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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測系統中，國外產(chǎn)品占主流，存在價(jià)格高、到貨期長(cháng)、后期維護無(wú)保障等不利因素。介紹了具有自主知識產(chǎn)權的新型國產(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(xiàn)來(lái)實(shí)現對可燃氣體的泄漏檢測。該技術(shù)不容易受光源驅動(dòng)電路不穩、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、光路污染等不穩定因素的影響，并針對海上石油平臺應用環(huán)境的高溫、高濕度、高鹽度特性進(jìn)行了防護改進(jìn)和參數匹配，經(jīng)過(guò)了運行測試表明：該型國產(chǎn)可燃氣體傳感器運行穩定、重復性好、反應速率快，在測試應用期間未出現故障。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)紅外式可燃氣體傳感器 石油平臺

海洋石油開(kāi)發(fā)對中國國民經(jīng)濟發(fā)展具有戰略意義，隨著(zhù)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。海洋石油平臺建設投資巨大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，是一個(gè)存在很多危險的場(chǎng)所。在鉆井、修井及生產(chǎn)的過(guò)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(jìn)行實(shí)時(shí)監測并自動(dòng)報警，以便根據監測的泄漏情況，采取相應的措施，杜絕安全事故的發(fā)生。

目前海上石油平臺的氣體監測系統中，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(jià)格高、維護修理成本高昂和技術(shù)支持的缺失，有必要選擇國內質(zhì)量性能可靠，可替代國外同類(lèi)檢測報警功能的產(chǎn)品。無(wú)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(lèi)功能的產(chǎn)品，利用泄漏氣體成分的特定紅外吸收譜線(xiàn)來(lái)實(shí)現對可燃性氣體的泄漏檢測，該技術(shù)不容易受光源驅動(dòng)電路不穩、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(jìn)行了防護改進(jìn)和參數匹配。經(jīng)過(guò)了海上石油平臺約3.5 a的測試、觀(guān)察，該可燃氣體探測器表現穩定，輸出信號與氣體體積分數匹配，重復性好、反應速率快，在測試應用期間未出現故障。

1 應用環(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控制措施。在設計電路時(shí)，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，其工作穩定性決定著(zhù)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(dòng)措施

由于海上石油平臺有大量的旋轉設備，使得可燃氣體探測器工作在強振動(dòng)環(huán)境下，為了提高抗振動(dòng)性能，首先從電路板的安裝入手，采用了抗振動(dòng)結構，并對顯示器進(jìn)行了有效加固?？紤]到外殼模型設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(jìn)行建模，并在不同振動(dòng)環(huán)境、不同安裝角度和位置對其抗振、安裝維修便利性進(jìn)行測試，評審得到最優(yōu)化的外殼模型。

1.3 防護防腐性能

采用隔爆型設計，滿(mǎn)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。當光源的發(fā)射波長(cháng)與氣體的吸收波長(cháng)相吻合時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生共振吸收，其吸收強度與該氣體的體積分數有關(guān)，通過(guò)測量光的吸收強度就可測量氣體體積分數。當一束入射光強為I 0的輸入平行光通過(guò)待測氣體時(shí)，如果光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體的吸收譜線(xiàn)，則光發(fā)生衰減。根據朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律，出射光強I與I 0和氣體的體積分數φ之間的關(guān)系如下：

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

通過(guò)計算I與I 0的比值可以得到氣體的體積分數，但在實(shí)際應用中，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(huì )影響對氣體體積分數的計算。因此，需要對出射光強進(jìn)行調制，以便排除調制頻率之外的光強擾動(dòng)，同時(shí)還需要引入另一個(gè)波長(cháng)的光源作為參考，且須保證大多數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(guò)對光源的注入電流進(jìn)行正弦調制，光源輸出光強也受到相應的調制。

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

在近紅外波段，氣體的吸收系數很小，滿(mǎn)足a（v）φL?1，光強的調制幅度也很小，即η?1，這時(shí)I（t）可近似為

計算電流調制周期T=1/f內的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。

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

2.2 紅外傳感器的技術(shù)特點(diǎn)

紅外傳感器技術(shù)的特點(diǎn)有以下幾方面：

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

2)非對稱(chēng)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(guò)其吸收光譜來(lái)辨別，即所謂的指紋區。在2～14.5 u m的紅外吸收光譜范圍內，混合物的成分可以很容易地被區分。正是在該波長(cháng)范圍內，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(guò)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)的體積分數愈大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強度的減弱愈顯著(zhù)。

3 紅外可燃氣體探測器的原理和結構

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(cháng)的紅外輻射能有強烈的吸收能力，通過(guò)測量紅外能量的減少，就能檢測出可燃性氣體的體積分數。紅外光能的吸收是物理過(guò)程，檢測傳感器不易疲勞，所以使用壽命長(cháng)，可在無(wú)氧環(huán)境中使用，無(wú)中毒現象。檢測系統按光學(xué)結構可簡(jiǎn)單分為直射式和反射式。

1)直射式。紅外光源直接透射過(guò)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(gè)殼體里，兩者用防爆玻璃隔開(kāi)，該光學(xué)結構簡(jiǎn)單可靠，氣室光路較長(cháng)，一般大于80 mm，光路越長(cháng)，靈敏度越高。并且當防爆玻璃因長(cháng)時(shí)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(gè)殼體里，在被隔爆片固封的腔體里，紅外光源通過(guò)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)結構的腔體也是氣室，腔體內的反射鏡面會(huì )被進(jìn)入氣室的被測氣體污染，并且腔體光學(xué)結構已固封，導致無(wú)法清洗鏡面，從而影響到檢測性能，光學(xué)特性很不穩定。由于該類(lèi)型的光學(xué)結構存在穩定性的風(fēng)險，國際上一些主流制造商的產(chǎn)品都不采用該光學(xué)結構。

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(diǎn)

國產(chǎn)紅外可燃氣體探測器的特點(diǎn)如下：

1)光學(xué)結構。無(wú)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)結構，并且采用了雙紅外光源技術(shù)，具有光學(xué)結構穩定、性能可靠，免于日常維護和使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)，已被廣泛地應用于海洋石油平臺對危險場(chǎng)所的易燃易爆氣體體積分數的檢測。紅外雙光源直射式可燃氣體探測器光學(xué)結構如圖3所示。檢測氣體時(shí)，采用兩束單色光（窄帶光波），一束光波可被被測氣體吸收，稱(chēng)為檢測光，另一束光波不被被測氣體吸收，稱(chēng)為參考光。被測氣體的體積分數正比于這兩束光在傳感器上測得的能量強度的比值。

2)硬件電路設計核心技術(shù)。信號檢測敏感體輸出的是一個(gè)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(jìn)行處理。該處理電路的優(yōu)點(diǎn)：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(xiàn)性放大區，有利于信號的波形完整和保真；經(jīng)過(guò)兩級放大，使每級運放都處于運放的最佳放大倍數范圍；通過(guò)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構，氣室光路較長(cháng)，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(diǎn)和靈敏度的穩定。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)結構示意

2)能檢測多種氣體，除了單原子的惰性氣體和具有對稱(chēng)結構的無(wú)極性的雙原子分子氣體外，大多數有機和無(wú)機多原子分子氣體，都可進(jìn)行檢測，這給生產(chǎn)、檢修和維護帶來(lái)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。當采取一定措施后，下限可達10^-9。

4)反應快。對于90%的檢測氣體其響應時(shí)間一般在10s內，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，而且當混合氣中一種或幾種組分的體積分數發(fā)生變化時(shí)，并不影響對待分析組分的測量。例如，熱導式、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(jìn)行連續分析。紅外線(xiàn)氣體探測器是屬于連續進(jìn)樣、連續測量和連續顯示的自動(dòng)化儀表，能監測在線(xiàn)氣體體積分數的任何瞬時(shí)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(jiǎn)單、維修方便。

9)壽命長(cháng)。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?jì)x、電化學(xué)一氧化碳測量?jì)x等，受檢測原理的限制，工作壽命一般比較短。

5 實(shí)際測試數據分析

通過(guò)對該國產(chǎn)紅外氣體探測器外形優(yōu)化和參數調整后，在某海上平臺經(jīng)過(guò)3 a的測試，參與測試的2個(gè)傳感器在每3個(gè)月1次的預防性防護測試中，信號穩定、輸出與測試氣樣體積分數匹配、無(wú)誤報警和信號突變等情況；316材質(zhì)的外殼無(wú)銹蝕點(diǎn)，傳感器內部未見(jiàn)水氣和鹽漬，密封件無(wú)老化失效現象。

6 結束語(yǔ)

國產(chǎn)紅外氣體探測器能從原理上抵消光源驅動(dòng)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(cháng)期工作穩定；該型可燃氣體探測器具有測量準確、重復性好、環(huán)境適應性強、溫度范圍寬、響應速度快、維護成本低、生命周期長(cháng)等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)海上石油平臺環(huán)境要求下的測試和性能改進(jìn)，適合海上石油平臺使用。