采用智能傳感技術的下一代氣體檢測儀表ULTIMA X5000

施曉東，馬云鸝

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.梅思安（中國）安全設備有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

一直以來，工程師們致力于使用多樣化的氣體檢測技術確保油氣生產、煉制、儲運等環節中的安全等級，最大限度保護人員、設備和設施的安全，如果氣體檢測系統發生故障，其結果可能是災難性的。設計和使用安全、高性能的氣體檢測系統，能確保較長使用周期內可靠運行，并準確、及時地發現氣體泄漏，從而最大限度地避免誤報警、誤停車等事件的頻繁發生。

圖1 濕度變化對硫化氫氣體傳感器的性能影響Fig.1 H2S detection performance impact from humidity fluctuation

1 傳統氣體檢測技術存在的問題和潛在風險

傳統的氣體檢測技術包括催化燃燒原理和電化學原理，也是目前使用數量占比最大的兩種氣體檢測技術。基于這兩種檢測技術的傳感器，由于技術成熟、制作工藝簡單、成本低，因而被廣泛應用。在石油化工天然氣這類高危行業，一旦發生火災、爆炸等事故，其后果將非常嚴重，有必要對這類行業中的傳感器技術進行深入研究，力求將各種不利因素的影響降至最低。

誤報警是目前石油化工天然氣行業氣體檢測儀表遇到的比較多的問題，給使用單位帶來很多困擾。誤報警可能會導致部分裝置停車，嚴重時直接導致工廠減產停產，并消耗大量的時間和人力進行應急響應與處置，對安全生產的影響非常大。誤報警的誘發原因比較多，部分來自儀表本身的器件性能和質量，以及設計方面的因素[1]。從功能安全范疇來說，誤報警屬于安全失效，其表達式為λS，一般可通過FEMDA 分析得到。檢測儀表所用器件質量越高，整體設計和檢測功能越完善，λS越小，儀表就不太容易發生誤報警[2]。

除了儀表本身的器件質量與設計因素，外界環境因素不可忽視。氣體傳感器的核心器件，特別是采用電化學原理的傳感器，內部采用不同成分的電解液，非常容易受到諸如溫度、濕度等環境因素的影響。其中，濕度對于電化學傳感器的性能參數影響較大，在不同等級的濕度環境中，或濕度呈周期性變化的作業環境中，有毒氣體的濃度檢測示值表現出明顯差異[3]。部分海上作業平臺，其環境濕度較大（＞90%），且持續時間長，容易引發誤報警，甚至觸發聯鎖動作，造成不必要的損失。圖1 顯示了硫化氫（H2S）氣體檢測性能如何受到環境因素的影響，實驗周期為630天，應用濃度值為60ppm，樣本數量為64 臺，顯示結果為該樣本均值。

圖2 自動脈沖檢測技術工作原理Fig.2 Pulse check technology demonstration

如圖1 所示，隨著環境濕度在10%～90%之間周期性變化，H2S 濃度示值亦呈現周期性變化，而且與濕度有比較明顯的正相關性。典型地，當環境濕度為90%時，H2S濃度測量最大偏差為23.3%。

標定周期也是廣大最終用戶普遍關心的問題。對于氣體檢測儀表來說，標定周期是指兩次必要的標定活動之間的最長間隔。在不考慮國家相關法律法規要求時，目前市場上絕大多數品牌的傳感器，其最大允許的標定周期在6 ～12 個月之間。標定周期越短，意味著整體運行維護成本會大大增加，包括但不限于標定活動需要的標定工具、氣瓶等備件的采購，存放和報廢處置成本，以及相關的資質要求、人員安排等。

即使按照3 ～6 個月的標定周期，如何確保在兩次標定之間的時間段內，傳感器仍處于有效工作狀態，也是長期以來困擾很多用戶的問題。目前，國家權威部門已經取消了運行維護階段的關于強制檢定的規定。對于用戶來說，如何確保氣體檢測儀表在兩次標定周期間隔里安全、可靠地運行，以及在性能指標合規的前提下，是否能夠延長儀表的標定周期，是同時關乎到經濟利益和安全性的問題。

2 創新技術助力氣體檢測儀表具備更高等級安全性

智能傳感（TruCal）是MSA 公司最新研發的氣體傳感技術[4]，該創新技術經過數年研發和性能驗證，能夠有效減除誤報警，并較好地解決標定周期中如何平衡運維成本和安全性的問題。

1）自動脈沖檢測

自動脈沖檢測是智能傳感技術的關鍵，也是實現其他更多特性的基礎，其工作原理如下：

圖3 環境自動補償優化Fig.3 Automatic environment compensation

◇ 傳感器內部定時觸發電流脈沖，用于模擬一次真實氣體的標定。

◇ 傳感器對模擬電流脈沖實時響應。

◇ 內置算法邏輯捕獲此響應行為，與上一次正確標定的響應結果進行比對。

◇ 根據比對結果，決定是否應對傳感器進行補充和優化。

◇ 該過程持續1s，每天執行4 次。

◇ 模擬信號的輸出，不受此過程的影響。

假設用戶標定其氣體檢測儀表的周期為90 天，在這段時間內，用戶無法得知傳感器是否處于“呆死”或“沉睡”狀態，除非等到下一次標定失敗。自動脈沖檢測最重要的價值在于該技術可以確保在標定周期內，用戶所使用的檢測儀表或傳感元件的檢測功能始終正常。

2）環境自動補償優化

借助自動脈沖檢測技術，電化學傳感器（一般用于檢測毒性氣體）還可以自行補償由于環境因素帶來的不利影響。如果儀表需要標定，則及時通知用戶，此時綠色LED燈將會緩慢閃爍，還可以通過藍牙無線通訊遠程實時告知用戶；如果檢測到傳感器存在嚴重問題，無法繼續檢測或壽命即將終結，儀表將自行進入故障模式，并實時給用戶發出警告。

還是以硫化氫（H2S）氣體檢測的環境因素影響實驗為例，實驗周期為630 天，應用濃度值為60ppm，樣本數量為64 臺，顯示結果為該樣本均值。不同的是，新的64 臺氣體探測器樣本均具備環境自動補償優化功能，能夠根據環境濕度的周期性變化進行性能補償，最終呈現出來的檢測示值與真實濃度非常接近。

如圖3 所示，這批具有自動補償優化功能的氣體探測器，在不進行真實氣體標定的前提下，即使連續工作于不利工況環境18 個月左右，H2S 濃度測量最大偏差僅為8.3%。

圖4 智能通路實時監測Fig.4 Smart diffusion monitoring

3）智能通路監測

智能通路監測技術，用于確保氣體檢測儀表的氣體擴散通路一直處于暢通狀態。如果氣體擴散通路被阻塞，傳感器的檢測性能將不同程度地受到影響，阻塞嚴重時，即使傳感器的性能指標非常優秀，氣體檢測儀表也將無法檢測到氣體泄漏。原因很簡單，檢測儀表本身并不知道其氣體擴散通路是否被阻塞。智能通路監測的工作原理如圖4所示。

目前，諸如膠帶、冰、樹葉、鹽、保鮮膜、糖汁、灰塵、泥垢、沙、石膏、顏料等超過20 種物質已經過模擬性能驗證，效果良好。

3 MSA下一代智能氣體探測器ULTIMA X5000

ULTIMA X5000 系列氣體探測器是MSA 公司最新推出的智能型固定式氣體探測器，用于在線檢測可燃性氣體、有毒氣體及氧氣（O2）的濃度。該產品采用智能檢測技術，確保卓越的檢測性能和長期穩定性，適用于SIL2 安全完整性等級應用。雙傳感器設計、藍牙無線技術和極具人性化的人機交互界面，賦予了該產品最大程度的應用靈活性，操作維護也更加便捷。ULTIMA X5000 與現有UltimaX 系列產品具有完全相同的安裝設計參數，極大地方便了安裝利舊和產品升級換代。

ULTIMA X5000 主要技術特點[4]：

1）統一平臺，集成電化學/催化燃燒/紅外吸收/金屬氧化物半導體（MOS）等多種檢測技術。

2）創新雙探頭設計，靈活組合應對不同的應用需要，更低的總體部署和維護成本。

3）智能檢測技術，確保儀表時刻處于有效狀態；探頭性能持續優化，長期運行穩定無漂移。

4）更長的有效壽命：催化燃燒傳感器大于60 個月，電化學/MOS/紅外傳感器大于48 個月。

圖5 ULTIMA X5000產品示意圖Fig.5 ULTIMA X5000 Product

圖6 可燃及有毒氣體探測器安裝平面圖Fig.6 Gas detector installation layout

5）標定周期最長可達18 個月（H2S 和CO 傳感器），幫助用戶優化維護成本。

6）更加人性化的操作界面，包括觸摸屏設計、高亮OLED 顯示，以及省電模式。

4 ULTIMA X5000在海上作業平臺中的應用

MSA ULTIMA X5000 智能氣體探測器已應用于某海上作業平臺（鉆機模塊），該作業平臺位于渤海遼東灣海域，冬季有海冰覆蓋，作業環境所處區域常年濕度偏高，且鹽度高。

鉆機模塊的FGS/ESD 系統采用小型可編程控制器（PLC）產品，PLC 具有較高的安全性與應用能力。上位機使用盤裝PC 來實現程序編制、系統配置、報警監視、操作及文檔管理等工作。除此以外，還包括火氣系統遠程監控盤（位于司鉆房，由鉆工監視火氣狀態和確認報警），以及位于現場的火氣探測設備。

表1 平臺作業區域溫濕度及鹽度情況Table 1 Temperature, humidity and salinity condition

圖7 ULTIMA X5000現場安裝圖Fig.7 ULTIMA X5000 Installation in field

火氣探測設備是海上平臺火氣監控系統的重要組成部分，是保護人身安全和保證油氣生產及國家能源免受嚴重損失的重要環節。現場探頭安裝在可能發生火災或可燃性氣體及有毒氣體等危險氣體泄漏的位置，用于實時監測火災及氣體泄漏事故。

振動篩是鉆井液凈化系統之一，作用是將鉆井液中比較大的巖屑分離出來。由于鉆井液全部在振動篩凈化，因而地層中的可燃性氣體及H2S 會隨著鉆井液在此處釋放和擴散，所以對振動篩區域的氣體探測變得尤為重要。此區域最初設計的GM 公司H2S 檢測儀表S4000TH 以及可燃氣體探測器IR2100，由于已過服役年限，升級成MSA ULTIMA X5000 硫化氫可燃氣二合一探測器，安裝位置在振動篩正上方，用于實時監測該區域可能出現的H2S 以及可燃性氣體。

ULTIMA X5000 硫化氫可燃氣二合一探測器通過按照三線制方式進行電氣連接，被檢測氣體濃度值會在現場探頭LCD 屏進行就地顯示，并通過硬接線將4mA ～20mA 電流信號傳送至控制柜的PLC 系統，PLC 系統通過人機接口傳送至控制柜HMI 對濃度值進行實時顯示。系統集成的盤裝人機界面（HMI）可以方便地對整個鉆機模塊上的火氣系統進行實時監視和操作，操作畫面包括：總貌畫面、探頭平面布置畫面（包括報警）、可尋址探頭回路圖、報警記錄畫面、歷史報警畫面、探頭BYPASS 畫面、火區BYPASS狀態畫面、消防系統狀態畫面、CO2系統狀態畫面、綜合報警畫面等。

當探頭探測區域濃度達到報警值時，系統柜會產生聲光報警，并向CEP 平臺中控傳送報警信號，同時平臺狀態燈會顯示黃色即可燃氣泄漏報警狀態，提醒現場操作人員有害氣體濃度情況，達到提前預警的目的，具有較好的實用性。MSA ULTIMA X5000 硫化氫可燃氣二合一探頭在現場安裝調試后，已穩定運行半年以上，經綜合評估，使用效果良好，滿足平臺火氣系統的功能和性能要求。

5 結束語

智能傳感技術能夠最大限度地抑制外界環境不利因素對氣體傳感器的性能影響，對于減除誤報警具有非常重要的作用，并能夠在確保安全的前提下，延長標定周期，幫助客戶破解經濟效益與事故風險之間的難題；同時，對于保護人員、設備和設施安全起到真正可靠的安全防護作用。