国产红外式可燃气体传感器在海上石油平台中的应用研究
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刘桥林
（中海石油（中国）有限公司 湛江分公司）
摘要：目前海洋石油平台可燃气气体监测系统中，国外产品占主流，存在价格高、到货期长、后期维护无保障等不利因素。介绍了具有自主知识产权的新型国产可燃气体传感器，利用泄漏气体成分的特定红外吸收谱线来实现对可燃气体的泄漏检测。该技术不容易受光源驱动电路不稳、红外光源发光率衰减、探测器灵敏度漂移、水汽和灰尘干扰、光路污染等不稳定因素的影响，并针对海上石油平台应用环境的高温、高湿度、高盐度特性进行了防护改进和参数匹配，经过了运行测试表明：该型国产可燃气体传感器运行稳定、重复性好、反应速率快，在测试应用期间未出现故障。
关键词：点红外式可燃气体传感器 石油平台
海洋石油开发对中国国民经济发展具有战略意义，随着海洋石油勘探技术的不断提高，中国已建立了上百座海洋石油平台。海洋石油平台建设投资巨大，生产环境恶劣，是一个存在很多危险的场所。在钻井、修井及生产的过程中，存在较大的气体泄漏风险，其中包含了可燃气、H 2S等易燃易爆、有毒有害气体，对人身安全和设备的安全运行形成了较大的威胁。为了防患于未然，需对这些气体的泄漏进行实时监测并自动报警，以便根据监测的泄漏情况，采取相应的措施，杜绝安全事故的发生。
目前海上石油平台的气体监测系统中，可燃气探测器采用的均是红外检测原理的产品，由于国外的产品价格高、维护修理成本高昂和技术支持的缺失，有必要选择国内质量性能可靠，可替代国外同类检测报警功能的产品。无锡格林通公司生产的红外检测原理的可燃气体探测器，可以完全替代国外同类功能的产品，利用泄漏气体成分的特定红外吸收谱线来实现对可燃性气体的泄漏检测，该技术不容易受光源驱动电路不稳、红外光源发光率衰减、探测器灵敏度漂移、水气和灰尘干扰等污染光路的不稳定因素的影响，并针对海上石油平台高温、高湿、高盐环境进行了防护改进和参数匹配。经过了海上石油平台约3.5 a的测试、观察，该可燃气体探测器表现稳定，输出信号与气体体积分数匹配，重复性好、反应速率快，在测试应用期间未出现故障。
1 应用环境要求
1.1 抗高低温和高盐雾措施
由于海上石油平台冬天表面温度达到-25℃，夏天温度达60℃，昼夜温差较大，又是高湿、高盐雾环境，因而电子元器件和探测器的选型和测试方面就必须采取相应控制措施。在设计电路时，全部采用宽温型低功耗电子元器件，选择宽温显示器尤其重要，它能保证在低温状态下正常显示；其次是电源模块的选用，其工作稳定性决定着其他电子元器件能否正常运行。测试则包括在高低温循环下的性能测试、盐雾测试、静电测试、故障插入测试、寿命测试等。
1.2 抗振动措施
由于海上石油平台有大量的旋转设备，使得可燃气体探测器工作在强振动环境下，为了提高抗振动性能，首先从电路板的安装入手，采用了抗振动结构，并对显示器进行了有效加固。考虑到外壳模型设计也对抗振和安装维修便利性有很大的影响，运用三维建模技术对可燃气体探测器的外壳进行建模，并在不同振动环境、不同安装角度和位置对其抗振、安装维修便利性进行测试，评审得到最优化的外壳模型。
1.3 防护防腐性能
采用隔爆型设计，满足防爆等级：Ex dⅡC T6/T5 Gb，Ex t D A20 T85℃/135℃；防护等级：IP66；采用316材质外壳，有效抵抗高盐雾、高湿度和高温差环境腐蚀。
2 光谱吸收型的气体传感器工作原理
2.1 工作原理
光谱吸收型的气体传感器是利用气体吸收产生的光强衰减而得到气体的体积分数。当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会产生共振吸收，其吸收强度与该气体的体积分数有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体体积分数。当一束入射光强为I 0的输入平行光通过待测气体时，如果光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，则光发生衰减。根据朗伯-比尔（Beer-Lambert）定律，出射光强I与I 0和气体的体积分数φ之间的关系如下：
式中：a（v）——气体吸收函数，即气体在一定频率v处的吸收函数；L——吸收路径的长度。
通过计算I与I 0的比值可以得到气体的体积分数，但在实际应用中，出射光强自身的漂移及环境引起的入射光强的变化，均会影响对气体体积分数的计算。因此，需要对出射光强进行调制，以便排除调制频率之外的光强扰动，同时还需要引入另一个波长的光源作为参考，且须保证大多数被测气体对该参考光源具有非常小的吸收作用，以便排除环境因素对入射光强的干扰。
通过对光源的注入电流进行正弦调制，光源输出光强也受到相应的调制。
式中：f（t）——正弦函数，f（t）=sinωt，ω=2πf，f——电流调制频率；η——光强调制系数。将式（2）代入（1），则：
在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足a（v）φL≪1，光强的调制幅度也很小，即η≪1，这时I（t）可近似为
计算电流调制周期T=1/f内的I（t）面积：
对于参考光源，可以认为a（v）近似为0，于是：
若设式（5）与式（6）相除的面积比为R，则有：
式中：K=（2η+π）/[2a（v）L]为常数。
可见，用入射检测光强与参考光强在完整周期内的面积比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声。
2.2 红外传感器的技术特点
红外传感器技术的特点有以下几方面：
1)当某物质受到红外光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转换为另一种能量，即分子的振动和转动能量。在吸收过程中，分子的振动频率与分子的特性有关，辐射只是在这些频率对应的波长处被吸收。利用这一点可以测量物质对红外辐射的吸收。
2)非对称双原子和多原子分子气体，如CH 4，CO，SO2，NO和CO等在红外波段均有特征吸收峰，因而可以通过其吸收光谱来辨别，即所谓的指纹区。在2～14.5 u m的红外吸收光谱范围内，混合物的成分可以很容易地被区分。正是在该波长范围内，物质对红外辐射的吸收是有选择性的。
3)采用非色散红外（NDIR）气体检测原理，一束单色光照射于一吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度就要减弱。吸收介质的体积分数愈大，介质的厚度愈大，则光强度的减弱愈显著。
3 红外可燃气体探测器的原理和结构
3.1 直射式和反射式红外可燃气体探测器
凡含碳氢化合物的可燃性气体对特定波长的红外辐射能有强烈的吸收能力，通过测量红外能量的减少，就能检测出可燃性气体的体积分数。红外光能的吸收是物理过程，检测传感器不易疲劳，所以使用寿命长，可在无氧环境中使用，无中毒现象。检测系统按光学结构可简单分为直射式和反射式。
1)直射式。红外光源直接透射过气室后到达红外光能检测器端，光源和检测器单元器件分别装在2个壳体里，两者用防爆玻璃隔开，该光学结构简单可靠，气室光路较长，一般大于80 mm，光路越长，灵敏度越高。并且当防爆玻璃因长时间的使用变脏后，可以直接清洗而不影响检测性能，光学特性稳定。直射式红外可燃气体探测器原理如图1所示。
图1 直射式红外可燃气体探测器原理示意
2)反射式。光源与红外光能探测器安装在一个壳体里，在被隔爆片固封的腔体里，红外光源通过多次反射面的反射到达光能探测器端，反射式红外可燃气体探测器原理如图2所示。该光学结构的腔体也是气室，腔体内的反射镜面会被进入气室的被测气体污染，并且腔体光学结构已固封，导致无法清洗镜面，从而影响到检测性能，光学特性很不稳定。由于该类型的光学结构存在稳定性的风险，国际上一些主流制造商的产品都不采用该光学结构。
图2 反射式红外可燃气体探测器原理示意
3.2 国产红外可燃气体探测器的特点
国产红外可燃气体探测器的特点如下：
1)光学结构。无锡格林通公司生产的红外可燃气体探测器采用直射式的光学结构，并且采用了双红外光源技术，具有光学结构稳定、性能可靠，免于日常维护和使用寿命长等特点，已被广泛地应用于海洋石油平台对危险场所的易燃易爆气体体积分数的检测。红外双光源直射式可燃气体探测器光学结构如图3所示。检测气体时，采用两束单色光（窄带光波），一束光波可被被测气体吸收，称为检测光，另一束光波不被被测气体吸收，称为参考光。被测气体的体积分数正比于这两束光在传感器上测得的能量强度的比值。
2)硬件电路设计核心技术。信号检测敏感体输出的是一个毫伏级幅值的正弦波信号，将该微弱的信号放大滤波处理后，再输入至AD采样芯片进行处理。该处理电路的优点：能与敏感体有效阻抗匹配，保证信号的输出功率和信号质量；将微弱的模拟信号抬升到运放的线性放大区，有利于信号的波形完整和保真；经过两级放大，使每级运放都处于运放的最佳放大倍数范围；通过电容耦合消除运放的直流量等。
4 红外可燃气体探测器特性
红外可燃气体探测器特性如下：
1)红外双光源气体探测器光路采用直射式结构，气室光路较长，探测器的分辨率得以提高；具有加热光学窗口功能，可以有效地抑制和消除水气和凝露等的污染干扰，从而保证了探测器零点和灵敏度的稳定。该特性对于海上石油平台的高湿，高热，高腐蚀等气候环境有很好的防御作用。
图3 红外双光源直射式可燃气体探测器光学结构示意
2)能检测多种气体，除了单原子的惰性气体和具有对称结构的无极性的双原子分子气体外，大多数有机和无机多原子分子气体，都可进行检测，这给生产、检修和维护带来便利。
3)检测范围宽。NDIR红外气体探测器能够分析气体的上限为100%，下限为10-6。当采取一定措施后，下限可达10-9。
4)反应快。对于90%的检测气体其响应时间一般在10s内，与其他分析手段相比要快好几倍。
5)有良好的选择性。NDIR红外气体探测器有良好的选择性，因而特别适于对多组分气体混合气中某一待分析组分的测量，而且当混合气中一种或几种组分的体积分数发生变化时，并不影响对待分析组分的测量。例如，热导式、热磁式等分析器则对背景气体的成分有比较严格的要求。
6)能进行连续分析。红外线气体探测器是属于连续进样、连续测量和连续显示的自动化仪表，能监测在线气体体积分数的任何瞬时变化。
7)不中毒。不受有害气体化学物质的“毒害”。
8)操作简单、维修方便。
9)寿命长。红外吸收光谱的检测仪器工作寿命一般为5 a以上，与此相比，目前普遍使用的载体催化型甲烷测量仪、电化学一氧化碳测量仪等，受检测原理的限制，工作寿命一般比较短。
5 实际测试数据分析
通过对该国产红外气体探测器外形优化和参数调整后，在某海上平台经过3 a的测试，参与测试的2个传感器在每3个月1次的预防性防护测试中，信号稳定、输出与测试气样体积分数匹配、无误报警和信号突变等情况；316材质的外壳无锈蚀点，传感器内部未见水气和盐渍，密封件无老化失效现象。
6 结束语
国产红外气体探测器能从原理上抵消光源驱动电路及红外光源发光率衰减、探测器灵敏度漂移、少量水气和灰尘干扰污染光路等不稳定因素的影响，使输出的测量信号仅与被探测气体吸收光谱的变化相关，从而保证了产品长期工作稳定；该型可燃气体探测器具有测量准确、重复性好、环境适应性强、温度范围宽、响应速度快、维护成本低、生命周期长等特点，经过海上石油平台环境要求下的测试和性能改进，适合海上石油平台使用。