件，選擇寬溫顯示器尤其重要，它能保證在低溫狀態(tài)下正常顯示；其次是電源模塊的選用，其工作穩(wěn)定性決定著其他電子元器件能否正常運行。測試則包括在高低溫循環(huán)下的性能測試、鹽霧測試、靜電測試、故障插入測試、壽命測試等。

1.2 抗振動措施

由于海上石油平臺有大量的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，使得可燃氣體探測器工作在強振動環(huán)境下，為了提高抗振動性能，首先從電路板的安裝入手，采用了抗振動結(jié)構(gòu)，并對顯示器進行了有效加固?？紤]到外殼模型設(shè)計也對抗振和安裝維修便利性有很大的影響，運用三維建模技術(shù)對可燃氣體探測器的外殼進行建模，并在不同振動環(huán)境、不同安裝角度和位置對其抗振、安裝維修便利性進行測試，評審得到最優(yōu)化的外殼模型。

1.3 防護防腐性能

采用隔爆型設(shè)計，滿足防爆等級：Ex dⅡC T6/T5 Gb，Ex t D A20 T85℃/135℃；防護等級：IP66；采用316材質(zhì)外殼，有效抵抗高鹽霧、高濕度和高溫差環(huán)境腐蝕。

2 光譜吸收型的氣體傳感器工作原理

2.1 工作原理

光譜吸收型的氣體傳感器是利用氣體吸收產(chǎn)生的光強衰減而得到氣體的體積分數(shù)。當(dāng)光源的發(fā)射波長與氣體的吸收波長相吻合時，就會產(chǎn)生共振吸收，其吸收強度與該氣體的體積分數(shù)有關(guān)，通過測量光的吸收強度就可測量氣體體積分數(shù)。當(dāng)一束入射光強為I 0的輸入平行光通過待測氣體時，如果光譜覆蓋一個或多個氣體的吸收譜線，則光發(fā)生衰減。根據(jù)朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律，出射光強I與I 0和氣體的體積分數(shù)φ之間的關(guān)系如下：

式中：a（v）——氣體吸收函數(shù)，即氣體在一定頻率v處的吸收函數(shù)；L——吸收路徑的長度。

通過計算I與I 0的比值可以得到氣體的體積分數(shù)，但在實際應(yīng)用中，出射光強自身的漂移及環(huán)境引起的入射光強的變化，均會影響對氣體體積分數(shù)的計算。因此，需要對出射光強進行調(diào)制，以便排除調(diào)制頻率之外的光強擾動，同時還需要引入另一個波長的光源作為參考，且須保證大多數(shù)被測氣體對該參考光源具有非常小的吸收作用，以便排除環(huán)境因素對入射光強的干擾。

通過對光源的注入電流進行正弦調(diào)制，光源輸出光強也受到相應(yīng)的調(diào)制。

式中：f（t）——正弦函數(shù)，f（t）=sinωt，ω=2πf，f——電流調(diào)制頻率；η——光強調(diào)制系數(shù)。將式（2）代入（1），則：

在近紅外波段，氣體的吸收系數(shù)很小，滿足a（v）φL?1，光強的調(diào)制幅度也很小，即η?1，這時I（t）可近似為

計算電流調(diào)制周期T=1/f內(nèi)的I（t）面積：

對于參考光源，可以認為a（v）近似為0，于是：

若設(shè)式（5）與式（6）相除的面積比為R，則有：

式中：K=（2η+π）/[2a（v）L]為常數(shù)。

可見，用入射檢測光強與參考光強在完整周期內(nèi)的面積比值作為系統(tǒng)的輸出，可以消除光源波動等共模噪聲。

2.2 紅外傳感器的技術(shù)特點

紅外傳感器技術(shù)的特點有以下幾方面：

1)當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為另一種能量，即分子的振動和轉(zhuǎn)動能量。在吸收過程中，分子的振動頻率與分子的特性有關(guān)，輻射只是在這些頻率對應(yīng)的波長處被吸收。利用這一點可以測量物質(zhì)對紅外輻射的吸收。

2)非對稱雙原子和多原子分子氣體，如CH 4，CO，SO2，NO和CO等在紅外波段均有特征吸收峰，因而可以通過其吸收光譜來辨別，即所謂的指紋區(qū)。在2～14.5 u m的紅外吸收光譜范圍內(nèi)，混合物的成分可以很容易地被區(qū)分。正是在該波長范圍內(nèi)，物質(zhì)對紅外輻射的吸收是有選擇性的。

3)采用非色散紅外（NDIR）氣體檢測原理，一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強度就要減弱。吸收介質(zhì)的體積分數(shù)愈大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強度的減弱愈顯著。

3 紅外可燃氣體探測器的原理和結(jié)構(gòu)

3.1 直射式和反射式紅外可燃氣體探測器

凡含碳氫化合物的可燃性氣體對特定波長的紅外輻射能有強烈的吸收能力，通過測量紅外能量的減少，就能檢測出可燃性氣體的體積分數(shù)。紅外光能的吸收是物理過程，檢測傳感器不易疲勞，所以使用壽命長，可在無氧環(huán)境中使用，無中毒現(xiàn)象。檢測系統(tǒng)按光學(xué)結(jié)構(gòu)可簡單分為直射式和反射式。

1)直射式。紅外光源直接透射過氣室后到達紅外光能檢測器端，光源和檢測器單元器件分別裝在2個殼體里，兩者用防爆玻璃隔開，該光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單可靠，氣室光路較長，一般大于80 mm，光路越長，靈敏度越高。并且當(dāng)防爆玻璃因長時間的使用變臟后，可以直接清洗而不影響檢測性能，光學(xué)特性穩(wěn)定。直射式紅外可燃氣體探測器原理如圖1所示。

圖1 直射式紅外可燃氣體探測器原理示意

2)反射式。光源與紅外光能探測器安裝在一個殼體里，在被隔爆片固封的腔體里，紅外光源通過多次反射面的反射到達光能探測器端，反射式紅外可燃氣體探測器原理如圖2所示。該光學(xué)結(jié)構(gòu)的腔體也是氣室，腔體內(nèi)的反射鏡面會被進入氣室的被測氣體污染，并且腔體光學(xué)結(jié)構(gòu)已固封，導(dǎo)致無法清洗鏡面，從而影響到檢測性能，光學(xué)特性很不穩(wěn)定。由于該類型的光學(xué)結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性的風(fēng)險，國際上一些主流制造商的產(chǎn)品都不采用該光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖2 反射式紅外可燃氣體探測器原理示意

3.2 國產(chǎn)紅外可燃氣體探測器的特點

國產(chǎn)紅外可燃氣體探測器的特點如下：

1)光學(xué)結(jié)構(gòu)。無錫格林通公司生產(chǎn)的紅外可燃氣體探測器采用直射式的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并且采用了雙紅外光源技術(shù)，具有光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠，免于日常維護和使用壽命長等特點，已被廣泛地應(yīng)用于海洋石油平臺對危險場所的易燃易爆氣體體積分數(shù)的檢測。紅外雙光源直射式可燃氣體探測器光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。檢測氣體時，采用兩束單色光（窄帶光波），一束光波可被被測氣體吸收，稱為檢測光，另一束光波不被被測氣體吸收，稱為參考光。被測氣體的體積分數(shù)正比于這兩束光在傳感器上測得的能量強度的比值。

2)硬件電路設(shè)計核心技術(shù)。信號檢測敏感體輸出的是一個毫伏級幅值的正弦波信號，將該微弱的信號放大濾波處理后，再輸入至AD采樣芯片進行處理。該處理電路的優(yōu)點：能與敏感體有效阻抗匹配，保證信號的輸出功率和信號質(zhì)量；將微弱的模擬信號抬升到運放的線性放大區(qū)，有利于信號的波形完整和保真；經(jīng)過兩級放大，使每級運放都處于運放的最佳放大倍數(shù)范圍；通過電容耦合消除運放的直流量等。

4 紅外可燃氣體探測器特性

紅外可燃氣體探測器特性如下：

1)紅外雙光源氣體探測器光路采用直射式結(jié)構(gòu)，氣室光路較長，探測器的分辨率得以提高；具有加熱光學(xué)窗口功能，可以有效地抑制和消除水氣和凝露等的污染干擾，從而保證了探測器零點和靈敏度的穩(wěn)定。該特性對于海上石油平臺的高濕，高熱，高腐蝕等氣候環(huán)境有很好的防御作用。

圖3 紅外雙光源直射式可燃氣體探測器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意

2)能檢測多種氣體，除了單原子的惰性氣體和具有對稱結(jié)構(gòu)的無極性的雙原子分子氣體外，大多數(shù)有機和無機多原子分子氣體，都可進行檢測，這給生產(chǎn)、檢修和維護帶來便利。

3)檢測范圍寬。NDIR紅外氣體探測器能夠分析氣體的上限為100%，下限為10^-6。當(dāng)采取一定措施后，下限可達10^-9。

4)反應(yīng)快。對于90%的檢測氣體其響應(yīng)時間一般在10s內(nèi)，與其他分析手段相比要快好幾倍。

5)有良好的選擇性。NDIR紅外氣體探測器有良好的選擇性，因而特別適于對多組分氣體混合氣中某一待分析組分的測量，而且當(dāng)混合氣中一種或幾種組分的體積分數(shù)發(fā)生變化時，并不影響對待分析組分的測量。例如，熱導(dǎo)式、熱磁式等分析器則對背景氣體的成分有比較嚴格的要求。

6)能進行連續(xù)分析。紅外線氣體探測器是屬于連續(xù)進樣、連續(xù)測量和連續(xù)顯示的自動化儀表，能監(jiān)測在線氣體體積分數(shù)的任何瞬時變化。

7)不中毒。不受有害氣體化學(xué)物質(zhì)的“毒害”。

8)操作簡單、維修方便。

9)壽命長。紅外吸收光譜的檢測儀器工作壽命一般為5 a以上，與此相比，目前普遍使用的載體催化型甲烷測量儀、電化學(xué)一氧化碳測量儀等，受檢測原理的限制，工作壽命一般比較短。

5 實際測試數(shù)據(jù)分析

通過對該國產(chǎn)紅外氣體探測器外形優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整后，在某海上平臺經(jīng)過3 a的測試，參與測試的2個傳感器在每3個月1次的預(yù)防性防護測試中，信號穩(wěn)定、輸出與測試氣樣體積分數(shù)匹配、無誤報警和信號突變等情況；316材質(zhì)的外殼無銹蝕點，傳感器內(nèi)部未見水氣和鹽漬，密封件無老化失效現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

國產(chǎn)紅外氣體探測器能從原理上抵消光源驅(qū)動電路及紅外光源發(fā)光率衰減、探測器靈敏度漂移、少量水氣和灰塵干擾污染光路等不穩(wěn)定因素的影響，使輸出的測量信號僅與被探測氣體吸收光譜的變化相關(guān)，從而保證了產(chǎn)品長期工作穩(wěn)定；該型可燃氣體探測器具有測量準(zhǔn)確、重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強、溫度范圍寬、響應(yīng)速度快、維護成本低、生命周期長等特點，經(jīng)過海上石油平臺環(huán)境要求下的測試和性能改進，適合海上石油平臺使用。