一種糧倉內氣體采集裝置的研究

鑫 磊，劉英華，楊自勤，王茂蘭

航天信息江蘇有限公司 (無錫 214000)

糧食儲藏最主要的是除蟲處理，使用磷化氫滅蟲是我國糧食部門推廣的一種很有效的儲糧滅蟲方法。但是磷化氫是一種無色無味劇毒氣體，磷化氫常見于谷物殺蟲劑磷化鋅、磷化鋁遇水或潮濕空氣時產生，它為無色氣體，稍有腐魚樣臭味，比空氣稍重，屬高毒類，空氣中含磷化氫10 mg/m3，接觸數小時即可引起中毒，空氣中磷化氫濃度400 mg/m3以上時，可很快致人死亡。磷化氫主要經呼吸道吸入肺泡被機體吸收。侵入機體的磷化氫主要損害中樞神經系統、心臟、肝臟、腎臟等。磷化氫中毒潛伏期一般在24 h內，偶有2～3 d，多數在1 ～3 h內發病。其癥狀有頭痛、頭暈、失眠、乏力、口渴、納差、惡心、嘔吐、腹痛、腹脹、胸悶、咳嗽、低熱及心動過緩等，較重者會出現意識障礙、抽搐、呼吸困難，心肌損害等，嚴重時會出現昏迷、驚厥、呼吸衰竭、血壓下降、心律紊亂、腦水腫、肺水腫、肝、腎及心肌損害等致人死亡。

在糧庫熏蒸的時候，糧庫化驗員進行取樣化驗和糧庫保管員進糧倉測溫度、濕度和檢查糧情、蟲情時就有可能吸入磷化氫氣體的危險。為保護糧庫工作人員的健康，實時提供糧倉內磷化氫氣體的準確濃度是非常必要的。在熏蒸期間，糧倉及糧堆內的磷化氫濃度均非常高，糧倉內48 h到達峰值，糧堆內96 h達到峰值，且趨于平衡的狀態，說明磷化氫在糧倉內擴散并逐步向糧堆內滲透彌散,開倉放氣2 d后倉內磷化氫濃度降至國家衛生標準附近。二次閉倉后糧堆內磷化氫濃度逐步下降,而倉內是先上升再下降，說明二次閉倉后糧堆內的磷化氫又逐步向倉內空間釋放引起倉內濃度升高。直到第9 d糧堆及倉內磷化氫濃度才降到國家衛生標準以下。從熏蒸后開始開倉放氣算起,大約半月后進倉才較為安全。現有產品技術對于成本考慮氣體采集及檢測裝置成本較高，從安全角度考慮磷化氫氣體的安全檢測手段較困難，所以我們對倉內氣體采集裝置進行了研究和測試。在一些糧庫已經得到了實際應用，方便糧庫內工作人員在熏蒸期間準確地檢測倉內氣體成分，保證了糧庫作業的安全，并且大大節約了糧庫的支出成本。

1 倉內氣體采集裝置技術應用

本技術使用標準的modbus通信協議，可以通過以太網進行數據傳輸，與其他設備有非常好的兼容性。氣體采集數據可根據服務平臺采集的實時數據，保證了數據的及時性、準確性。可以通過遠程控制，使工作人員遠離危險。極大程度降低可能出現的危險。也可進行多個設備的同時啟動，一次測量多倉房的數據，節約時間，減少工作人員的工作量。使用系統后，可以定時的檢測數據，并有效的記錄于系統，進過長期的使用有更加透明、準確、直觀的周期數據，讓后期的統計分析有了更加有利的條件。

氣體采集裝置的氣體傳感器是氣體檢測裝置的核心，通常安裝在探測頭內。從本質上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進行化學處理，以便化學傳感器進行更快速的測量。它具有穩定性、靈敏性、選擇性和抗腐蝕性等優勢。

本裝置采用的是電化學型氣體傳感器，電化學式氣體傳感器是利用被測氣體的電化學性，將其電化學氧化或者還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度。電化學式氣體傳感器是檢測有毒、有害氣體最常成熟的傳感器，其特點是體積小、功耗小、線性和重復性較好、分辨率精準、壽命較長、不易受到干擾。

自動采集氣體功能由三個步驟組成：清洗、抽氣、排氣。糧庫工作人員在存糧的同時把用作氣體采集的氣管放入各不同空間位置的糧堆之中，用以抽取不同方位糧堆中的氣體引導至氣室，然后進行氣體的成分分析。由于在每次抽氣、排氣后氣室中會有參與氣體，所以在一次循環之前必須先清洗氣室，氣體檢測動作通過自動氣體采集功能把糧堆各個角落的檢測氣體抽至氣室，然后通過氣體傳感器分析出檢測氣體中的成分含量。當得到糧堆各位置氣體的數值后，把所有的數值歸類計算，得到最后的氣體的數值就是糧倉內各氣體的值。把這些數值與工藝數值進行比較計算后，進行工藝流程動作調整。

2 倉內氣體采集裝置工藝流程

中央單元在得到用戶需要采集分析倉內氣體命令時，第一步會給氣泵和清洗電磁閥工作命令，用來清洗氣室；第二步等氣室清洗完后，停止清晰電磁閥打開第一路氣體檢測電磁閥，把糧倉內的第一處氣體通過氣泵抽取至氣室，通過氣室中的傳感器把氣體數據傳輸至中央單元；第三步停止第一路氣體檢測電磁閥打開第二路氣體檢測電磁閥，把糧倉內的第二處氣體通過氣泵抽取至氣室，通過氣室中的傳感器把氣體數據傳輸至中央單元；第四步停止第二路氣體檢測電磁閥打開第三路氣體檢測電磁閥，把糧倉內的第三處氣體通過氣泵抽取至氣室，通過氣室中的傳感器把氣體數據傳輸至中央單元；第五步停止第三路氣體檢測電磁閥打開第四路氣體檢測電磁閥，把糧倉內的第四處氣體通過氣泵抽取至氣室，通過氣室中的傳感器把氣體數據傳輸至中央單元；第六步停止第四路氣體檢測電磁閥打開第五路氣體檢測電磁閥，把糧倉內的第五處氣體通過氣泵抽取至氣室，通過氣室中的傳感器把氣體數據傳輸至中央單元，第六步的數據檢測結束之后，設備會停止所有的動作，表示一次氣體檢測結束。通過這六步設備動作，可以安全、準確的實時采集到糧倉內各個不同位面、不同立面的氣體詳細數據，極大的方便糧庫工作人員工作。采集檢測氣體流徑工藝如圖1所示。

圖1 采集檢測氣體流徑圖

3 倉內氣體采集裝置硬件配置

為了實時有效的采集糧倉內各種氣體的數據，我們研究了一種糧倉內氣體采集的裝置，本裝置主要有中央單元、氣泵、氣體電磁閥和氣室(傳感器)組成。中央單元(arduino-mage2560)是一個主控板，可通過Arduino IDE對Arduino Mega編程。在Arduino Mega使用ATmega328 芯片上，存儲有引導程序程序，使得用戶可以上傳程序到開發板上，而不需要使用額外的編程器，引導程序使用STK500協議通信。

氣泵、氣體電磁閥、氣室這3個是抽取糧倉內樣品氣體的主要執行設備，氣泵是抽取樣品氣體的動力設備，氣體電磁閥是抽取不同空間中糧倉內樣品氣體的路徑，氣室內的傳感器是檢測糧倉內樣品中不同氣體的地方。主要硬件配置如圖2所示。

圖2 氣體采集裝置

3 結束語

該糧倉內氣體采集裝置降低糧庫工作人進庫作業存在的風險,通過設計良好的糧倉氣體采集邏輯,系統實時參數的監控,數據的報警,實時記錄,歷史數據的保存和調用,已經在多個糧庫投入使用，獲得了較好的效果。