基于波長掃描差分吸收光譜技術(shù)的天然氣管道泄漏檢測儀

基于波長掃描差分吸收光譜技術(shù)的天然氣管道泄漏檢測儀

管道泄漏檢測技術(shù)隨著管道的增加和管道運行時間的延長，管道泄漏事故頻繁發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了重大威脅。尤其管道泄漏后,不僅造成經(jīng)濟上的損失,而且會污染環(huán)境,甚至引起火災(zāi)和爆炸。我國目前已建成管道400多條,其中很多管線已經(jīng)接近或者超過20年,有的甚至處于超齡服役階段,因此管道天然氣泄漏事故時有發(fā)生。如果能及時發(fā)現(xiàn)泄漏。準(zhǔn)確定位泄漏源,就能有效減輕泄漏事故造成的損失和危害。目前管道泄漏檢測技術(shù)主要包括電纜光纖泄漏檢測法、聲波檢漏法、基于管道模型泄漏檢測法、壓力梯度法、質(zhì)量流量平衡法、負(fù)壓波方法、天然氣管道的內(nèi)部漏磁檢測等方法。管道泄漏檢測技術(shù)是多學(xué)科知識的綜合,各種方法有自己的特點、優(yōu)點和缺點。目前國際上已經(jīng)采用一種利用激光吸收光譜在線遙測天然氣管道泄漏與定位,該方法具有快捷、準(zhǔn)確、智能及安全等特點。本文在無合作目標(biāo)背景下使用1.65μm分布反饋式(DFB)激光器對甲烷氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程遙測,這種單模半導(dǎo)體激光器受到10kHz的高頻率鋸齒波來回掃描單根甲烷的吸收線,利用一個反相未吸收的參考信號進(jìn)行噪聲對消,定量獲得差分吸收光譜,經(jīng)過濃度反演獲得光學(xué)路徑上甲烷氣體的積分濃度,實現(xiàn)移動遙測開放空間是否存在天然氣泄漏,從而定位泄漏源。1氣體吸收及波長定標(biāo)系統(tǒng)差分吸收和諧波檢測方法都是最常用的弱吸收檢測方法。兩種方法都可以通過半導(dǎo)體激光器實現(xiàn),因為一個半導(dǎo)體激光器頻率可以很容易通過改變注入電流來控制。差分吸收能實現(xiàn)1×10-4的最小可檢測的吸收,而且易于實現(xiàn),對于CH4分子在1.65μm處的吸收線強為8.7×1022,線寬為0.05cm-1,理論計算差分吸收情況下檢測下限為7ppm·m。氣體吸收遵循比爾定律,當(dāng)強度為I0,頻率為ν的單色激光,通過長度為L的吸收介質(zhì)后,在接收端測得的強度為I(ν)Ι(ν)=Ι0(ν)exp(-σ(ν)ΝL)(1)I(ν)=I0(ν)exp(?σ(ν)NL)(1)其中,N為分子數(shù)密度,σ(ν)為氣體分子的吸收截面。常壓下氣體分子的吸收線形可以用Lorenz線形描述,分子吸收截面可以表示為σ(ν)=SπνL(ν-ν0)2+ν2L(2)σ(ν)=SπνL(ν?ν0)2+ν2L(2)其中S為吸收線強,νL為吸收線形半高半寬。吸收線中心的吸收截面為σ(ν0)=SπνL(3)σ(ν0)=SπνL(3)在弱吸收情況下(σ(ν)NL?0.05),激光對光強的吸收可以近似的表示為ΔΙ(ν)Ι0(ν)=σ(ν)ΝL(4)ΔI(ν)I0(ν)=σ(ν)NL(4)式(4)即對不同頻率光強的吸收比率。完整的一條光譜吸收通過對一條光譜進(jìn)行頻率積分,表述如下absorb=∫νσ(ν)ΝL(5)absorb=∫νσ(ν)NL(5)實際測量中得到的差分吸收光譜是時域下的,需要通過標(biāo)準(zhǔn)具將采樣點的時間轉(zhuǎn)換到對應(yīng)激光頻域的波長,從而得到吸收absorb,計算式(5),在氣體吸收光程L已知的情況下,可以得到待測氣體濃度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,主要包括激光器及激光器控制電路,激光器利用10kHz的高頻鋸齒波來改變注入電流實現(xiàn)波長掃描。激光束分成3束,其中第一束經(jīng)過波長定標(biāo)池,實現(xiàn)波長定標(biāo);第二束激光不經(jīng)過吸收直接由高靈敏InGaAs探測器反相接收,進(jìn)入噪聲對消電路,作為參考信號;第三束激光,由鎧裝單模光纖傳輸?shù)竭b測收發(fā)望遠(yuǎn)鏡,遙測的回波信號經(jīng)相同的光電探測器正相接收,再進(jìn)入噪聲對消電路。噪聲對消電路主要完成兩路信號的自動增益放大與直流對消,從而得到差分吸收光譜,通過這種方法減弱了激光二極管固有噪聲,與電源紋波噪聲的干擾。2小波去噪分析方法遙測回波信號中往往含有大量的背景噪聲信息,這些疊加在有用信號中的噪聲信息使得真實物理量的有用信息很難直接從觀測信號中提取出來。為了提取感興趣的有用數(shù)據(jù),必須對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理濾除無用的噪聲信號,還原出被噪聲污染之前的原始信號。在遙測天然氣泄漏系統(tǒng)中,遙測回波信號非常微弱,通過弱信號處理電路處理后的差分吸收光譜信號經(jīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,這樣的數(shù)字光譜信號仍然難以直接用于氣體濃度的反演,需要進(jìn)一步的數(shù)字降噪處理。針對傅立葉變換的缺陷,本工作提出了小波去噪分析方法在吸收光譜中的應(yīng)用。如圖2,其中,(a)為遙測回波信號經(jīng)噪聲對消后的差分吸收光譜信號,計算此時的信噪比為13.7dB,(b)為硬閾值去噪結(jié)果,(c)為軟閾值去噪結(jié)果,(d)為改進(jìn)軟閾值去噪結(jié)果?？梢钥闯?應(yīng)用硬閾值去噪處理后的信號光滑度差,但是信號形狀保存還可以,軟閾值去噪,光滑度不錯,但是信號有較大的失真,而改進(jìn)軟閾值法的去噪結(jié)果更加平滑,且對有用信號的形狀保留也比較好。通過計算,信噪比分別為:17.39,31.35和40.56dB?？梢?改進(jìn)軟閾值法更好地抑制了噪聲信號,系統(tǒng)信噪比提高了3倍多,同時處理后的差分吸收光譜線型接近甲烷氣體在大氣壓下的吸收線型。3非氣體吸收信號的獲取在遙測中,回波信號易受到外界干擾,強噪聲疊加到吸收光譜中而導(dǎo)致假吸收現(xiàn)象,通過噪聲對消電路處理得到的差分吸收光譜如圖2(a)所示,對于非氣體吸收信號,采用式(6)中一元線性回歸的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行篩選,實驗研究發(fā)現(xiàn)遙測回波吸收光譜和內(nèi)標(biāo)池吸收光譜的相關(guān)性一般都要在0.75以上,在軟件上對小于這個相關(guān)系數(shù)的吸收光譜個數(shù)進(jìn)行多次累加判斷,一般累加到3次可實現(xiàn)泄漏零誤報效果,判別通過圖3的流程在VC++環(huán)境下得到實現(xiàn)。R=n∑i=1(xi-ˉx)(yi-ˉy)√n∑i=1(xi-ˉx)2n∑i=1(yi-ˉy)2(6)4激光束光斑大小的影響在靜態(tài)環(huán)境下,對遙測回波信號特性進(jìn)行了研究。根據(jù)回波信號強度式(7),回波光強與距離的平方成反比,與目標(biāo)的反射率以及有效光學(xué)接收面積成正比。如圖4所示,系統(tǒng)的遙測回波信號強度隨著距離的變化而先有增大的趨勢后呈單調(diào)遞減。分析原因,主要因系統(tǒng)所采用光學(xué)收發(fā)望遠(yuǎn)鏡是同軸方式,由于接收望遠(yuǎn)鏡的接收盲區(qū)發(fā)生變化,在距離發(fā)射端時,望遠(yuǎn)鏡接收盲區(qū)變大,光學(xué)有效接收面積比較小,回來的激光基本被發(fā)射部分遮擋住了,探測器接收到的光子數(shù)比較少,導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比差;當(dāng)激光束的直徑大于發(fā)射端的孔徑時,望遠(yuǎn)鏡的盲區(qū)漸漸減小,光斑的接收有效面積漸漸變大,探測器接收到的光字?jǐn)?shù)也增加,直到遙測距離達(dá)到5m左右,出現(xiàn)回波光強的最大值;隨著距離的變大,光學(xué)接收有效面積變大的速度小于距離平方的增加速度,所以接收到的光子數(shù)呈單調(diào)遞減的趨勢。ΡDC=(AcolRdifηoptR2)Ρout(7)其中:Acol=有效光學(xué)接收面積(m2),Rdif=背景的反射率,ηopt=光學(xué)效率,R=激光發(fā)射和目標(biāo)背景之間的距離(m),Pout=激光輸出功率(W)。表1給出了不同目標(biāo)背景下的激光最大可遙測距離(最小信號可用于濃度測量),所采用的目標(biāo)背景主要有:白色墻壁、磚塊、樹葉、草坪、白色衣物、干凈的雪、書本、水泥路面、很臟的水面、金屬表面、泥土面、以及很臟的雪。其中最大的遙測距離為37米,最小可遙測距離只有3m。激光后向散射對系統(tǒng)的遙測靈敏度有直接影響,本實驗分析了不同后向散射光強下系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度(S∶N=1∶1)。在光學(xué)路徑上放置一個長5cm的標(biāo)氣池,里面沖入5%的甲烷標(biāo)氣,換成積分濃度為:2500ppm·m,決定最小可探測限的關(guān)鍵因素是有多少后向散射的光子能被探測器接收;實驗以不同的發(fā)射功率激光束遙測同一目標(biāo)反射物,測量光路路徑中的氣體,通過信噪比分析,獲得不同接收光強下系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度,如圖5所示,遙測光強為530nA時,最小可遙測靈敏度達(dá)到80ppm·m,系統(tǒng)最小可探測濃度和接收的光強成反比,同時也可以看出系統(tǒng)存在一個固定的本底噪聲。5實驗結(jié)果及分析利用高頻鋸齒信號掃描一條完整光譜吸收的方式實現(xiàn)泄漏檢測,可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測泄漏量。如圖6所示,在靜態(tài)環(huán)境下,進(jìn)行了系統(tǒng)響應(yīng)的實驗研究,我們掃描的頻率為10kHz,得到一條吸收光譜需要的時間為0.0001s,為了提高信噪比,在采集吸收光譜后進(jìn)行了累加平均,根據(jù)Allan方差得到的最佳平均次數(shù)大約為128次,再經(jīng)過小波去噪的數(shù)字信號處理后回歸擬合反演甲烷氣體濃度,利用式(6)實現(xiàn)一元線性回歸消除奇泄漏異值,實驗中選擇N=3時基本實現(xiàn)誤判率為0的判別效果,所有過程經(jīng)過估算不超過0.08s,而實際測量得到系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.139s?？梢钥闯?檢測到泄漏時直接出現(xiàn)一個比較大的泄漏值,原因在于軟件上對泄漏進(jìn)行累加判別,直到泄漏次數(shù)達(dá)到累加次數(shù)N=3時,才認(rèn)為是天然氣泄漏,因此開始舍去前3次的泄漏值,才出現(xiàn)泄漏,同時,由于在測試系統(tǒng)響應(yīng)時,氣體泄漏排放的時間比較短,氣體在光學(xué)路徑上的擴散很快,遙測濃度值慢慢下降,很快降至零。6激光光束路徑模擬泄漏實驗最后模擬了天然氣泄漏實驗,模擬的實驗條件是:(1)采用5%的甲烷表氣作為泄漏氣體;(2)遙測距離為30m,遙測反射背景為白色的墻壁。氣體流量控制在20kg·h-1,因在外場實驗,當(dāng)時東北風(fēng)1～2級,如圖7所示,首先在激光光束路徑上進(jìn)行模擬泄漏實驗,實驗中選擇在激光發(fā)射端、白色墻壁上和光束中間的位置處進(jìn)行泄漏實驗,在三個不同的位置處獲得的泄漏檢測結(jié)果基本差不多,因遙測得到的濃度是光學(xué)路徑的積分濃度,符合氣體吸收光譜理論。同時也在光束垂直面上不同位置處模擬天然氣泄漏,垂直距離分別在0.5m處和1m處,利用氣體擴散到光學(xué)路徑上進(jìn)行遙測定量分析,當(dāng)在不同位置處泄漏時,氣體擴散到激光光束上的含量多少,可以實時遙測,結(jié)果可以看出隨著泄漏源垂直距離的變大遙測結(jié)果變小,其原因是垂直距離較遠(yuǎn)時氣體擴散到光學(xué)路徑上的氣體含量比較少。7提高系統(tǒng)信噪比利用波長掃描差分吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)了在無合作目標(biāo)背景下天然氣泄漏的定量遙測。針對回