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(yùn)行時(shí)間的延長，管道泄漏事故頻繁發(fā)生，給人們的生命財(cái)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(jì)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(shí)有發(fā)生。如果能及時(shí)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(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。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(diǎn)。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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn),因?yàn)橐粋€(gè)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(shí)現(xiàn)1×10-4的最小可檢測的吸收,而且易于實(shí)現(xiàn),對于CH4分子在1.65μm處的吸收線強(qiáng)為8.7×1022,線寬為0.05cm-1,理論計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng),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(qiáng)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(qiáng)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(shí)際測量中得到的差分吸收光譜是時(shí)域下的,需要通過標(biāo)準(zhǔn)具將采樣點(diǎn)的時(shí)間轉(zhuǎn)換到對應(yīng)激光頻域的波長,從而得到吸收absorb,計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算此時(shí)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(jì)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(shí)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(gè)相關(guān)系數(shù)的吸收光譜個(gè)數(shù)進(jìn)行多次累加判斷,一般累加到3次可實(shí)現(xiàn)泄漏零誤報(bào)效果,判別通過圖3的流程在VC++環(huán)境下得到實(shí)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(qiáng)度式(7),回波光強(qiáng)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(qiáng)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(shí),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(shí),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(qiáng)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(shí)驗(yàn)分析了不同后向散射光強(qiáng)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)下系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度,如圖5所示,遙測光強(qiáng)為530nA時(shí),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(qiáng)成反比,同時(shí)也可以看出系統(tǒng)存在一個(gè)固定的本底噪聲。5實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)泄漏檢測,可以實(shí)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(shí)驗(yàn)研究,我們掃描的頻率為10kHz,得到一條吸收光譜需要的時(shí)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(shí)現(xiàn)一元線性回歸消除奇泄漏異值,實(shí)驗(yàn)中選擇N=3時(shí)基本實(shí)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(shí)際測量得到系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.139s?？梢钥闯?檢測到泄漏時(shí)直接出現(xiàn)一個(gè)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(shí),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(shí),由于在測試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí),氣體泄漏排放的時(shí)間比較短,氣體在光學(xué)路徑上的擴(kuò)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(shí)驗(yàn)最后模擬了天然氣泄漏實(shí)驗(yàn),模擬的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),在三個(gè)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(shí)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(kuò)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(shí),氣體擴(kuò)散到激光光束上的含量多少,可以實(shí)時(shí)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(shí)氣體擴(kuò)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(shí)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