可适用于多场景的高精度可燃气体检测系统的设计

张厚海 魏伟 李洪峻

摘要：随着我国石油化工、化学制药、清洁能源等领域的迅速发展，及时可靠地检测可燃性气体，对于保障安全生产和人民生命健康意义十分重大[1]。本文设计了一种可适用于多场景的高精度可燃气体检测系统，系统中应用了空气发生器、气相填充色谱柱、区域切换阀组等技术，通过一套核心设备监测实现不同场景的气体浓度的高精度检测，具备各个气体成份的变化趋势分析、泄漏源判断以及危险预警等功能。

关键词：可燃气体在线检测;低浓度可燃气体;气相填充色谱柱

中图分类号：TP274   文献标识码：A   文章编号：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

常見的可燃气体包括氢气、甲烷、氨、硫化氢等，当这些气体集聚在环境中可能引起爆炸、火灾或中毒等事故。目前市面上多数的可燃气体自动检测其装置结构十分简单，检测

精度相对较低，只有当可燃气体达到一定程度后才能做出响应，故而仅能作为报警装置使用。然而可燃气体的泄露往往是一个渐进的过程，在泄露初期，环境中的可燃气体浓度是很低的。因此只有实现低浓度气体的高精度检测，才能在第一时间发现故障，将泄露损失降至最低。另外，多数的自动检测装置仅能检出混合气体的总浓度，而不能检出各个气体成份的单独浓度，这将导致大量的细节性数据缺失。比如气体的组成比例、增长趋势等，而这些数据恰恰又是发挥可燃气体检测系统的预警功能的关键因素。

本系统的设计目的，就是通过引入空气发生器、气相填充色谱柱等技术，实现混合气体各个成分高精度检测，进而实现早期泄露故障的准确判断和预预警。

2 可燃气体检测原理及分类

2.1混合气体检测法。混合气体检测法主要由探测器和控制器组成，其中探测器安装在气体泄露的生产现场，可以实现混合气体的浓度检测，是目前应用最广的气体检测方法[2]。但混合气体检测法仅能测量混合气体的总量或者某类气体的总浓度进行测量，测量精度很低，因此混合气体检测法多用于报警装置之中。

2.2气相色谱法。传统的气相色谱法属于实验室测量方法。利用气相色谱仪，载气瓶及色谱柱等实验设备实现可燃气体的检测，是目前检测精度最高的测量手段。但气相色谱法设备昂贵、操作复杂，且需要在实验室完成，因此气相色谱法无法实现气体检测的在线化和自动化。

综上所述，混合气体检测法检测精度低，无法监测可燃气体的动态预警数据，设备维护人员只能采取“亡羊补牢”式的被动措施;实验室气相色谱法存在一定的人力、物力消耗，无法应用到可燃气体自动监测的领域。本设计通过改造实验室离线气相色谱仪的结构和功能，实现了可燃气体的高精度检测，解决了实验室离线色谱仪的在线化问题。本设计可以适用于多个应用场景，为可燃气体高精度监测提供了全新的思路，具有很强的实际应用意义。

3 系统设计

3.1系统硬件设计。本设计中系统硬件主要包括空气发生器、载气控制电磁阀、集气气泵、集气控制电磁阀、气体定量模块、气相色谱柱及气体传感器组成。所有硬件控制、采集由嵌入式硬件平台实现控制。图1为系统硬件结构图。

系统中的区域切换阀组可根据检测区域数量配置多个切换电磁阀，通过集气气泵、集气控制电磁阀将不同区域的待检气体转移至气体定量模块，该设计实现了检测区域和检测场景灵活配置。

为了实现混合气体中各个成份的单独检测，系统引入了气相色谱柱。在空气发生器的作用下，气体定量模块中的混合待检气体进入气相色谱柱。由于色谱柱中填料对各气体成份的吸附系数不同，使得混合气体实现了组分分离。组分分离后的各气体成份可以依次进入气体传感器，进而实现了各个气体成份的单独测量。

由于硬件系统中气相色谱柱、区域切换阀组等技术的应用，提高了系统检测的精度，增加了检测数据的多样性。使系统可通过一套核心设备监测实现不同区域的气体浓度的高精度检测。检测过程自动化，无需操作人员看守。

3.2系统软件设计。本系统在嵌入式系统上开发。应用软件部分主干流程包括检测准备、气体分离、气体检测及数据采集分析等部分。

（1）检测准备。通过软件进行检测准备的控制流程。启动空气发生器，过滤后的载气进入双通道色谱柱，流过气体传感器。数据采集装置检测气体传感器的实时响应值，待响应基线平稳后，完成检测准备。

（2）气体分离。通过控制载气电磁阀，使载气通过气体定量模块。将待检气体在载气的带动下输送至气相填充色谱柱，由于色谱柱对不同气体的吸附程度不同，使得混合气体在色谱柱中实现了气体分离。

（3）气体检测。气体分离后，各个气体组分逐一流经气体传感器。系统实时采集气体传感器的输出电压，形成气体响应对时间的曲线。通过小波变换、基线跟踪等软件技术，将出峰时间作为保留时间对各气体组分进行定性，将气体传感器的响应峰高对各气体组分进行定量，从而实现了对监测区域可燃气体的高精确测量，最小检测值可达0.1PPM等级。

（4）数据采集分析。软件记录各种气体的单准确浓度，同时计算气体的浓度变化趋势、混合气体组成等信息，并根据计算结果及时做出泄漏源判断、危险预警。

4 结语

本设计采用了高纯空气发生器技术，解决了实验室离线色谱仪耗材更换的问题，实现了离线色谱仪的全自动化、无人化应用。本设计可以适用于多个应用场景，为可燃气体高精度监测提供了全新的思路，具有很强的实际应用意义。

参考文献：

[1]刘竹琴，白泽生.一种高精度可燃气体检测报警器设计[J].传感器与微系统，2013，32（7）：71-73.

[2]赵锡钦，祁 旺，王金鑫， 可燃气体报警器的应用及常见故障处理[J].海峡科技与产业，2018.

作者简介：张厚海（1986年10月—），男，满族，辽宁辽阳，硕士研究生，中级工程师，研究方向：电力设备在线监测。