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1、便携式天然气泄漏遥感探测的研究第23卷第4期2006年7月量子电子CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS,'01.23NO.4Ju1.2006文章编号:1007-5461(2006)04—0537—05便携式天然气泄漏遥感探测的研究樊宏,高晓明,王霞,黄腾,黄伟,李晓芸,曹振松,张为俊(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光谱学实验室,安徽合肥230031)摘要:传统的天然气管道泄漏检测技术效率低,速度慢,难以满足实际应用的需要.近年来以近红外二极管激光吸收光谱为基础的光学传感器由于具有灵敏
2、度高,体积小,重量轻和无需维护等优点而得到了广泛的应用.实验以可调谐二极管激光吸收光谱和谐波探测技术为基础,开展便携式天然气管道泄漏遥感探测技术的研究.其中使用多种常见物质作散射体,模拟野外现场背景,进行气体泄漏的探测,并获得较好的探测极限.整套系统仅重5kg,具有良好的便携性.一关键词:激光技术;便携式探测仪;波长调制;天然气;可调谐二极管激光中图分类号:TN253文献标识码:A1引言随着天然气工业的发展,管道输送在国民经济中的地位越来越重要,特别是长距离输送管道的优势更是明显.但是由于管内气体的不断冲刷,温度,压力,
3、振动,季节变化,地质变化等导致管道的老化,锈蚀,再加上突发性自然灾害以及人为破坏等,使天然气输送管道不可避免地会发生密封失效的问题,如不及时处理,密封失效的程度将会扩大造成管道破裂和泄漏.天然气的主要成分是甲烷,泄漏不仅造成能源浪费,经济损失,污染环境I,而且天然气易燃易爆,危及人身安全,甚至造成灾难事故,使得对天然气泄漏的遥感探测显得尤为重要.近年来由于可调谐二极管激光的发展,以近红外二极管激光吸收光谱为基础的光学传感器得到了广泛的应用[.],在1.21.8mm波段的二极管激光器具有毫瓦单模激光输出,并工作在室温下,可
4、以通过光纤输出,具有快的电调谐性和窄线宽,可以实现高分辨率和高灵敏度光谱测量.在国内关于天然气管道泄漏检测技术近年来有了一些文章报道],但还没有关于便携式天然气管道泄漏仪器的报道.本文针对现今此类探测设备体积大,移动性差的缺点,深入开展便携式探测仪的研究,采用近红外二极管激光吸收光谱和谐波探测技术,对实现此类小型化探测仪具有普遍的现实意义.2测量原理使用近红外吸收光谱技术在目标区域寻找泄漏源,当激光束指向目标气体管道时,如果存在甲烷泄漏,光束就会部分被吸收,如图1所示,通过检测透过泄漏气团再由气团后的地物散射返回的激光检
5、测出吸收信号,可以计算出反射物体和探测器之间的甲烷积分浓度(甲烷浓度和深度的乘积,单位为ppm.m).我们在实验中采用的是波长调制光谱技术和谐波探测的方法,相对于直接吸收测量的好处是:激光功率的1/f噪声主要在低频,而在较高的谐波频率处进行探测,噪声较小,因而提高了探测信噪比基金项目:安徽省自然科学基金(03045301)和国家高科技发展计划激光技术领域基金(2004AA825100)资助项目收稿日期:2005—04—14;修改日期:2005—04—26E—mail:fh1168@126corn538量子电子23卷当激光
6、在中心频率处以频率调制时,其瞬时频率是=Vo+COSwmt其中是调制振幅(典型具有吸收线宽量级),它的选择主要确定正弦调制信号的幅度,继而决定激光频率的扫描范围.通过气体样品后的光强度的变化符合Beer—Lambert定律】Fig.1Sketchofmeasurementprincipleforremotesenseofgas—leak()=()e一,(2)其中()和()分别是激光输入光强和透射光强,为气体样品的吸收截面,为吸收样品的光学长度,P为样品的密度.用余弦Fourier序列表示如下a(-o+(~ucosw￡)=
7、∑()cosnt.(3)调制振幅足够小的情况下,傅里叶分量可表示成An()=dno-,(4)其中Ⅳ次谐波探测信号(或傅里叶分量)的强度正比于吸收线型()的n阶微商,在高压条件(通常样品压力超过507.)下,碰撞加宽占主要,以Lorentzian线型表示()寺,(5)其中7L是Lorentzian加宽的谱线半宽度(HWHM),由此得到Lorentzian线型的二次谐波理论拟合表达式000至O基.0呈.0-0—1.150.100?50050100I5OFrequencyFig.22Iharmonicsignalsofmeth
8、anemolecule警蒿.图2给出了二次谐波探测曲线.单个谐波分量可以用锁相放大器来测量,并且从(6)式可以看出二次谐波信号的幅度直接正比于组分浓度Ⅳ,在其它参数不变的情况下,用已知浓度的气体进行系统定标后,就可以通过测量到的二次谐波信号的幅度来推算被测气体的浓度.3实验装置实验装置示意图如图3所示.它是由二极管激
