红外气体检测技术在化工安全领域的应用

朱立中

南京市高新技术开发区

摘要：气体泄漏是化工企业安全生产中的重点监测任务，需第一时间发现并采取有效措施，避免引发严重的安全事件。红外气体检测技术具有高分辨率、高精度、维护便捷等优点，同时，它的适用范围广，响应迅速，不易被其他因素影响，因此成为化工企业检测气体泄漏的重要手段。

关键词：红外气体；检测技术

1 红外气体检测技术的工作原理

气体分子内的电子运动始终保持某种特定状态，各个特定状态都存在一定的能量，被称为“能级”。若电子被特定波长的入射光照射，电子被激发后可以从低能级跃迁到高能级，而入射光的强度会逐渐变弱。在特定条件下采用波长不断改变的入射光对一种气体分子进行照射，并记下各种波长入射光条件下对应的气体分子吸光度。根据这些数据制作特定条件下某种气体分子的红外吸收谱图，横坐标为入射光波长或波数，纵坐标为吸光强度或百分透过率。不同气体分子的红外吸收谱图都有一定的区别，利用这一点就可以了解待测气体的浓度及具体成分。比如，在检测乙烯气体时，乙烯在接近中红外3.341μm、6.892μm、10.917μm的地方存在3个基本吸收光谱，将特定波长的入射光放入扇形扫描器，进而划分成两条相同的光，分别进入基本室与测试室。基本室内包括非极性分子气体，如氮气、氧气，这类气体不会吸收入射的红外线；测试室中如果有非极性分子气体存在，如乙烯，入射的红外线强度就会衰减[1]。然后计算两室内的两条红外线强度差就可判断是否存在乙烯气体，同时，也可计算出乙烯的浓度。参照Lambert-Beer公式[式（1）]可知待测气体的实际浓度：

式中：Ik是入射光经过介质后的实际强度；I0是入射光未通过介质之前的强度；C是待测气体的浓度；K是待测气体在特定波长入射光下的对应吸收系数；L是气体吸收长度[2]。红外气体检测技术有多种，早期使用的是直接吸收光谱技术，参照以上公式可知，气体对光的吸收与气体吸收长度之间为正比例关系，当光程越大，气体吸收也更多，检测精准性与灵敏性也越高[3]。关于光纤传感技术，它是基于气体在近红外区存在泛频带或合频带的特征，将近红外激光二极管（LD）当作光源，借助光纤传送光，不仅能抗电磁辐射的干扰，而且也方便完成长距离分布式传感。在易燃易爆的气体作业环境中也可配备光纤传感器系统，该系统本身是安全可靠的。另外，光声光谱技术（PAS）是一种间接测量气体的红外技术。气体对光的吸收，这属于非辐射跃迁的一种过程，气体内部会出现瞬态温度改变，随之出现压力改变，通过检测声波就可以了解气体吸收的实际情况，一般需借助微机电系统的压力传感器来完成声波探测工作。

2 红外气体检测技术在化工安全领域的应用

2.1 应用于一氧化碳（CO）运输监测系统

CO气体无色无味，具有易燃、有毒的特点，CO的工业用途一般是作为气体燃料，有时也作为还原剂制备铁。在管道运输CO的时候，不管是在车间运输还是远距离运输，都必须密切防范其泄露问题，监测CO就显得尤为重要。目前，不少化工企业都实现了半自动化生产，但很难做到随时随地对所有CO管道进行人工监测，一般需采用监测手段进行监测。

对此，笔者提出了构建一种CO监测系统，在单片机基础上应用非分散红外气体技术，能够在近管道部位完成实时监控，如果出现泄漏问题，系统会马上警报，提醒工作人员处理。监测系统的工作原理为：

1）由激光器发出一种激光，具有CO特征波长,再通过功率放大器进行放大后照射相应的管道。

2）当管道泄漏位置存在CO气体，入射光被CO吸收一部分后入射光会减弱再通过管道面反射，又一次被泄漏在外的CO吸收一部分。

3）被吸收两次的反射光最终会通过窄带滤光片与螺纹透镜，然后汇集到探测器上面。

4）光信号经过传感器后被处理为电信号，并传送到单片机处理，单片机分析数据后确定有无泄漏问题，再判断需不需要给中控室传达报警信息。

若气体吸收路径太长，则容易受到空气流动干扰，进而影响到精度。为解决这一问题，可对CO多次检测的吸收谱线间的空白区域进行扫查，再针对噪音以及光强度衰减问题采用分段线性补偿的措施，以提升检测精准性[4]。CO本身是无色无味的气体燃料，参照国标可知，国内天然气、煤气都需添加四氢噻吩作为赋臭剂，它可以吸收波数为2 146 cm-1的红外光，其吸收率是2.11%。另外，空气中的水蒸气也能吸收少部分红外线，但是四氢噻吩与水蒸气以及空气中其他可以吸收少量红外线的气体，它们的含量非常小基本可以忽略不计，无需考虑这些因素的影响。

2.2 应用于天然气输送过程中监测甲烷泄漏

在储运天然气的过程中需高度重视对甲烷气体的泄漏监测。红外气体检测技术是监测天然气管道是否泄漏的重要手段。根据基于甲烷气体红外线吸收原理所构建的远距离遥感探测技术能够从高空或近地表位置对泄漏场所周边的甲烷进行探测，同时，也能对具体的泄漏部位加以定位。通过TDLS、高频WMS技术可以避开空气湍流对气体检测的干扰，并且可联合谐波检测技术来实时探测低浓度的甲烷气体[5]。基于光纤拉曼放大原理所制作的近红外甲烷传感系统，将该系统联合WMS与TDLS技术来探查甲烷吸收谱线，同时，利用谐波技术进行检测。通过探查这些吸收谱线以及谱线之间的空白区域，就可以了解空白区的噪音数据，也能评估光强度衰减状况。这能避免长距离检测过程中激光对物体照射后出现的光吸收与光散射现象，进而提高检测精准性。图1为红外天然气管道泄漏监测系统工作原理示意图。甲烷气体在1 650 nm周边有强吸收谱线存在，因此，由激光器发出的激光波长为1 650 nm，通过拉曼放大器进行放大后照射在地面上，地面周边泄漏的甲烷气团就会吸收部分激光，余下的激光照射于地面，通过反射与散射后激光会重新经过甲烷气团，之后经过一个大的菲涅尔透镜将其汇集至光电探测设备上。此系统在100～150 m的探查区域内的探测灵敏度可达到71.4 mg/m3，其信噪比>3。因此，此系统可用于复杂条件下检测天然气管道的甲烷泄露情况，灵敏性较好。

图1 红外天然气管道泄漏监测系统原理示意图

3 结语

安全生产是化工企业的第一要务，这也是影响化工企业可持续发展的关键。红外气体检测技术是监测气体泄漏的有效手段，具有诸多优势，在化工领域得到了非常广泛的应用。今后还应继续探索，进一步完善此项检测技术，确保化工生产管理的安全性。

参考文献

[1] 王红亮.试析红外气体检测技术在化工企业安全生产中的应用[J].化工管理，2019,(14):85-86.

[2] 邓恺.用红外气体检测技术在化工企业安全生产中的应用[J].建筑工程技术与设计，2017,(11):152-152.

[3] 侍鹏宇.红外气体检测技术在化工企业安全生产中的应用[J].科技展望，2017,27(4):126-127.

[4] 钟怀国.红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用[J].中国科技博览，2012,(27):321-322.

[5] 李黎，王一丁，李树维.红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用[J].天然气工业，2011,31(1):265-265.