红外气体检测技术在天然气安全生产中应用原理

红外气体检测技术具有极高的准确性和灵敏度。同时具有动态测范围大、响应时间快、不易受其他气体干扰等优点。因此使用高精度、高灵敏度、稳定耐用的在线或远程红外气体检测仪，对保证天然气安全生产具有重要意义。为此，针对现行检测方法存在精度不足等问题，采用红外气体传感技术结合可调谐激光光谱与波长调制技术，对天然气管道传输中的甲烷气体泄漏进行远距离检测，提高了测量精度;采用谱线分析法实时监测含硫天然气井喷或泄漏，在空气中水蒸气和甲烷气体的干扰下，根据谱线交叠情况建立起二元一次方程组，能够在不同浓度甲烷气体干扰下同时计算出甲烷和硫化氢的浓度，在71.4mg/m3的甲烷干扰气体存在时，可以获得的最低可探测硫化氢浓度为15.2mg/m3，达到了安全生产的要求。研究结果证明，红外气体检测技术在天然气安全生产中有着广泛的应用前景。

红外气体检测技术在天然气安全生产中的原理
多数双原子分子和多原子分子在红外光谱范围里有其分子结构所决定的特征吸收谱，因此可以根据气体红外吸收光谱的特点来获得气体的种类、浓度等信息。以甲烷气体为例，在中红外3.3µm和7.65µm附近存在两个基本吸收光谱，在近红外1.33µm和1.66µm分别存在组合频带和泛频带。红外甲烷检测基于甲烷气体对红外光吸收的原理，当一定波长的红外光通过被测气体，气体在其吸收谱线处吸收红外光，在红外探测器上便可以检测出光强度的变化。

红外气体检测技术包括直接吸收、光声光谱、光纤传感、可调谐激光二极管光谱((TDLS)、波长/频率调制光谱(WMS/FMS)等，这几种方法可以单独采用，也可以结合起来取长补短，以获得更好的检测结果。

1、直接吸收光谱技术是最早采用的一种检测方法。根据Lambert-Beer定律，气体对光的吸收与气体吸收长度成正比，光程越长，气体的吸收越多，得到的检测灵敏度和准确性越好；

2、光纤传感技术利用气体在近红外区的泛频带或合频带，以近红外激光二极管(LD)为光源，利用光纤进行光传输，易于实现长距离分布式传感，同时不会受到电磁辐射的干扰。此外光纤传感器系统在易燃易爆气体环境下工作是本质安全的；

3、光声光谱技术(PAS,photoacousticspectroscopy)基于光声效应，同其他红外吸收技术相比，PAS是间接的测量技术。气体分子对光的吸收通过非辐射跃迁过程，在气体中产生瞬态温度变化，然后转化为压力变化，用电介质微音器或基于微机电系统(MEMS)的压力传感器来探测声波，从而获得气体的吸收情况。

对于复杂环境下的高精度测量，气体分子吸收光谱在压力或温度变化时存在展宽或谱线强度的改变。为了获得被测分子谱线的信息以及其他相关测量结果，例如气体浓度、压力、温度等，最近有人提出了一种新的基于TDLS和WMS的精确测量气体分子吸收谱线的方法。基于TDLS-WMS的气体检测系统不需要附加其他的温度、压力传感器，是一种不需要校准的技术。采用加法器将高频正弦调制信号同低频调谐信号结合起来，作为激光器的驭动电流，在光电探测器将气体吸收之后的光信号转变为电信号输出并用锁相放大器进行相敏检波，从而获得被测气体吸收谱线的谐波分量。

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