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國產(chǎn)紅外式可燃?xì)怏w傳感器在海上石油平臺(tái)中的應(yīng)用研究

轉(zhuǎn)載:

劉橋林

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司)

摘要:目前海洋石油平臺(tái)可燃?xì)鈿怏w監(jiān)測系統(tǒng)中,國外產(chǎn)品占主流,存在價(jià)格高、到貨期長、后期維護(hù)無保障等不利因素。介紹了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型國產(chǎn)可燃?xì)怏w傳感器,利用泄漏氣體成分的特定紅外吸收譜線來實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w的泄漏檢測。該技術(shù)不容易受光源驅(qū)動(dòng)電路不穩(wěn)、紅外光源發(fā)光率衰減、探測器靈敏度漂移、水汽和灰塵干擾、光路污染等不穩(wěn)定因素的影響,并針對海上石油平臺(tái)應(yīng)用環(huán)境的高溫、高濕度、高鹽度特性進(jìn)行了防護(hù)改進(jìn)和參數(shù)匹配,經(jīng)過了運(yùn)行測試表明:該型國產(chǎn)可燃?xì)怏w傳感器運(yùn)行穩(wěn)定、重復(fù)性好、反應(yīng)速率快,在測試應(yīng)用期間未出現(xiàn)故障。

關(guān)鍵詞:點(diǎn)紅外式可燃?xì)怏w傳感器 石油平臺(tái)

海洋石油開發(fā)對中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義,隨著海洋石油勘探技術(shù)的不斷提高,中國已建立了上百座海洋石油平臺(tái)。海洋石油平臺(tái)建設(shè)投資巨大,生產(chǎn)環(huán)境惡劣,是一個(gè)存在很多危險(xiǎn)的場所。在鉆井、修井及生產(chǎn)的過程中,存在較大的氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn),其中包含了可燃?xì)狻?/span>H 2S等易燃易爆、有毒有害氣體,對人身安全和設(shè)備的安全運(yùn)行形成了較大的威脅。為了防患于未然,需對這些氣體的泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并自動(dòng)報(bào)警,以便根據(jù)監(jiān)測的泄漏情況,采取相應(yīng)的措施,杜絕安全事故的發(fā)生。

目前海上石油平臺(tái)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)中,可燃?xì)馓綔y器采用的均是紅外檢測原理的產(chǎn)品,由于國外的產(chǎn)品價(jià)格高、維護(hù)修理成本高昂和技術(shù)支持的缺失,有必要選擇國內(nèi)質(zhì)量性能可靠,可替代國外同類檢測報(bào)警功能的產(chǎn)品。無錫格林通公司生產(chǎn)的紅外檢測原理的可燃?xì)怏w探測器,可以完全替代國外同類功能的產(chǎn)品,利用泄漏氣體成分的特定紅外吸收譜線來實(shí)現(xiàn)對可燃性氣體的泄漏檢測,該技術(shù)不容易受光源驅(qū)動(dòng)電路不穩(wěn)、紅外光源發(fā)光率衰減、探測器靈敏度漂移、水氣和灰塵干擾等污染光路的不穩(wěn)定因素的影響,并針對海上石油平臺(tái)高溫、高濕、高鹽環(huán)境進(jìn)行了防護(hù)改進(jìn)和參數(shù)匹配。經(jīng)過了海上石油平臺(tái)約3.5 a的測試、觀察,該可燃?xì)怏w探測器表現(xiàn)穩(wěn)定,輸出信號(hào)與氣體體積分?jǐn)?shù)匹配,重復(fù)性好、反應(yīng)速率快,在測試應(yīng)用期間未出現(xiàn)故障。

1 應(yīng)用環(huán)境要求

1.1 抗高低溫和高鹽霧措施

由于海上石油平臺(tái)冬天表面溫度達(dá)到-25℃,夏天溫度達(dá)60℃,晝夜溫差較大,又是高濕、高鹽霧環(huán)境,因而電子元器件和探測器的選型和測試方面就必須采取相應(yīng)控制措施。在設(shè)計(jì)電路時(shí),全部采用寬溫型低功耗電子元器件,選擇寬溫顯示器尤其重要,它能保證在低溫狀態(tài)下正常顯示;其次是電源模塊的選用,其工作穩(wěn)定性決定著其他電子元器件能否正常運(yùn)行。測試則包括在高低溫循環(huán)下的性能測試、鹽霧測試、靜電測試、故障插入測試、壽命測試等。

1.2 抗振動(dòng)措施

由于海上石油平臺(tái)有大量的旋轉(zhuǎn)設(shè)備,使得可燃?xì)怏w探測器工作在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下,為了提高抗振動(dòng)性能,首先從電路板的安裝入手,采用了抗振動(dòng)結(jié)構(gòu),并對顯示器進(jìn)行了有效加固??紤]到外殼模型設(shè)計(jì)也對抗振和安裝維修便利性有很大的影響,運(yùn)用三維建模技術(shù)對可燃?xì)怏w探測器的外殼進(jìn)行建模,并在不同振動(dòng)環(huán)境、不同安裝角度和位置對其抗振、安裝維修便利性進(jìn)行測試,評審得到最優(yōu)化的外殼模型。

1.3 防護(hù)防腐性能

采用隔爆型設(shè)計(jì),滿足防爆等級:Ex dC T6/T5 Gb,Ex t D A20 T85/135℃;防護(hù)等級:IP66;采用316材質(zhì)外殼,有效抵抗高鹽霧、高濕度和高溫差環(huán)境腐蝕。

2 光譜吸收型的氣體傳感器工作原理

2.1 工作原理

光譜吸收型的氣體傳感器是利用氣體吸收產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減而得到氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)光源的發(fā)射波長與氣體的吸收波長相吻合時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振吸收,其吸收強(qiáng)度與該氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān),通過測量光的吸收強(qiáng)度就可測量氣體體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)一束入射光強(qiáng)為I 0的輸入平行光通過待測氣體時(shí),如果光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體的吸收譜線,則光發(fā)生衰減。根據(jù)朗伯-比爾(Beer-Lambert)定律,出射光強(qiáng)II 0和氣體的體積分?jǐn)?shù)φ之間的關(guān)系如下:

式中:av)——?dú)怏w吸收函數(shù),即氣體在一定頻率v處的吸收函數(shù);L——吸收路徑的長度。

通過計(jì)算II 0的比值可以得到氣體的體積分?jǐn)?shù),但在實(shí)際應(yīng)用中,出射光強(qiáng)自身的漂移及環(huán)境引起的入射光強(qiáng)的變化,均會(huì)影響對氣體體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算。因此,需要對出射光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制,以便排除調(diào)制頻率之外的光強(qiáng)擾動(dòng),同時(shí)還需要引入另一個(gè)波長的光源作為參考,且須保證大多數(shù)被測氣體對該參考光源具有非常小的吸收作用,以便排除環(huán)境因素對入射光強(qiáng)的干擾。

通過對光源的注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制,光源輸出光強(qiáng)也受到相應(yīng)的調(diào)制。

式中:ft)——正弦函數(shù),ft=sinωt,ω=2πf,f——電流調(diào)制頻率;η——光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)。將式(2)代入(1),則:

在近紅外波段,氣體的吸收系數(shù)很小,滿足av)φL?1,光強(qiáng)的調(diào)制幅度也很小,即η?1,這時(shí)It)可近似為

計(jì)算電流調(diào)制周期T=1/f內(nèi)的It)面積:


對于參考光源,可以認(rèn)為av)近似為0,于是:

若設(shè)式(5)與式(6)相除的面積比為R,則有:

式中:K=2η+π)/[2avL]為常數(shù)。

可見,用入射檢測光強(qiáng)與參考光強(qiáng)在完整周期內(nèi)的面積比值作為系統(tǒng)的輸出,可以消除光源波動(dòng)等共模噪聲。

2.2 紅外傳感器的技術(shù)特點(diǎn)

紅外傳感器技術(shù)的特點(diǎn)有以下幾方面:

1)當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時(shí),該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為另一種能量,即分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量。在吸收過程中,分子的振動(dòng)頻率與分子的特性有關(guān),輻射只是在這些頻率對應(yīng)的波長處被吸收。利用這一點(diǎn)可以測量物質(zhì)對紅外輻射的吸收。

2)非對稱雙原子和多原子分子氣體,如CH 4,COSO2,NOCO等在紅外波段均有特征吸收峰,因而可以通過其吸收光譜來辨別,即所謂的指紋區(qū)。在214.5 u m的紅外吸收光譜范圍內(nèi),混合物的成分可以很容易地被區(qū)分。正是在該波長范圍內(nèi),物質(zhì)對紅外輻射的吸收是有選擇性的。

3)采用非色散紅外(NDIR)氣體檢測原理,一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面,在通過一定厚度的介質(zhì)后,由于介質(zhì)吸收了一部分光能,透射光的強(qiáng)度就要減弱。吸收介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)愈大,介質(zhì)的厚度愈大,則光強(qiáng)度的減弱愈顯著。

3 紅外可燃?xì)怏w探測器的原理和結(jié)構(gòu)

3.1 直射式和反射式紅外可燃?xì)怏w探測器

凡含碳?xì)浠衔锏目扇夹詺怏w對特定波長的紅外輻射能有強(qiáng)烈的吸收能力,通過測量紅外能量的減少,就能檢測出可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)。紅外光能的吸收是物理過程,檢測傳感器不易疲勞,所以使用壽命長,可在無氧環(huán)境中使用,無中毒現(xiàn)象。檢測系統(tǒng)按光學(xué)結(jié)構(gòu)可簡單分為直射式和反射式。

1)直射式。紅外光源直接透射過氣室后到達(dá)紅外光能檢測器端,光源和檢測器單元器件分別裝在2個(gè)殼體里,兩者用防爆玻璃隔開,該光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單可靠,氣室光路較長,一般大于80 mm,光路越長,靈敏度越高。并且當(dāng)防爆玻璃因長時(shí)間的使用變臟后,可以直接清洗而不影響檢測性能,光學(xué)特性穩(wěn)定。直射式紅外可燃?xì)怏w探測器原理如圖1所示。

1 直射式紅外可燃?xì)怏w探測器原理示意

2)反射式。光源與紅外光能探測器安裝在一個(gè)殼體里,在被隔爆片固封的腔體里,紅外光源通過多次反射面的反射到達(dá)光能探測器端,反射式紅外可燃?xì)怏w探測器原理如圖2所示。該光學(xué)結(jié)構(gòu)的腔體也是氣室,腔體內(nèi)的反射鏡面會(huì)被進(jìn)入氣室的被測氣體污染,并且腔體光學(xué)結(jié)構(gòu)已固封,導(dǎo)致無法清洗鏡面,從而影響到檢測性能,光學(xué)特性很不穩(wěn)定。由于該類型的光學(xué)結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn),國際上一些主流制造商的產(chǎn)品都不采用該光學(xué)結(jié)構(gòu)。

2 反射式紅外可燃?xì)怏w探測器原理示意

3.2 國產(chǎn)紅外可燃?xì)怏w探測器的特點(diǎn)

國產(chǎn)紅外可燃?xì)怏w探測器的特點(diǎn)如下:

1)光學(xué)結(jié)構(gòu)。無錫格林通公司生產(chǎn)的紅外可燃?xì)怏w探測器采用直射式的光學(xué)結(jié)構(gòu),并且采用了雙紅外光源技術(shù),具有光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠,免于日常維護(hù)和使用壽命長等特點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)對危險(xiǎn)場所的易燃易爆氣體體積分?jǐn)?shù)的檢測。紅外雙光源直射式可燃?xì)怏w探測器光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。檢測氣體時(shí),采用兩束單色光(窄帶光波),一束光波可被被測氣體吸收,稱為檢測光,另一束光波不被被測氣體吸收,稱為參考光。被測氣體的體積分?jǐn)?shù)正比于這兩束光在傳感器上測得的能量強(qiáng)度的比值。

2)硬件電路設(shè)計(jì)核心技術(shù)。信號(hào)檢測敏感體輸出的是一個(gè)毫伏級幅值的正弦波信號(hào),將該微弱的信號(hào)放大濾波處理后,再輸入至AD采樣芯片進(jìn)行處理。該處理電路的優(yōu)點(diǎn):能與敏感體有效阻抗匹配,保證信號(hào)的輸出功率和信號(hào)質(zhì)量;將微弱的模擬信號(hào)抬升到運(yùn)放的線性放大區(qū),有利于信號(hào)的波形完整和保真;經(jīng)過兩級放大,使每級運(yùn)放都處于運(yùn)放的最佳放大倍數(shù)范圍;通過電容耦合消除運(yùn)放的直流量等。

4 紅外可燃?xì)怏w探測器特性

紅外可燃?xì)怏w探測器特性如下:

1)紅外雙光源氣體探測器光路采用直射式結(jié)構(gòu),氣室光路較長,探測器的分辨率得以提高;具有加熱光學(xué)窗口功能,可以有效地抑制和消除水氣和凝露等的污染干擾,從而保證了探測器零點(diǎn)和靈敏度的穩(wěn)定。該特性對于海上石油平臺(tái)的高濕,高熱,高腐蝕等氣候環(huán)境有很好的防御作用。

3 紅外雙光源直射式可燃?xì)怏w探測器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意

2)能檢測多種氣體,除了單原子的惰性氣體和具有對稱結(jié)構(gòu)的無極性的雙原子分子氣體外,大多數(shù)有機(jī)和無機(jī)多原子分子氣體,都可進(jìn)行檢測,這給生產(chǎn)、檢修和維護(hù)帶來便利。

3)檢測范圍寬。NDIR紅外氣體探測器能夠分析氣體的上限為100%,下限為10-6。當(dāng)采取一定措施后,下限可達(dá)10-9。

4)反應(yīng)快。對于90%的檢測氣體其響應(yīng)時(shí)間一般在10s內(nèi),與其他分析手段相比要快好幾倍。

5)有良好的選擇性。NDIR紅外氣體探測器有良好的選擇性,因而特別適于對多組分氣體混合氣中某一待分析組分的測量,而且當(dāng)混合氣中一種或幾種組分的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí),并不影響對待分析組分的測量。例如,熱導(dǎo)式、熱磁式等分析器則對背景氣體的成分有比較嚴(yán)格的要求。

6)能進(jìn)行連續(xù)分析。紅外線氣體探測器是屬于連續(xù)進(jìn)樣、連續(xù)測量和連續(xù)顯示的自動(dòng)化儀表,能監(jiān)測在線氣體體積分?jǐn)?shù)的任何瞬時(shí)變化。

7)不中毒。不受有害氣體化學(xué)物質(zhì)的“毒害”。

8)操作簡單、維修方便。

9)壽命長。紅外吸收光譜的檢測儀器工作壽命一般為5 a以上,與此相比,目前普遍使用的載體催化型甲烷測量儀、電化學(xué)一氧化碳測量儀等,受檢測原理的限制,工作壽命一般比較短。

5 實(shí)際測試數(shù)據(jù)分析

通過對該國產(chǎn)紅外氣體探測器外形優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整后,在某海上平臺(tái)經(jīng)過3 a的測試,參與測試的2個(gè)傳感器在每3個(gè)月1次的預(yù)防性防護(hù)測試中,信號(hào)穩(wěn)定、輸出與測試氣樣體積分?jǐn)?shù)匹配、無誤報(bào)警和信號(hào)突變等情況;316材質(zhì)的外殼無銹蝕點(diǎn),傳感器內(nèi)部未見水氣和鹽漬,密封件無老化失效現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

國產(chǎn)紅外氣體探測器能從原理上抵消光源驅(qū)動(dòng)電路及紅外光源發(fā)光率衰減、探測器靈敏度漂移、少量水氣和灰塵干擾污染光路等不穩(wěn)定因素的影響,使輸出的測量信號(hào)僅與被探測氣體吸收光譜的變化相關(guān),從而保證了產(chǎn)品長期工作穩(wěn)定;該型可燃?xì)怏w探測器具有測量準(zhǔn)確、重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、溫度范圍寬、響應(yīng)速度快、維護(hù)成本低、生命周期長等特點(diǎn),經(jīng)過海上石油平臺(tái)環(huán)境要求下的測試和性能改進(jìn),適合海上石油平臺(tái)使用。

參考文獻(xiàn):略。