一种新型车载燃气泄漏检测系统

作者：郑晓敏

   天然气管道泄漏的原因很多，生产制造、安装施工、使用、安全管理等有所疏忽都会引起天然气泄漏事故的发生。天然气在送到最终用户之前，为助于泄漏检测，要用硫醇等给天然气添加气味。最原始的泄漏检测方法就是“闻”，随着科学的发展，出现了各式各样的电子鼻——天然气检测仪，其原理各异。当前城市管网主要以人工巡检为主，管网密布，工作量大，在检查出结果之前，可能事故已经发生，所以迫切需要一种快速高效的检测设备。车载燃气检测的模式有效地利用了设备的检测灵敏度和汽车的机动性，解决了输气管道和配送管道的泄漏巡检，检测系统提供了泄漏早期预警的功能，可以与管网的GIS系统一起构成早期预警系统。

1 TDLAS燃气检测技术的原理

  TDLAS  (Tunable  Diode  Laser  AbsorptionSpectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)技术是一种光谱吸收技术，是利用可调谐半导体激光器的窄带宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很难分辨的吸收线进行测量。根据朗伯一比尔(Lambert-Beer)定律，可通过测量气体对激光的衰减来确定气体的浓度。采用TDLAS技术进行气体探测的主要特点是：①高选择性、高分辨光谱技术，实用指标可以达到ppm量级，即使路面上存在微量泄漏的燃气也能检测到；②对于所选用的工作波段，水分和其他气体几乎没有吸收，使系统具有良好的选择性，路面上的汽车尾气等非甲烷碳氢化合物对测量不会产生干扰；③响应速度快、灵敏度高，使得车载检测技术成为气体的实时测量和在线检测技术，TDI．AS探测器的时间分辨率可以在ms量级，整个检测系统的响应时间约为0.2 s；④稳定性、重现性好，检测结果是稳态的，不是瞬时变化的，零点稳定不漂移，便于系统对数据进行储存和分析处理；⑤安全性高，防爆性好，使用寿命长。

2车载燃气泄漏检测系统的功能设计

根据实际巡检工作的需求，设计了车载燃气泄漏检测系统的功能，如图1所示。整个系统电源来源于车辆自带电源输出或者蓄电池，TDLAS探测器安装于车辆正前方，测量信息反馈到放置于车厢内的控制箱，控制箱具有分析信息和手动配置系统参数的功能，并对测量信息进行存储；与控制箱电缆连接的显示器可以显示检测结果和地理定位、车速等信息；如果天然气浓度超标，显示器会发出报警，需要现场工作人员给予反馈；车载系统的行驶路线和检测信息会通过远程传输模块实时传输到中控室的GIS系统，现场浓度超限报警时GIS系统也会有相应报警提示，直至工作人员做出反馈。

3  车载燃气泄漏检测系统的实现

3.1  电气部分的功能实现

  系统选用国产的TDLAS传感器，型号为CRP-1 000，甲烷的有效检测浓度达10 ppm（本文中ppm均表示体积浓度比，lppm相当于1 cm3／m3．下同）以上，响应速度小于0.5 s。地理定位模块选用市场上尺寸最小、完全国产化的北斗/GPS模块UM220系列，集成度高、功耗低，定位精度可以达到2m。信息远程传输模块采用GSM／GPRS通讯的方式，模块主要由SIMCOM公司SIM900A芯片构成，属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，工作频率为GSM／GJPRS 850 MHz/900 MHz／1800 MHz/1 900MHz。现场信息显示部分使用北京迪文的串口液晶屏DMT系列，使用DGUS来进行开发，可以实时显示甲烷浓度数据、历史浓度曲线、光路衰减值等信息，工作人员通过触摸屏幕进行人机交互。CPU选用意法半导体公司的STM32F105RCT6，具有高性能、低成本、低功耗的嵌入式程序应用的ARM Cortex-M3内核，64引脚LQFP封装，256 kB的内部FLASH，两路支持同步／异步通讯的USART和三路同步通讯的UART。系统单片机采用keiluvision4平台嵌入式程序开发，C语言编程，协调以上功能模块工作，实现人机交互系统功能设置、检测信息处理、现场报警和信息存储、显示、回查、出示检测报告等功能。车载燃气泄漏检测系统的上位机是基于天然气管网的GIS系统平台开发的，可同时接受多个现场车辆位置信息、气体浓度值和报警信息，GIS系统可实现实时显示、存储，浓度超限后必须手动确定取消报警，系统提供检测信息查询功能。车载设备的电源电压为DC12 V，通过供电系统模块提供DC3.3 V、DC4 V等所需电压。

3.2  结构部分的功能实现

3.2.1  系统采样方式的确定

  一般采样方式有泵吸式和扩散式，前者是仪器带有一个小型气泵，对待测区域的气体进行抽气采样，将样气吸入特定检测空间进行检测，此方式需要考虑泵的流量和车速，需要一定时间才能把取样气体吸入检测空间；后者是被检区域的气体通过气体的自然扩散进行检测，传感器需要置于空气中有效距离内感知到被测气体，此方式检测速度快，但是受环境温度、风速影响较大。由于车载式燃气检测系统移动速度较快的特点，所以本系统选用扩散式采样。

3.2.2设备总体结构

车载燃气泄漏设备结构图框如图2所示。

  探测器及支撑结构安装于车前方，设计了适用于汽车和电动摩托车的两种形式结构，两者结构类似但光程不同。控制箱和显示器放在车内，相互之间使用电缆通讯，控制箱通过保护套管内的光纤将激光信号传到安装于车前方的TDLAS探测器，探测器通过镜头发出激光，光路裸露在大气环境里，直接采样，支撑结构上设有探测器的防护装置和光路的反射结构，探测器镜头接受反射光，并转化成反馈信号，通过保护套管内的电缆传给控制箱，控制箱实时处理信息。如果甲烷浓度超限则显示器现场发出报警声，工作人员操作按钮或触摸屏，反馈给系统信息。探测器通过压环固定在安全防护装置上，安全防护装置与移动的车辆安装为一体。如果工作时探测器镜头有灰尘或污渍，控制器中光路衰减值超标，系统会提示吹扫，安装于车厢内的小型气泵通过气管吹扫探测器镜头，以达到清洁目的。

探测器及支撑结构由防护套筒、TDLAS探测器安装结构、安装压环、电缆保护套、气管与清洁泵组成，如图3所示。整个设备安装于车前保险杠的前下方，探测器与支撑架另一端的反射镜构成光路，支撑架结构牢固，具有防止撞击、保护光路的作用。光路上方安装有防护罩，防护罩两端加橡胶垫安装于支撑架上，并且探测器头部和反射镜外面分别安装有防护套筒组件，使设备能够适应风、雨雪和泥泞道路等多种场合作业。车厢内的清洁泵通过气管将空气输送到吹气孔，吹气孔位于镜头前方，正对镜头处。探测器镜头和发射镜外部分别安装有防护套筒，加强了设备的安全保护，也方便了车载设备的清洗；在检测车开始巡检前，需要旋动防护套筒组件上的锁紧螺母，移动压板到下限位，打开套筒；旋转螺母进入套筒底板的凹槽内，然后旋紧锁紧螺母，锁定压板位置。相应地在探测器不工作时，需要移动压板到上限位，旋动螺母锁定其位置。

控制箱整体为便携式设计，如图4所示。其内部器件位置合理、集中紧凑、接线方便、外形美观；后面板和侧壁设有通风孔，保证散热效果，底板设有固定孔，可安装支撑脚也可用于固定。

显示器设计简单、安装方便、小巧大方、耐用，可根据需要放置，工作人员在开车的同时可以清晰地看到监测数据并与上位机通讯，进行各项操作。如图5所示，显示器正面是触摸屏和电源、网络连接、报警确认、报警音量调节4个按钮，可以方便地打开更换通讯卡或进行其他操作。

4  车载燃气泄漏检测系统的测试

  为了验证系统的性能，进行了大量实验和第三方检测机构测试，结果表明该系统具有良好的稳定性，采集数据准确可靠，能快速发现周围环境中存在的微量甲烷泄漏，并告知工作人员做出相应处置。

4.1  车载燃气泄漏检测系统的标定

基于TDLAS原理的燃气泄漏检测系统属于线性可燃气体探测器，是实现长距离、开放空间泄漏探测的测量系统，在实际应用中根据具体环境条件，可调整监测距离。用于开放空间的扩散式采样气体检测仪属于非标产品，它测量的是可燃气体的浓度和扩散范围的综合指标，国家还没有相关的标准明确规定其标定方法。结合设备的具体结构，北京东方计量测试研究所与项目组共同研究制定了标定方案，设计了专用标定系统，如图6所示。系统主要对CH4含量为O ppm、10 ppm、1 000 ppm和10 000 ppm的4个体积浓度值进行重点测试，以标准气体和现场制备的标定气体作为系统的非电量输入量，扩散到测量容器内，被探测器感知输出系统测量结果，做出图表，分析输入、输出量。基于设备的结构，标定系统设计了专用的测量容器。

  根据中华人民共和国国家标准GB/T14070-1993《气体分析校准用混合气体的制备压力法》，采用静态气体配气的方法制备标定气体。标定结果表明，设备最大测量误差在5%以内，满足使用要求。车载燃气泄漏检测系统属于计量性质的安全保障产品，根据《中华人民共和国国家计量检定规程JJG693-2011》中《可燃气体检测报警器》部分的规定，设备的检定周期一般不超过1年。

4.2  系统应用软件测试

  2014年9月4日至10日委托中科卓信软件测评技术中心对系统软件进行功能测试，依据GB/T25000. 51- 2010《软件工程软件产品质量要求和评价( SQuaRE)商业现货(COTS)软件产品的质量要求和测试细则》，测试结果符合项目要求，达到了设计目的。

5应用实例

  车载燃气检测系统于2014年10月份在中石化普光气田301集气站进行试点应用，在301集气站口和6#阀室沿途管路试用3 d，未发现明显的天然气泄漏，与其他设备检测的结果吻合。沿途人为释放少量甲烷气体，探测器及时准确地发现了泄漏情况，浓度为33 ppm（报警阙值设置为10 ppm），现场报警并将信息无线传输到达州基地的控制室。

系统于2015年初在北京市燃气集团第二分公司试用，参加市区燃气管网日常巡检。4月14日在左家庄一社区内，设备报警，显示浓度110 ppm，与同时巡检的德国某厂家设备数据一致，经进一步分析，为雨后污水散发出的气体，非燃气泄漏。4月16日在望京医院附近进行泄漏检测，设备显示浓度20 ppm，发出报警，预判为燃气泄漏，采取了进一步措施。

6摘要：通过分析燃气特性、使用现状和燃气公司的实际需求，根据TDLAS燃气检测技术原理，提出车载燃气泄漏检测系统的设计方案和实施方法。研究了采用扩散式采样方式的气体检测设备的标定方法，设计了设备的标定系统，提出了扩散式气体检测设备标定规范的思想，并通过实际应用验证了车载燃气泄漏检测系统的可行性。