1  引言

中红外QCL-TDLAS是基于激光吸收光谱技术发展起来的高灵敏度吸收光谱技术，其实质还是直接吸收。中红外QCL-TDLAS作为光谱吸收的一种，具有高灵敏度高分辨率和快速响应等特点，其特点是采用国际领先的半导体量子级联激光器(QCL)作为中红外激光源，可有效探测波长在中红外（波长3到20微米）的分子基本能级，使基于QCL光源的传感仪器能达到前所未有的灵敏度。近年来，随着天然气的广泛使用，燃气泄漏事故时有发生，给人民的生命财产造成损失。2018 年 6 月 10 日 23 时 20 分许，中石油天然气输气管道贵州晴隆县沙子镇三合村蒋坝营处发生燃爆，现场火光冲天（见图 1 所示），其中受伤人数 24 人（急危重 3 人、危重 5 人、重症 16 人）。因此，快速且准确检测燃气是否泄漏显得非常重要。

图1  燃气泄露事故现场

2  中红外QCL-TDLAS技术原理

2.1  中红外QCL

中红外QCL是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体激光器，与传统近红外二极管激光器工作原理有本质不同，其激射波长可覆盖大部分中远红外光谱区域。在环境污染监测、工业过程高精度监测、痕量毒品和爆炸物检测等应用方向前景广阔。

图2  中红外QCL

2.2  中红外TDLAS

目前，国内外市场的激光甲烷检测模组几乎都是基于近红外激光TDLAS技术。近红外激光甲烷检测模组是借助多次反射光程池可提高精度，但增加了采样预处理环节，并且要求多次反射光程池具有更高稳定性，能达到的最好灵敏度也仅为0.1~2 ppm。长期来看，这样的精度无法满足燃气泄露移动巡检的要求。

众所周知，各种气体在中红外波段具有独特的指纹特征，甲烷气体也不例外。因此，对于大气中用激光痕量甲烷气体最佳波段是中红外波段，此波段的甲烷吸收系数是近红外波段的百倍左右，也就是说单从激光器选用波段角度就可以将传感设备最高灵敏度提高至少100倍，这样利用中红外TDLAS制造的传感器，其气体吸收池可以不用很长，甚至可以不用多次反射，这样可以大大减小探测单元的尺寸,设计开发难度相对较小，便于批量生产。

图3 各种气体中红外吸收光谱

2.3  中红外QCL-TDLAS原理介绍

中红外QCL-TDLAS基本原理是通过调谐特定的量子级联激光器波长，使其扫过被测气体分子的特定中红外吸收光谱线，被气体吸收后的透射光由中红外光电探测器接收，经由锁相放大模块提取透射光谱的谐波分量，反演分析气体浓度信息。

图4 中红外QCL-TDLAS

3  基于中红外QCL-TDLAS的甲烷气体检测设备

吸入式激光甲烷检测仪是由山西昆仑公司基于中红外QCL-TDLAS激光气体检测技术研发生产的，被称为“燃气管网移动卫士核心”，具有革命性技术创新的天然气泄漏检测模组。

该天然气泄漏检测模组，采用目前国内外最先进的中红外QCL-TDLAS激光气体检测技术，灵敏度可以达到20ppb，体积仅有两个手掌大小，非常便于集成到电动两轮车或电动三轮车上进行单人日常城市或农村天然气管道巡检。

图5 吸入式激光甲烷检测仪规格参数

图6 吸入式激光甲烷检测仪尺寸

4  应用

3.1 激光燃气泄漏巡检车（两轮）

激光燃气泄漏巡检车（两轮）是由山西昆仑公司自主研发的具有革命性技术创新的天然气泄漏巡检车，搭载被称为“燃气管网移动卫士核心”的“吸入式激光甲烷检测仪”，脚踏板下方搭载一台大功率吸气泵，在车辆中部设置个气体收集器作为进气口，可以在车辆行进过程中对地面的泄露甲烷进行快速探测，探测数据实时上传到手机App。前方车把左侧集成了手机支架，后方集成有180°广角摄像机，如果发现有气体泄露，手机App会将报警数据和报警图片以及报警点坐标上传至生产管理平台，方便管理者指挥处置。

激光燃气泄漏巡检车（两轮），将精准的激光天然气泄漏检测仪与方便的电动车相结合，用于在狭窄街道和不便于通行燃气检测车的道路上快速检测燃气漏点，克服了通常路面检漏效率低、工作强度大的缺点，能够适应所有的道路环境，是城市燃气管网检漏的理想工具,乃当之无愧的“燃气管网移动卫士”。

图7 激光燃气泄漏巡检车（两轮）

4  结束语

本文首先介绍基于中红外QCL-TDLAS激光气体检测技术开发的天然气泄漏检测模组-吸入式激光甲烷检测仪，该天然气泄漏检测模组具有体积小、灵敏度高等特点，非常便于集成。随后将此模组集成到两轮电动车上，组成激光燃气泄漏巡检车（两轮），该巡检车可以搭载手机进而可与生产管理平台无缝对接，可快速完成燃气管道的日常巡检和泄露巡检。

参考文献

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