可適用于多場景的高精度可燃氣體檢測系統的設計

張厚海 魏偉 李洪峻

摘要：隨著我國石油化工、化學制藥、清潔能源等領域的迅速發展，及時可靠地檢測可燃性氣體，對于保障安全生產和人民生命健康意義十分重大[1]。本文設計了一種可適用于多場景的高精度可燃氣體檢測系統，系統中應用了空氣發生器、氣相填充色譜柱、區域切換閥組等技術，通過一套核心設備監測實現不同場景的氣體濃度的高精度檢測，具備各個氣體成份的變化趨勢分析、泄漏源判斷以及危險預警等功能。

關鍵詞：可燃氣體在線檢測;低濃度可燃氣體;氣相填充色譜柱

中圖分類號：TP274?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）04-0055-02

Abstract：With the rapid development of China's petrochemical industry， chemical pharmacy， clean energy and other fields， timely and reliable detection of combustible gas， for the safety of production and people's life and health is of great significance [1]. In this paper， we design a can be applied to many scenes of combustible gas detection system has high precision， the system of the application of the air generator， gas phase chromatographic column， area filling switch valve group such as technology， through a set of core equipment monitoring implementation different scenarios of high precision test of gas concentration， with the change trend of each gas component analysis， the leakage source judgment and risk early warning， and other functions.

Key words：combustible gas on-line detection;Low concentration combustible gas;Gas filled column? 1 引言

常見的可燃氣體包括氫氣、甲烷、氨、硫化氫等，當這些氣體集聚在環境中可能引起爆炸、火災或中毒等事故。目前市面上多數的可燃氣體自動檢測其裝置結構十分簡單，檢測

精度相對較低，只有當可燃氣體達到一定程度后才能做出響應，故而僅能作為報警裝置使用。然而可燃氣體的泄露往往是一個漸進的過程，在泄露初期，環境中的可燃氣體濃度是很低的。因此只有實現低濃度氣體的高精度檢測，才能在第一時間發現故障，將泄露損失降至最低。另外，多數的自動檢測裝置僅能檢出混合氣體的總濃度，而不能檢出各個氣體成份的單獨濃度，這將導致大量的細節性數據缺失。比如氣體的組成比例、增長趨勢等，而這些數據恰恰又是發揮可燃氣體檢測系統的預警功能的關鍵因素。

本系統的設計目的，就是通過引入空氣發生器、氣相填充色譜柱等技術，實現混合氣體各個成分高精度檢測，進而實現早期泄露故障的準確判斷和預預警。

2 可燃氣體檢測原理及分類

2.1混合氣體檢測法。混合氣體檢測法主要由探測器和控制器組成，其中探測器安裝在氣體泄露的生產現場，可以實現混合氣體的濃度檢測，是目前應用最廣的氣體檢測方法[2]。但混合氣體檢測法僅能測量混合氣體的總量或者某類氣體的總濃度進行測量，測量精度很低，因此混合氣體檢測法多用于報警裝置之中。

2.2氣相色譜法。傳統的氣相色譜法屬于實驗室測量方法。利用氣相色譜儀，載氣瓶及色譜柱等實驗設備實現可燃氣體的檢測，是目前檢測精度最高的測量手段。但氣相色譜法設備昂貴、操作復雜，且需要在實驗室完成，因此氣相色譜法無法實現氣體檢測的在線化和自動化。

綜上所述，混合氣體檢測法檢測精度低，無法監測可燃氣體的動態預警數據，設備維護人員只能采取“亡羊補牢”式的被動措施;實驗室氣相色譜法存在一定的人力、物力消耗，無法應用到可燃氣體自動監測的領域。本設計通過改造實驗室離線氣相色譜儀的結構和功能，實現了可燃氣體的高精度檢測，解決了實驗室離線色譜儀的在線化問題。本設計可以適用于多個應用場景，為可燃氣體高精度監測提供了全新的思路，具有很強的實際應用意義。

3 系統設計

3.1系統硬件設計。本設計中系統硬件主要包括空氣發生器、載氣控制電磁閥、集氣氣泵、集氣控制電磁閥、氣體定量模塊、氣相色譜柱及氣體傳感器組成。所有硬件控制、采集由嵌入式硬件平臺實現控制。圖1為系統硬件結構圖。

系統中的區域切換閥組可根據檢測區域數量配置多個切換電磁閥，通過集氣氣泵、集氣控制電磁閥將不同區域的待檢氣體轉移至氣體定量模塊，該設計實現了檢測區域和檢測場景靈活配置。

為了實現混合氣體中各個成份的單獨檢測，系統引入了氣相色譜柱。在空氣發生器的作用下，氣體定量模塊中的混合待檢氣體進入氣相色譜柱。由于色譜柱中填料對各氣體成份的吸附系數不同，使得混合氣體實現了組分分離。組分分離后的各氣體成份可以依次進入氣體傳感器，進而實現了各個氣體成份的單獨測量。

由于硬件系統中氣相色譜柱、區域切換閥組等技術的應用，提高了系統檢測的精度，增加了檢測數據的多樣性。使系統可通過一套核心設備監測實現不同區域的氣體濃度的高精度檢測。檢測過程自動化，無需操作人員看守。

3.2系統軟件設計。本系統在嵌入式系統上開發。應用軟件部分主干流程包括檢測準備、氣體分離、氣體檢測及數據采集分析等部分。

（1）檢測準備。通過軟件進行檢測準備的控制流程。啟動空氣發生器，過濾后的載氣進入雙通道色譜柱，流過氣體傳感器。數據采集裝置檢測氣體傳感器的實時響應值，待響應基線平穩后，完成檢測準備。

（2）氣體分離。通過控制載氣電磁閥，使載氣通過氣體定量模塊。將待檢氣體在載氣的帶動下輸送至氣相填充色譜柱，由于色譜柱對不同氣體的吸附程度不同，使得混合氣體在色譜柱中實現了氣體分離。

（3）氣體檢測。氣體分離后，各個氣體組分逐一流經氣體傳感器。系統實時采集氣體傳感器的輸出電壓，形成氣體響應對時間的曲線。通過小波變換、基線跟蹤等軟件技術，將出峰時間作為保留時間對各氣體組分進行定性，將氣體傳感器的響應峰高對各氣體組分進行定量，從而實現了對監測區域可燃氣體的高精確測量，最小檢測值可達0.1PPM等級。

（4）數據采集分析。軟件記錄各種氣體的單準確濃度，同時計算氣體的濃度變化趨勢、混合氣體組成等信息，并根據計算結果及時做出泄漏源判斷、危險預警。

4 結語

本設計采用了高純空氣發生器技術，解決了實驗室離線色譜儀耗材更換的問題，實現了離線色譜儀的全自動化、無人化應用。本設計可以適用于多個應用場景，為可燃氣體高精度監測提供了全新的思路，具有很強的實際應用意義。

參考文獻：

[1]劉竹琴，白澤生.一種高精度可燃氣體檢測報警器設計[J].傳感器與微系統，2013，32（7）：71-73.

[2]趙錫欽，祁 旺，王金鑫， 可燃氣體報警器的應用及常見故障處理[J].海峽科技與產業，2018.

作者簡介：張厚海（1986年10月—），男，滿族，遼寧遼陽，碩士研究生，中級工程師，研究方向：電力設備在線監測。