工业气体检测（精选12篇）
工业气体检测 篇1
专利号:200810196764.7
现有的气体浓度的检测方法是单纯地依靠模拟电路分别完成浓度的检测, 这种方法的缺陷是:没有充分考虑气体浓度的变化, 不能对检测结果进行分析研究, 对检测不正确的数值无法修正。
该项技术提供一种更加精确具体的气体浓度检测方法。技术方案是:1) 利用探头检测气体浓度, 并通过单片机程序对检测结果进行综合处理, 根据气体的消耗量, 修正检测结果, 使测量结果更加精确;2) 利用集成电压电流转换器将气体检测结果转换为标准电流信号输出;3) 利用单片机的串行输出口将气体的检测结果以串行数据的形式向外发送, 可以直接被上位计算机采集、处理。
该项发明可实现气体浓度检测结果模拟信号输出以及具有气体浓度检测结果串行数据发送功能。
该项技术的特点:1) 技术实施包括电路接线和单片机程序设计两部分。单片机程序包括主程序和中断服务程序两部分。主程序主要设定采样周期, 设定为2 s, 利用定时器TimerA的定时中断实现。中断服务程序包括A/D转换、数据处理、D/A转换和串行通信四部分;2) 利用探头检测气体浓度, 通过单片机程序对检测结果进行综合处理, 根据气体的消耗量, 修正的检测结果, 使测量结果更加精确。利用集成电压电流转换器将气体检测结果转换为标准电流信号输出, 利用单片机的串行输出口将气体的检测结果以串行数据的形式向外发送, 可以直接被上位计算机采集、处理;3) 分别实现气体浓度和检测结果修正、气体浓度检测结果模拟信号输出、气体浓度检测结果串行数据发送功能。
联系人:赵云峰
地址:江苏省镇江市丹徒区谷阳镇21号
邮编:212013
工业气体检测 篇2
根据国家有关规定，对黑龙江海外民爆化工有限公司木兰分公司工业卫生情况进行了监测，结果如下：
1、生产过程中的粉尘、噪声，厂区的烟尘、三废基本达到国家标准，作业环境较好。
2、工人的劳动保护用品齐全，按时足额发放。
3、工人的工作车间、厂房宽敞、明亮，温度适宜，干净卫生。
4、工人的保健食堂、更衣室、浴室卫生条件好，管理到位。
该公司领导重视工业卫生，努力创造良好的作业环境和生活条件，有力的保护工人的身心健康。
新型低功耗多通道气体检测仪 篇3
摘要：随着现代科技的不断进步，空气中损害人体健康的物质越来越多，传统的检测器很难同时测量多种有害气体，且设计复杂，功耗大，故障率偏高。本文以TI公司的16位MSP430F42x系列单片机为核心，设计了一款新型低功耗多通道气体检测仪。实践证明，该检测仪具有成本低、功耗低、精度高、功能丰富、响应快、操作方便等特点。
关键词：单片机 低功耗 多通道 检测仪
0 引言
随着现代科技的不断进步，化工与材料技术得到了快速发展。然而越来越多的有毒有害物质也随之产生，导致空气环境中损害人体健康的物质也随之增多，且大多为挥发性有机物，如甲醛、甲苯、硫化氢等。传统的检测器很难同时测量多种有害气体，且其检测电路采用的是功耗较大的89C51单片机，片内没有集成A/D转换功能，需要外围独立电路实现A/D转换，不仅设计复杂，功耗大，而且故障率偏高；大多数检测仪都为便携式设备，耗电量大，用户往往为设备使用时间短耿耿于怀。而近年来，美国Ti公司推出的Msp430F42x单片机内置12位的A/D转换模块，具有功耗低，体积小，可靠性高等优点，能够很好的解决传统检测仪面临的难题。因此，多通道、低功耗、高可靠性检测仪在工业生产流程监测、环境保护和事故应急处理等领域具有广泛的应用前景，故提出本方案。
1 方案的实现
1.1 方案原理 本方案主要以美国德州仪器（TI）公司推出的16位超低功耗、高精度、高性能的Msp430F42x系列单片机为核心，利用片内3个独立的16位A/D转换器，采集多个气体传感器信号，测量气体的浓度。系统框图如图1所示，共分为电源、信号采集、信号调整、系统主控、LED显示、报警输出、数据通信等7大模块。
因需要满足低功耗，本方案采用锂电池供电，输入电压范围为（1.8V～4.4V），系统定时对电池电量进行检测，并在显示屏上实时显示，当电量低于额定值（1.8V）时，系统告警，提示用户进行充电。设备提供外部电源接口，可为设备直接供电，并同时为锂电池充电。电源模块输出5V、3.3V、2.5V电压，为系统其它模块提供可靠的电源。电源模块中主要采用了TI公司的TPS6300x系列IC，由单片机MCU统一管理，未开机时为省电模式，工作电流为8uA，开机工作时最大电流不大于60mA。锂电池正常使用可达4-6月。因此，功耗低是此方案特点之一。
信号采集模块主要对原始的传感器信号进行采集，将传感器信号转换成电压信号。根据传感器种类的不同，可支持电流或电压型输出，输出方式有单线、差分两种。此模块还有另外一个作用就是抑制零点漂移，保证传感器输出信号趋于稳定，减少测量误差。
信号调整模块主要采用了TI公司的TLV5524对采集的传感器信号进行箝位、放大处理，使相应通道信号满足MSP430F42x的AD转换的要求。
系统主控模块是设备的核心，采用MSP430F42x为MCU，实现系统控制、AD转换、数据处理等主要功能。系统控制包含电源管理、定时管理、用户界面管理、按键扫描、背光控制、LED显示管理、报警管理等；AD转换采用负责将三通道模拟信号转换成数字信号；数据处理主要包含传感器信号、RS485通信、参数存取等数据的处理。
采用LED显示屏作为人机界面，如图2所示，可显示气体名称、浓度、单位、报警状态、电量等信息。通过按键可进入菜单设置，标定零点和目标点。LED显示由MSP430F42x直接驱动，响应时间快，电路简单，信号可靠。
方案中使用RS485接口与其它系统通信，通过此接口可对设备进行参数下载和实现远程测量。使用29LC256进行参数存储，参数类型有公共参数、默认参数和用户参数，公共参数和默认参数一经写入后，用户无权限改变；用户可通过菜单修改用户参数。
报警输出是检测仪主要功能之一，当被测量气体的浓度超过额定值，将发出声光报警，并在显示屏上提示报警状态及种类（高报警或低报警），同时报警信号通过继电器输出给外部报警装置。
1.2 关键器件 MSP430F42x主要特性：
超低功耗：活动模式，400uA，1MHz，3.0V；待机模式1.6uA；掉电模式0.1uA。
5种省电模式，从待机模式唤醒不超过6uS。
具有锁相环。
三个独立的16位A/D转换通道，差分输入。
16为RISC精简指令体系，125nS指令周期。
提供128段集成LCD驱动。
三个带捕获/比较寄存器的16为定时器Timer_A。
TPS6300x主要特性：
高达96%的转换效率；
降压模式下输出电流高达1200mA，升压模式下输出电流高达800mA，降压模式与升压模式可自动转换；
输入电压范围：1.8V～5.5V；
输出电压可调，范围为1.2V～5.5V；
在低功率输出时，可使用省电模式提高效率；
IC关闭时，断开与负载的连接。
TLV5524主要特性：
低噪声：19nV/■，1KHz；
低输入偏置电流：1pA；
非常低功耗：每通道34uA；
宽电压输入：2.7V～8V；
低输入补偿电压：850uV。
1.3 系统软件实现 本系统软件部分采用C语言编程，采用模块化设计，主要包括初始化、主程序、键盘扫描与处理、菜单处理、数据采集、浓度计算算法、报警处理、参数存取、LED显示及串口通信等模块。图3为系统软件主流程图。
■
2 应用与校准
本文设计的检测仪适用于测量氧气、氢气、氮气、二氧化硫、二氧化碳、硫化氢、甲烷、乙醇等气体浓度，主要应用于化工、石油、煤矿等领域。设备出厂时统一进行零点及目标点校准，由于用户使用环境各不相同，若测量环境变化较大时，用户可对设备进行零点或目标点校准。
3 结论
本文的设计方案由于采用了MSP430F42x系列芯片，运用其内部16位的AD转换器进行信号采集，提高了测量精度，使得系统电路集成度较高，降低了系统功耗和成本，提高了系统可靠性。同时提供3个通道测量，解决了单一气体测量的问题，而且通过强大的软件功能，提供给用户丰富的菜单功能和简便操作，满足多样化的告警功能。
参考文献：
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[2]沈建华，杨艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航天航空大学出版社，2002.
[4]兰吉昌.运算放大器集成电路手册[M].北京：化学工业出版社，2006：104-112.
[5]张洪润，刘秀英，张亚凡.单片机应用设计200例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：468-486.
工业气体检测 篇4
关键词：催化气体传感器,混合气体,恒温检测,热敏电阻,热平衡分析
0引言
催化燃烧气体传感器与其它种类的气体传感器相比, 在检测可燃性气体方面具有一定的优势, 特别是由于它具有一定的抗高湿、粉尘等恶劣环境的能力以及体积小、价格低等优点, 在煤矿瓦斯检测中发挥了巨大的作用, 是目前国内煤矿中应用最多的一类气体传感器[1]。
国内外对催化燃烧气体传感器, 特别是催化瓦斯传感器的工作原理、检测方法以及性能改进等方面的研究已经很多[2,3,4,5,6,7]。但是由于该传感器的敏感元件和补偿元件本身是热敏元件, 其电阻会随着环境条件和工作条件的改变而变化, 因此需要特别加以分析。本文从一个典型的催化燃烧气体传感器的结构、敏感机理和热平衡方程出发, 讨论了传感器输出与被测气体浓度、工作温度之间的定量关系, 给出了在传感器输出线性的条件下计算混合可燃性气体中各组分浓度的线性方程。
1传感器输出与电阻变化的关系
图1为催化燃烧气体传感器的典型结构。该传感器由敏感元件A、补偿元件B及其引线和透气性良好的金属防爆保护外壳等构成。敏感元件和补偿元件均由铂丝电阻外包裹球形疏松多孔氧化铝 (载体) 制成, 它们的结构完全一致, 被分别置于2个隔离的空腔内, 这2个隔离的空腔对称分布, 以保证其热分布边界条件一致。不同的是敏感元件载体上添加有催化剂 (如pd等) , 被测气体在其上无烟燃烧放热, 使得其温度升高, 从而使铂丝的电阻增大, 补偿元件上则没有催化剂, 被测气体在其上不反应。因此, 根据敏感元件铂丝的电阻变化可以检测可燃性气体并判断其浓度大小。
采用惠斯顿电桥检测传感器输出信号, 如图2所示, 其中U为电桥输出, R1、R2为平衡桥臂电阻, R3、R分别为补偿元件和敏感元件电阻 (铂丝) 。通常有R1≈R2, R3≈R, 且 (R1≈R2) ≫ (R3≈R) 。下面对采用恒压源供电的情况进行分析[8]。
设如图2中恒压源的电压为E, 则没有被测气体时电桥输出U0为
电桥平衡时, U0=0, 即R1R=R2R3。
由于可燃性气体在敏感元件上催化燃烧放热, 使敏感元件的电阻发生变化, 设达到热平衡时, 敏感元件的电阻增加ΔR。由于R3和R组成的桥臂 (以下称传感器桥臂) 的电阻变化引起电流变化, 使得补偿元件R3的电阻也要变化, 设达到热平衡时, 补偿元件的电阻增加ΔR3, 此时电桥输出为
式 (2) 应用了[ (ΔR+ΔR3) / (R+R3) ]≪1的关系。令R1/R2=R3/R=n, 得
当n=1时, 即R3=R, R1=R2, Ug最大, 即
式中:I0为传感器桥臂的工作电流, 即I0=E/ (2R) 。
由式 (4) 可得
设某传感器以3 V供电, 其输出为15 mV (被测气体浓度为1%) , 则 (ΔR-ΔR3) /R=0.02。在下面的推导中将其视为一个小量, 并以R3=R作为基础。
2传感器电阻变化表达式的推导
2.1 传感器电阻变化与温度变化的关系[8]
式 (4) 中的电阻变化ΔR、ΔR3分别是由敏感元件和补偿元件的温度变化引起的, 其关系可由金属铂电阻的电阻-温度关系确定。
在0～650 ℃范围内, 敏感元件电阻R与温度t之间的关系为
式中:R (t) 为温度等于t时的电阻;R0为t=0 ℃时的电阻;α=3.968 47×10-3/K;β=-5.847×10-7/K2。
设传感器工作温度为T, 则传感器电阻为
设被测气体中敏感元件的温度增加Δt, 则其电阻为R (T+Δt) , 有
由式 (7) 和式 (8) 得
因为[Δt/ (2T) ]≪1, 所以有
同理可得
式中:ΔtR3为补偿元件的温度变化。
需要注意的是式 (10) 、式 (11) 中的温度单位为℃。
2.2 传感器电阻变化与加热功率变化的关系
令Δr=ΔR+ΔR3, 则在被测气体中传感器桥臂的电流为
此时敏感元件的加热功率为
略去高阶小量, 得
令WR为没有检测气体时敏感元件的加热功率, 且WR=I
即敏感元件的加热功率变化量与ΔR3的绝对值成正比。
类似地, 可得到由于传感器桥臂总电阻增大而引起的补偿元件上加热功率的变化值:
2.3 传感器的热平衡方程与温度变化关系
催化燃烧气体传感器必须工作在一定的工作温度下才会对可燃性气体有较高的灵敏度。传感器达到热平衡时, 传感器内部各点的温度分布不再随时间变化, 传感器从电源获取的热量与传感器耗散的热量相等。传感器热量耗散主要通过热对流、热辐射和热传导这3种方式进行。从图1可看出, 催化燃烧气体传感器的热量主要通过热对流的方式向外耗散, 其次是热辐射和热传导。在没有被测气体时, 热平衡方程为
式中:等式右边第一项为空气与元件表面接触进行热交换 (对流) 耗散的热功率 (牛顿热交换定律) ;第二项为热辐射耗散的热功率 (斯蒂芬-波尔兹曼辐射定律) ;第三项为铂丝热传导耗散的热功率 (傅里叶热传导定律) , 在热平衡时可以表示为kA· (T-T1) /L, 其中L为传热铂丝的长度, T1为铂丝冷端的温度;I
在被测气体中, 设可燃性气体在敏感元件上燃烧产热的效率为QF, 热平衡时敏感元件的温度为Tg, 其周围空气的温度为T′0, 则热平衡方程变为
式中:hg为空气中存在被测气体时的热交换系数;T′0、T′2、T′ (X) 对应于前述T0、T2、T (X) 。
由式 (8) 、式 (17) 、式 (18) 得
其中Tg>T, 且热平衡时有T2≈T0、T′2≈T2和T′0≈T0。设铂丝冷端的温度不变 (实际上可以实现) , 于是式 (19) 可写为
应用实验定律[9]:hg=hGC+h (1-C) , 其中hG为纯的被测气体的热交换系数, C为被测气体的体积百分比浓度。令Tg=T+Δt, 在热辐射损耗小于热交换损耗的前提下, 可略去热辐射部分的Δt/T高阶小量项。并注意到热辐射项中的温度为绝对温度, 应用[C (hG-h) /h]≪1的条件, 得
式中:T为用摄氏温度表示的传感器工作温度。
再看补偿元件上的热平衡。当存在被测气体时, 设其温度变化为ΔtR3, 类似地可得
2.4 热平衡时元件电阻变化的表达式
由式 (10) 、式 (15) 、式 (22) 得
式中:a= (α+2βT) /[Sh+4εσF12S (T+273) 3+kA/L], 其量纲为[W-1], 它与工作温度T、敏感元件或补偿元件表面积S以及空气的热交换系数h等有关。在A/L很小、A≪S的实际情况下, 铂丝热传导所耗散的热量的变化量可以忽略不计。因此有
式中:γ= (α+2βT) /[h+4εσF12 (T+273) 3]。
由式 (11) 、 (16) 、 (23) 得
由式 (24) 、式 (26) 得
由式 (27) 可见, 在催化燃烧气体传感器采用恒压源供电的情况下, 由于敏感元件和补偿元件所处环境相同, 研究其输出时可以不考虑热交换系数的变化。
3传感器产生热量与被测气体浓度的关系
设敏感元件中敏感材料的体积为V (dm3) , 疏松多孔的敏感材料的孔隙率为p。根据可燃性气体氧化反应方程式 (G+xO2=mCO2+nH2O) 可看出, 由于O2浓度在大气环境中基本不变, 在被测气体G的浓度较低时, 反应速度仅由被测气体G的浓度决定且可以表示为v=k (t) [G] (mol/ (l·s) ) , 其中k (t) 为反应速度常数, 它除了与被测气体种类、催化剂种类和其量有关外, 还与反应温度t有关, 且遵循阿仑尼乌斯 (S.Arrhenius) 定律;[G]为被测气体G的摩尔浓度 (mol/l) , 则单位时间内在敏感材料上催化燃烧所消耗的被测气体G的量为pVk (t) [G] (mol/s) 。设1 mol被测气体燃烧产生的热量为q, 则单位时间内被测气体G催化燃烧产生的热量为
设在标准状态下, 用体积百分比浓度C表示[G], 则[G]=C/2 240, 因此有
式中:q′=q/2 240。
将式 (29) 代入式 (27) , 得
将式 (30) 代入式 (4) , 得
由式 (6) 、式 (31) 可进一步表示为
如果被测气体为n种可燃性气体的混合气体, 则其产热效率是所有组分催化燃烧产热效率之和, 即
设有n个催化燃烧气体传感器, 其中第j个传感器的工作温度为Tj, 被测气体催化燃烧产热效率为QFj, 则
由传感器输出方程得第j个传感器在被测混合气体中的输出为
令Aj=Ej (4Rj) -1{ (hjSj+4εjσjFjSjT
由这样的n个独立输出方程可解出Ci (i=1, 2, …, n) , 用矩阵表示为
式中:A为n×n的系数矩阵, 其中Aji=Ajqgiki (Tj) , 由于所有Aj、qgi和ki (Tj) (i, j=1, 2, …, n) 各不相同, 因此, A为满秩矩阵, 即方程 (37) 有惟一解。
因此, 对由n种组分组成的混合可燃性气体, 用n个热催化燃烧气体传感器分别工作在不同的工作电压Ej (j=1, 2, …, n) 下即可由方程 (37) 实现对各组分浓度的检测。系数矩阵A可通过n个催化燃烧气体传感器分别对n种组分的标定获得。
4实验与结论
采用3个催化燃烧气体传感器分别工作在不同的工作温度下 (实验中用不同的工作电压) , 对CH4、H2和CO三组分的混合气体进行测试。首先, 在确定的工作电压下和特定的环境中, 对每个传感器分别标定对各组分气体的灵敏度系数, 获得混合气体的浓度解耦矩阵A, 并对其求逆, 如果不能求逆, 可调整传感器工作电压, 直到A可逆。在多次标定的基础上取均值, 可以最大限度地保证检测精度。
在此基础上, 在传感器测试容器中分别加入已知浓度的CH4、H2和CO, 根据工作电压不同的3个传感器的输出按式 (37) 计算其浓度值, 并与实际浓度进行比较, 可得出检测混合气体各组分浓度的相对误差, 其结果如表1所示。
从表1可看出, 其最大检测相对误差在10%以内, 并且相对误差与浓度没有严格的依赖关系。相对来说, CH4和H2的检测相对误差较小, 而CO的相对误差较大。
用n个催化燃烧气体传感器分别工作在不同的工作温度下, 根据每个传感器的输出就可以计算出由n种气体组成的混合气体中各组分的浓度。更进一步, 参考文献[10]给出了用1个传感器工作于不同的工作温度下分析混合气体的方法, 但它认为传感器输出是非线性的, 而本文得出的结论是输出是线性的。
参考文献
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[3]童敏明, 杨胜强, 田丰.新型瓦斯传感器关键技术的研究[J].中国矿业大学学报, 2003, 32 (4) :399-401.
[4]孙纲灿, 周常柱, 苏贝.用单片机实现瓦斯探测器[J].微计算机信息, 2005, 8 (2) :66-68.
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[9]吴越.催化化学 (上册) [M].北京:科学出版社, 1998.
可燃气体检测报警使用规范 篇5
3.1油气田易燃、易爆场所应安装可燃气体检测报警器。
3.2可燃气体检测报警器的检测器的数量应满足被检测区域的要求。每个检测器的有效检测距离，在室内不宜大于7.5m，在室外不宜大于15 m。
3.3可燃气体报警控制器应安装在有人值守的操作室或值班室。
3.4安装和使用的可燃气体检测报警器应有经国家指定机构认可的计量器具制造认证、防爆性能认证和消防认证。
3.5在用的可燃气体检测报警器应按规定定期标定。
4安装范围及检测点的.确定
4.1安装范围
4.1.1在以下场所应安装可燃气体检测报警器：
a) 原油中转站以上的油泵房、计量间、含油污水泵房、阀组间、脱水器操作间;
b) 输送天然气的压缩机房、计量间、阀组间和收发球间;
c) 轻烃系统的压缩机房、计量间、阀组间、收发球间、储罐区和装卸设施;
d) 凝析油和汽油的泵间、计量间、阀组间、储罐区和装卸设施;
e) 液化石油气泵房、灌瓶(充装)间、计量间、气瓶库和储罐区;
f) 原油装卸设施应符合SH 3063—中4.2.2的规定。
4.1.2在以下场所宜安装可燃气体检测报警器：
a) 原油沉降罐操作间、原油储罐区;
b) 含油污水罐区。
4.2检测点的确定
4.2.1在封闭和半封闭厂房中，按室内要求设置检测器;当封闭厂房的面积小于50m2时，至少应设一个检测器。
4.2.2露天或半露天的生产设施按室外要求设置检测器。
工业气体检测 篇6
SF6设备在电力系统中的应用已经越来越广泛，由于SF6作為主要的绝缘介质，在对SF6设备日常的检测及维护中，对于SF6气体泄漏缺陷的有效监测和控制是非常重要的。而对于运行中的电网来说，临时停电检修手续复杂繁琐，而且经常由于供电的需要不能停电，导致缺陷检测不及时等后果，为设备留下安全隐患。
二、SF6气体泄漏激光检测技术研究内容
激光痕量检测在发电系统和供电系统中的应用已经越来越受重视，特别是在对SF6气体泄漏的检测中，由于SF6气体分子稳定，对激光有较强的吸收能力，所以通过激光对SF6设备的气体泄漏进行检测是完全可行的。
（一）SF6气体泄漏激光检测技术测试报告
预定目标：
1.选择一款具有实时泄漏图像显示功能， 高灵敏度，重量轻、体积小，能激光准确定位，检漏距离15米左右， 又能抗强电磁场干扰的激光成像仪。
2.对激光成像仪进行现场实践测试其可靠性，稳定性及实用性。
3.达到现场带电查找SF6设备气体泄漏点的目的。
研究过程中SF6气体泄漏激光成像系统已经在枣营及留村的消缺检漏过程中进行了应用，以此为例做以下报告：
1.时间：2009年3月27日
地点： **市220kV枣营变电站
变电检修工作人员：变电检修工作人员
测试设备：HX-1（第三代）SF6气体泄漏激光成像仪
技术条件：与美国TIF公司生产的TIF5650 SF6接触式检漏仪的检测结果比较，看是否相符。
测试内容：对220kV枣营变电站252-1刀闸仓（已知泄漏）进行SF6检漏试验，并对试验结果进行分析，与其他SF6检漏仪测试的结果进行对比，看是否相符。
测试结果：252-1刀闸仓分子筛处有明显的SF6泄漏现象，B相有明显漏点。视频影像见“附件1”
测试结论：经SF6气体泄漏激光成像系统检测，枣营252-1刀闸有泄漏点，泄漏点在B相刀闸仓上，与美国TIF公司生产的TIF5650 SF6接触式捡漏仪检测的结果一致。
2.时间：2009年7月3日
地点：**市110kV留村变电站
变电检修工作人员：变电检修工作人员
测试设备：HX-1（第三代）SF6气体泄漏激光成像仪
技术条件：带电检测。
测试内容：在不停电的状态下，对110kV留村变电站313开关（已知泄漏）进行SF6检漏试验，并对试验结果进行分析。
测试结果：313开关C相有明显的SF6泄漏现象，C相开关法兰密封圈处有明显漏点。
测试结论：经SF6气体泄漏激光成像系统检测，留村313开关C相有泄漏点，泄漏点在C相中法兰密封圈上。
技术特点：1.采用美国高灵敏探测器，具有很高的探测灵敏度，当SF6气体泄漏低于0.001scc/sec时都能够被发现。2.关键部件全部原装进口，性能高，质量稳定，使用可靠。 3.重量轻、体积小、操作简单。4.抗强电磁场干扰。
（二）设备使用情况分析
SF6气体泄漏激光成像系统已经在枣营及留村的消缺检漏过程中进行了应用，效果很好，该系统能明显的反映出SF6设备泄漏点的漏气状况，显示的图像根据漏气量的不同有明显区别，所有的图像和视频资料都保存到了移动存储设备中，测试结果及状态表征与其他成熟仪器测试结果及状态表征完全一致。
用此方法可以在不停电的状态下对SF6设备进行漏气检测，使检漏试验的实施获得了很大的方便；并且此系统运用的是激光成像的方法，利用的是远程检测的方式，不再需要将测试探头贴近设备，在安全方面有效的避免了触电、高摔等危险；SF6气体泄漏激光成像系统，将检测到的泄漏气体直接以图像的形式展现出来，既有照片又有动态图像，这与以前的检测设备只有声音报警的结果呈现方式相比有了很大的飞跃。
缺点：受气象条件及泄漏量影响较大，同时由于测试仪体积较大，在GIS设备布置较密集的情况下，影响测试。在条件允许的条件下与普通检漏仪配合使用效果较好。
SF6气体泄漏激光成像系统，主要由SF6激光成像仪电源部分、激光成像仪器、三角架、和连接设备组成。自上个世纪六十年代激光问世至今，由于激光具备相干性好，单色性好和高亮度三大特色，试光谱法痕量检测技术增添新的活力，实现了质的飞跃。近年来，激光痕量检测、单光子探测、单细胞检测得到较快发展。
研究用激光痕量检测方法，此方法在发电和供电系统中近年来也已经开始应用，对含SF6的电气设备气体泄漏检测也日益受到主管部门的重视。SF6气体分子结构稳定，大量实验也已证明，SF6分子对激光有较强的吸收，因此，利用红外光谱法检测电气设备中的SF6气体泄漏是完全可行的。激光的相干性好，通过可调光学转换系统，可以在指定的某一检测位置实现一个理想的立体红外辐射场。从设备中泄漏出来的SF6气体分子以流动现象往外扩散，这个SF6分子流将对覆盖在这个区域的立体辐射场激光产生较强的光子吸收合光子后向散射。
利用先进的气体泄漏激光成像仪能够探测小致0.001Scc/s 的泄漏率，其便携性和较宽的检查视场角可实现快速完成整个变电站的泄漏巡查及准确定位。
三、结束语
（一）SF6气体泄漏激光成像系统的应用，适应了企业生产规模快速扩大的实际需要，具有良好的经济性和适用性，对供电企业带来巨大的企业效益、经济效益和社会效益。
在使用此系统前，所有敞开式变电站的设备捡漏工作均需要停电进行，使用此系统进行捡漏试验，可以在不停电的状态下进行，这样对电网的安全稳定运行起到了很好的配合作用，停电消缺目标性较强，并省去了安排停电检漏所造成的停电操作及经济损失。
（二）SF6气体泄漏激光成像系统在使用期间，充分体现了安全性高、操作简单、方便实用、分析准确的特点，为生产工作提供了正确的试验数据及图像分析，充分发挥了性能特点。
气体检测仪及其发展趋势 篇7
气体检测仪是在众多可能产生或具有易燃易爆气体 (如CO、H2, CH4等) 、有毒有害气体 (如CO、H2S, SO2等) 的炼油厂、化工厂、油库、液化气站及加油站等场所, 为防火、防爆、防毒而进行安全检测及报警的必备仪器, 用于检测环境空气中易燃易爆气体爆炸下限浓度以内的含量及有毒有害气体的极限含量, 即及时检测气体种类及浓度, 发出报警信号或启动联锁保护装置。因此, 气体检测仪作为重要监测仪器, 在石油化工行业安全生产中有着大量应用, 对防止发生中毒事故、减少人员伤亡, 以及国家财产安全起到了极度重要的作用。
气体检测仪主要包括两部分:气体传感器 (探头) 、报警控制器 (主机) 。前者安装在气体释放源附近, 后者安装在有人值守的控制室或操作室, 二者一般通过电缆连接。
下面介绍气体传感器, 并分析其与气体检测仪的发展趋势。
2 气体传感器及其发展趋势
气体传感器, 即气体敏感元件, 是气体检测仪的关键部件。气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件, 能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号, 从而可以进行检测、监控、分析及报警。
气体传感器从原理上可分为四大类: (1) 电学类气体传感器, 利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变, 又分为:电阻式和非电阻式, 电阻式气体传感器主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器 (又为金属氧化物半导体气体传感器和有机半导体气体传感器) 等, 非电阻式气体传感器则通常是利用材料的电流或电压随气体含量变化; (2) 光学类气体传感器, 利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度, 又分为:红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等; (3) 电化学类气体传感器, 利用了电化学性质; (4) 高分子气敏材料类气体传感器, 利用高分子气敏材料制成, 又分为:高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等。
2.1 新气敏材料与制作工艺的不断开发。
新型气体敏感材料是传感器技术进步的物质基础。目前新型气敏材料的研究主要侧重于半导体材料、陶瓷材料及有机高分子材料。对气体传感器材料的研究表明, 金属氧化物半导体材料Zn O, Sn O2, Fe2O3等已趋于成熟化, 特别是在CH4, C2H5OH, CO等气体检测方面。现在这方面的工作主要有两个方向:一是利用化学修饰改性方法, 对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理, 并对成膜工艺进行改进和优化, 提高气体传感器的稳定性和选择性;二是研制开发新的气体敏感膜材料, 如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料, 使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性及高抗干扰能力等。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点, 已成为研究的热点。
2.2 新型气体传感器的研制。
沿用传统的作用原理和某些新效应, 优先使用晶体材料 (硅、石英、陶瓷等) , 采用先进的加工技术和微结构设计, 研制新型传感器及传感器系统, 如光波导气体传感器、高分子声表面波的开发与使用, 微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。随着新材料、新工艺和新技术的应用, 气体传感器的性能更趋完善, 使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。
2.3 气体传感器的一体化、智能化和图像化。
借助于半导体技术, 现已可使传感器从单元件、单功能到多元件、多功能, 即将多个传感器与信息处理和转换电路集成在一块芯片上, 与计算机技术结合, 制成智能气体传感器系统———电子鼻, 用于自动识别气体种类、自动寻找气源等。电子鼻是由多个性能彼此重叠的气体传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的仪器, 它融合了传感器技术、信息处理技术、计算机技术和计算数学理论, 是一门综合性极强的技术。现在, 传感器的研究也由一点参数测量发展到从一维、二维、三维甚至四维来考虑, 成功研制出二维图像传感器。
3 气体检测仪的发展趋势
伴随着气体传感器的发展, 气体检测仪也在不断地更新。气体检测仪的发展趋势主要有以下几方面。
3.1 仪器小型化。
随着传感器生产工艺水平的提高, 传感器日益小型化且集成度不断提高, 使得气体检测仪也将向小型化、微型化发展。这方面的技术主要包括两个方面, 一是在传感器生产中将对不同气体敏感的气敏元件制作在一块芯片上组成传感器阵列, 减少分立器件所占的体积;二是将电路设计成专用集成电路, 完成特定的检测任务。
3.2 仪器智能化。
即在气体传感器中嵌入微处理器, 使仪器具有自动校准和故障显示功能。在软件设计上基于模糊理论和神经元网络, 实现对气体种类的识别和浓度的推断。最典型的是目前国内外已研制成功的利用电子鼻技术的智能气体传感系统。仪器的智能化是目前大多数仪器仪表研制的目标, 气体浓度检测技术也不断地朝着这个目标前进, 智能化必将是未来气体浓度检测仪器的发展趋势。
3.3 仪器多功能化。
仪器的多功能化是指一台仪器在微处理器的控制下, 可实现更多参数的测试;或利用其主机可替换多探头的功能, 实现多气体的检测, 并能和其他气体检测器兼容, 降低测试多种气体的成本。如将不同类型的传感器集成在一块芯片上, 可同时测试气体的浓度、压力、温度和流速等, 从而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性。
3.4 仪器通用化。
能用一种仪器检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势。如光离子化检测仪可检测大部分的挥发性有机物 (VOC) , 这种仪器在进入未知危险环境时, 能对未知气体进行通用性检测。
3.5 仪器网络化。
随着互联网技术的成熟以及PC机的普及, 智能仪表的网络化也成为一种新的趋势, 使危险源监测预警技术发展更加迅速, 并在监测预警技术中引入了控制技术、通讯技术、事故处理方案、危险源泄漏扩散模拟计算等重要技术, 使危险源监测预警技术更加完善。
参考文献
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消光棱镜气室气体检测特性分析 篇8
1 棱镜气室气体浓度测量原理
一种物质总是对某一波长范围内的光呈透明状,而对另一些范围内的光却是不透明的,物质对光具有选择吸收作用[7]。对于弱吸收介质,朗伯定律指出,平行单色光入射到含有消光颗粒群的介质时,由于颗粒对光的散射和吸收,强度为I0的光在通过厚度为d的吸收层后的光强公式[5,7]为
其中,αλ为吸收系数,对于给定光的波长可视为常数。比尔定律指出,物质对光的吸收系数与浓度有关,吸收系数αλ正比于物质浓度c,αλ=Ac,A是与浓度无关的常量,故
在比尔定律成立的条件下,可由光在气体中被吸收的程度来决定浓度。在入射光强和透射光强I、I0已知的条件下,浓度可表示为
光通过介质时因介质的吸收和散射共同作用使光强减弱,比尔表达式改为
其中,αλ为吸收系数,αs为散射系数。定义k=αλ+αs为衰减系数,表达式改为
在气溶胶颗粒粒径较小,粒子大小在以下时仅考虑瑞利散射,散射系数αs是入射光波长λ及胶体颗粒粒径2r的函数,对于一种气溶胶在固定光波长时散射系数视为常数。浓度表达式改为
由于消光法的理论基础是Mie散射理论,仅在不相干的单散射条件下成立[2],故使用此法时待测胶体粒子浓度不能过大。
2 棱镜气室的工作原理
2.1 气室基本结构
棱镜气室基本结构由两个完全相同的、底边相互平行的直角棱镜构成,其结构如图1所示。D1、D2为两个形同的直角棱镜,其两个底边F1、F2相互平行,两棱镜间为胶体吸收池。入射光束进入气室,在D1、D2直角边发生多次全反射,以增大光束在气室中的光程。光束选择上可以利用激光的准直特性和高亮度以增大检测效果。
2.2 光束的传输方程
由于两直角棱镜对称面间距为d,在间距为d内只有一条往返光束。根据反射对称原理,所有光束所占用的平均空间宽度均为d。在不含首末两条光束时,在D1、D2之间光束数量为,则光束往返总量可表示为。其中,h为入射光束到直角棱镜D1下顶角的垂直距离。当间距d改变时,光束往返总量N也会相应改变,光束在吸收池内的有效总光程为l,l为吸收池宽度,即棱镜底边F1、F2的水平距离。
光束在气室内传输时,发生全反射、反射和透射。一般光学玻璃透明系数约为0.99,在计算时可视棱镜材料为全透明的,不考虑其对光束的吸收作用。在忽略棱镜的全反射损失时,系统内仅考虑吸收池内的气体对光的吸收。
在气室中,出射光束的光强为输出的前进光束的强度If与探测光束每次穿过F1、F2界面时的反射光束强度Ir之和[5]
设棱镜与空气界面透过率记为τ。则前进光束强度If表达式
前进光束在界面发生反射。在光束与界面近似垂直的条件下,反射率很低,反射光强微弱。在输出光束检测时,为消除反射光强影响,将其中一个棱镜倾斜微小角度,使前进光束与反射光束分离,仅检测前进光束,出射光束用光阑加以限制[6]。则出射光强可表示为
3 检测气体参数的确定
3.1 单波长法确定衰减系数
单波长测量法是用一个已知波长为λ的入射光对气体多次入射测量以确定其参数的方法。相对双波长法,在使用光源为激光时单波长法不需要对激光进行频率变换,使用半导体激光器(LD)仅需改变气室结构即可得到衰减系数。
在顶角垂直间距为d1时,设光束在气室内传播次数为N1,输出光强I1;间距为d2时,光束传播次数为N2,输出光强I2,两次测量入射光强均为I0符合光束传输特性方程
光线通过介质时,沿原传播方向的透射光的强度的减弱,称为消光,是由颗粒对入射光散射和吸收两个因素引起的[2]。比值II0称为消光值,反映入射光的衰减。设两次测量的消光值记为B1、B2,由式(10)得
由式(12)消去透过率τ,得到由B1、B2、N1、N2表示的衰减系数为
3.2 气溶胶浓度测量
在求解气溶胶浓度时,首先测量吸收池不存在待测胶体时透射背景光强信号,用以清除寄生误差;求解胶体参数利用已知标准胶体作参考。设浓度为c1、c2的同种标准胶体参数分别为I0、I1、I2、N1、N2、τ0、l0、c1、c2,两次测量参数均符合方程(9),参数A、αs可表示为
式中,参数A、αs均为常量。在求得参数A、αs后代入式(9),可以得到由I、N、τ、l表示的最终气溶胶浓度表达式。
3.3 检测灵敏度分析
将棱镜气室灵敏度定义为单位衰减系数变化引起的输出光强变化,则对一定波长的激励光源,棱镜气室灵敏度表示为
无棱镜反射单程测量灵敏度表示为
对于两种测量方法,,则在棱镜与空气界面透过率近似为1时,如果待测胶体浓度较低即k≈0,棱镜气室灵敏度为无反射单程测量灵敏度的N倍,气室检测灵敏度近似与穿过吸收池的光线条数成正比。
对于透过率较大的冕牌玻璃材料直角棱镜透过系数τ≈0.96,令吸收池长度为1 m,在衰减系数k=0～2,N=1、N=4、N=6三种条件下利用MAT-LAB仿真输出光强如图2。
图2中曲线的斜率反映了气室检测灵敏度。由图2曲线变化趋势同样可以得到在其他条件相同时N越大灵敏度越大的结论。
在光束条数增多的条件下,气室的检测灵敏度增大,气室可检测的气溶胶浓度可达到较小值,在减小几何结构的条件下降低了测量下限。在N变化时(使N为奇数),测量胶体的浓度为图3所示变化趋势。
4 棱镜气室测量装置及误差分析
4.1 测量系统组成
消光法测量系统通常由直流稳压电源、光源、光学系统、吸收池及光电检测系统、计算机等组成。在二次输出采样时,由于输出光束的位置将发生平移,光电传感器要随之移动。为解决这个问题,可以采用光纤光谱仪简化测量装置[2],用光纤引导输入及输出光束。这里使用透镜聚焦的简化方法,其实验装置如图4。
装置中棱镜D2固定,D1可上下移动,凸透镜的主光轴平行于出射激光束,光源采用半导体激光器,激光器发出的光经准直透镜组压缩准直后入射到吸收池,光学系统置于暗室中,光阑可随出射光束调整位置,用来限制反射光束进入传感器。在二次测量时,出射激光束位置平移后仍基本平行于透镜主光轴,使得激光聚焦在光电传感器探头位置基本不变。
4.2 浓度变化趋势的表征
在系统工作时,为表征气溶胶浓度变化趋势,以浓度cx为相对值绘制相对浓度变化曲线。计算机通过串口接收数据采集系统采集到的数据,使用Visual C++设计MFC气体相对浓度变化监控程序。使用半导体激光器波长λ=650 nm,在N=5,l=0.5 m,基准浓度cx=251 ppm时监控界面及变化曲线如图5。
4.3 系统误差分析
在光束传输方程的计算时,参数使用了若干近似,忽略了光束的全反射损失及光束在棱镜内部损耗。(1)石英玻璃材料在紫外到近红外区域具有较高透过率,对于不同光波长仍有衰减作用,这种衰减作用在棱镜内部光程增大时尤为明显。(2)机械加工及装调误差,要求光路在垂直于棱镜底边的平面内,但由于加工误差,棱镜底边将出现偏斜[3],使出射光束偏离透镜主光轴,测量光强减弱,使得到的消光系数增大。(3)气溶胶胶体粒子附着在透镜表面,影响棱镜表面反射率,对测量结果产生部分影响。(4)消光法的理论基础是Mie散射理论,仅在不相干的单散射条件下成立,故待测气溶胶粒子浓度不能过大,浓度过大将造成复散射现象[2]使测量结果出现偏差。(5)测量出射光束光强基本原理是使用了A/D转换器,其转换精度将直接影响测量的精确性。
5 结束语
双棱镜消光气室结构用于气溶胶浓度检测,其有效透射光程易于调整。文中分析了棱镜气室结构在近似条件下光束的传输方程,仿真效果证明了近似条件下全反射棱镜结构提高了系统的检测灵敏度,降低了测量下限。在痕量气体[5,8,9]测量中,由于单程消光微弱,这种检测方法具有较强的适用性。
参考文献
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如何选择和使用气体检测仪 篇9
确认检测气体种类和浓度范围
每一个生产部门所遇到的气体种类都是不同的。在选择气体检测仪时就要考虑到所有可能发生的情况。如果甲烷和其他毒性较小的烷烃类居多,选择易可燃气体检测仪(LEL)无疑是最为合适的。这不仅是因为LEL检测仪原理简单,应用较广,同时它还具有维修、校准方便的特点。
但是如果现场有硫化氢等可引起催化元件中毒气体存在,特别是可能存在缺氧或可燃气浓度可能超过LEL的情况下,选择红外传感器无疑是更为保险的做法。在各种有毒有害气体都可能存在的情况,比如密闭空间,除了甲烷等可燃气体,还可能存在一氧化碳和硫化氢等有毒气体,加之要时时检测缺氧的状态,就要使用一个标准的4气体检测仪才能保证工人的安全。如果更多的是有机有毒有害气体,考虑到其可能引起人员中毒的浓度较低,比如芳香烃、卤代烃、氨(胺)、醚、醇、脂等等,就应当选择光离子化检测仪,而绝对不要使用LEL检测器应付,因为这可能会导致人员伤亡。
气体检测仪的选择
1. 固定式气体检测仪
这是在工业装置上和生产过程中使用较多的检测仪。它可以安装在特定的检测点上对特定的气体泄漏进行检测。固定式检测器一般为两体式,由传感器和变送组成的检测头为一体,安装在检测现场;由电路、电源和显示报警装置组成的二次仪表为一体,安装在安全场所,便于监视。它在工艺和技术上更适合于固定检测所要求的连续、长时间稳定等特点。它们同样要根据现场气体的种类和浓度加以选择,同时还要注意将它们安装在特定气体最可能泄漏的部位,比如要根据气体的比重选择传感器安装的最有效的高度等。
2.便携式气体检测仪
由于便携式仪器操作方便,体积小巧,可以携带至不同的生产部位,电化学检测仪采用碱性电池供电,可连续使用1 000h;新型LEL检测仪、PID和复合式仪器采用可充电电池(有些已采用无记忆的镍氢或锂离子电池,一般可以连续工作12h以上)。所以,这类仪器在各类工厂和卫生部门的应用越来越广。如果是在开放的场合,比如敞开的工作车间,则可以使用随身佩戴的扩散式气体检测仪,因为它可以连续、实时、准确地显示现场的有毒有害气体的浓度。这类的新型仪器还配有振动警报附件,以避免在嘈杂环境中听不到声音报警,并安装计算机芯片来记录峰值、STEL(15min短期暴露水平)和TWA(8h统计权重平均值),为工人健康和安全提供具体的指导。
如果是进入密闭空间,比如反应罐、储料罐或容器、下水道或其他地下管道、地下设施、农业密闭粮仓、铁路罐车、船运货舱、隧道等工作场合,就要选择带有内置采样泵的多气体检测仪。因为密闭空间中不同部位的气体分布和气体种类有很大的不同。比如,一般意义上的易燃易爆气体的比重较轻,它们大部分分布于密闭空间的上部;一氧化碳和空气的比重差不多,一般分布于密闭空间的中部;而像硫化氢等较重气体则存在于密闭空间的下部。同时,氧气浓度也是必须检测的种类之一。另外,如果考虑到有机有毒气体的挥发和泄漏,一个可以检测有机气体的检测仪也是需要的。因此一个完整的密闭空间气体检测仪应当是一个具有内置泵吸功能——以便可以非接触、分部位检测;多气体检测仪——以检测不同空间分布的危险气体,包括无机气体和有机气体;氧检测仪——防止缺氧或富氧。只有这样,才能保证进入密闭空间的工作人员的绝对安全。
另外,进入密闭空间后,还要对其中的气体成分进行连续不断的检测,以避免由于人员进入、突发泄漏、温度等变化引起挥发性有机物或其他有毒有害气体的浓度变化。如果用于应急事故、检漏和巡视,应当使用泵吸式、响应时间短、灵敏度和分辨率较高的仪器,这样可以很容易判断泄漏点的方位。在进行工业卫生检测和健康调查时,具有数据记录和统计计算以及可以连接计算机等功能的仪器应用起来就非常方便。
目前,随着制造技术的发展,便携式多气体(复合式)检测仪也是一个新的选择。由于这种检测仪可以在一台主机上配备所需的多个气体(无机/有机)检测传感器,所以它具有体积小、重量轻,可同时进行多气体浓度显示的特点。更重要的是,泵吸式复合式气体检测仪的价格要比多个单一扩散式气体检测仪便宜一些,使用起来也更加方便。需要注意的是,在选择这类检测仪时,最好选择具有单独开关各个传感器功能的仪器,以防止由于一个传感器损害影响其他传感器使用。同时,为了避免由于进水等堵塞情况的发生,选择具有停泵警报的智能泵设计的仪器也要安全一些。
有毒有害气体检测仪使用误区
在我国,由于历史和认识上的原因,我们在选用各类检测仪时存在的问题还比较多,具体体现在对可燃气体的检测重于对有毒气体的检测、对可能引起急性中毒气体的检测重于对可能引起慢性中毒的气体的检测等。
由于众多可燃气体泄漏所引起的爆炸事故的血的教训,人们对于可燃气体检测十分重视,可以讲,任何一个石化企业,绝大多数的危险气体检测仪都是LEL检测仪。但仅配备LEL检测仪对于真正保护工人的安全和健康还是远远不够的。不可否认的是,大多数的挥发性危险气体都是易燃易爆气体,但是,催化燃烧式的易可燃气体检测仪并不是所有可燃气体检测的最佳选择,因为它们可以检测出的除甲烷以外的可燃气体的下限浓度要远远高于它们的允许浓度。比如,对于苯、氨气等危险有毒气体,单纯使用易燃易爆气体检测仪就是一个十分危险的做法。比如,苯的爆炸下限是1.2%,它在LEL检测仪上的校正系数是2.51,也就是说,苯在一个用甲烷标定的LEL检测仪上的显示的浓度只是其实际浓度的40%!因此,根据所检测气体的不同,选择特定有毒气体检测仪要比单纯选择LEL检测仪更加安全可靠。
另外,目前对于可以引起急性中毒的气体,比如硫化氢、氰氢酸等的检测较为重视,但对于可以引起慢性中毒的气体,比如芳香烃、醇类等的检测重视不够,其实后者对于工人健康和安全的危害丝毫不逊于可以引起急性中毒的气体。这除了认识上的原因以外,以前的市场上缺乏可以检测较低浓度的气体检测仪也是一个重要的原因。随着科学技术水平的发展和人们健康认识的提高,人们已经不满足于“高高兴兴上班来,平平安安回家去”,而是追求着更高的生活质量和生活条件。人们不仅关心着今日的工作,更关心着明天——退休以后的生活。因此在工业卫生和工业安全工作中要不断地引入新观念、新思路才能避免日后悲剧的发生。
使用时需注意的问题
1.注意经常性的校准和检测
有毒有害气体检测仪也同其他的分析检测仪器一样,都是用相对比较的方法进行测定的:先用一个零气体和一个标准浓度的气体对仪器进行标定,得到标准曲线储存于仪器之中,测定时,仪器将待测气体浓度产生的电信号同标准浓度的电信号进行比较,计算得到准确的气体浓度值。因此,随时对仪器进行校零,经常性对仪器进行校准都是保证仪器测量准确的必不可少的工作。
需要说明的是,目前很多气体检测仪都是可以更换检测传感器的,但是,这并不意味着一个检测仪可以随时配用不同的检测仪探头。不论何时,在更换探头时除了需要一定的传感器活化时间外,还必须对仪器进行重新校准。另外,建议在各类仪器使用之前,对仪器用标气进行响应检测,以保证仪器准确有效。
2. 注意各种不同传感器间的检测干扰
一般而言,每种传感器都对应一个特定的检测气体,但任何一种气体检测仪也不可能是绝对特效的。因此,在选择一种气体传感器时,都应当尽可能了解其他气体对该传感器的检测干扰,以保证它对于特定气体的准确检测。
3. 注意各类传感器的寿命
各类气体传感器都具有一定的使用年限。一般来讲,在便携式仪器中,LEL传感器的寿命较长,一般可以使用3年左右;光离子化检测仪的寿命为4年或更长一些;电化学特定气体传感器的寿命相对短一些,一般在1~2年;氧气传感器的寿命最短,大概在1年左右(电化学传感器的寿命取决于其中电解液的干涸程度,如果长时间不用,将其密封放在较低温度的环境中可以延长使用寿命)。固定式仪器由于体积相对较大,传感器的寿命也较长一些。因此,要尽可能在传感器的有效期内使用,一旦失效,及时更换。
4. 注意检测仪器的浓度测量范围
各类有毒有害气体检测器都有其固定的检测范围。只有在其测定范围内完成测量,才能保证仪器准确地进行测定。而长时间超出测定范围进行测量,就可能对传感器造成永久性的破坏。比如,LEL检测器如果不慎在超过100%LEL的环境中使用,就有可能彻底烧毁传感器。而有毒气体检测器,长时间工作在较高浓度下使用也会造成损坏。所以,固定式仪器在使用时如果发出超限信号,要立即关闭测量电路,以保证传感器的安全。
钟罩式气体自动检测控制系统 篇10
1 系统组成及工作原理
1.1 系统组成
钟罩式气体自动检测控制系统主要由以下部分组成:
钟罩装置、PLC可编程序控制器、计算机、压力变送器、温度变送器、旋转编码器、电磁阀、鼓风机、限位开关、继电器。
1.2 系统工作原理
钟罩气体流量标准装置是以经过标定的钟罩有效容积为标准容积的计量仪器,当钟罩下降时,钟罩内被排出的气体经过管道排往被测仪表,此时钟罩排出气体的体积与流过流量计气体的体积称为工况气体体积,系统将通过气态方程将钟罩排出的气体体积和流量计流过的气体体积统一换算到压力101.325 kPa,温度293.15 K状态下,换算后的体积称为标况气体体积,系统将换算后钟罩排出的标况气体体积与流量计流过的标况气体体积进行比较,来检测被测流量计的精度,达到检测目的。
该系统是利用钟罩式气体计量器,提供一个压力稳定的标准体积气源,使用高分辨率编码器为钟罩量筒的位置传感元件、电磁阀为控制元件,通过程序设定来实现定量排气,并完成检测过程的自动控制,使之成为校验气体仪表的自动标准装置。
1.3 系统设计
系统结构框图如图1所示。整个系统分两部分进行设计,下位机采用PLC为核心硬件,监控所有被测量和执行元件;上位机部分以Visual Basic编程为核心,对下位机发来的数据进行处理,得出检定结果,最后通过数据库系统保存检定数据,并提供检定数据的打印功能。
1.3.1 硬件电路设计
硬件电路主要实现采样、控制、通讯功能。
(1) 信号采样
2路温度变送器 采集钟罩内气体温度、被测流量计表前温度,并以4～20 mA电流形式输出;
2路压力变送器 采集钟罩内气体压力、被测流量计表前压力,并以4～20 mA电流形式输出;
2路位置信号 钟罩提升最高限位信号、钟罩下降最低位限位信号;
2路脉冲信号 钟罩升降脉冲信号、被测流量计流量脉冲信号。
(2) 控制
通过控制进气口、出气口、排气口的开闭来控制钟罩的升降以及钟罩的升降的速度,以满足不同的检测流量;采用光电编码器测量钟罩的位移,并对光电编码器输出的脉冲信号进行计数,根据光电编码输出的脉冲个数来控制钟罩的上升高度,以确定每次检测仪表时的检测体积;在检测时对光电编码器输出的脉冲信号以及被测流量计发出的流量信号进行计数。
(3) 通信
接收上位机发出的检定控制指令,发送每次检测的数据和检测状态。
(4) PLC
根据以上功能的需要,本设计选用日本松下电工的FP2系列PLC用于对硬件的控制和信号采样以及对上位机通讯,同时配备FP2-AD8模拟量单元,用于接收各压力变送器、温度变送器输出的模拟量4～20 mA电流信号,并将4～20 mA电流信号转换为数字量传送给PLC。PLC控制程序流程图如图2所示。
1.3.2 上位机设计
上位机为计算机处理系统,主要用于对流量计检定参数的设置、检定数据处理、数据存储打印,控制命令发送等功能。检测程序采用Visual Basic程序设计开发,数据采用Access数据库或者SQL数据库进行管理。检测程序通过计算机的232串口与PLC的232串口进行通讯,计算机发送给PLC的通讯信息包括:开始检测命令、钟罩稳定时间、下降稳定时间、每次检测的检测量、钟罩上升的高度、流量控制阀的开关等;PLC发送给计算机的数据包括:检测完毕信号、钟罩输出脉冲个数、流量计输出脉冲个数、钟罩检测压力温度、被测流量计检测压力温度、检测流量值等。上位机程序流程图如图3所示。
2 系统实现
2.1 检定流程
检定过程如图4所示。在上位机设置好被测流量计的仪表信息之后,上位机向PLC发送检测命令和检测参数,检测参数包括:检测流量、钟罩上升高度、稳定时间等。PLC在收到上位机发出的检定命令以及检测参数之后,PLC根据规定的检测参数开始检测被测流量计。
首先将钟罩提升,PLC根据加装在钟罩上端的旋转编码器所发出的脉冲信号的个数来确定钟罩当前的高度。当钟罩上升到上位机指定的高度之后,PLC关闭所有出气、排气、进气口阀门,使钟罩稳定。
钟罩稳定之后,PLC根据当前上位机要求的检测流量打开相应的流量控制电磁阀或者是一组流量控制电磁阀。钟罩下降,旋转编码器所发出的脉冲信号,此时流量计也开始计量,同时也输出脉冲,脉冲个数表示流过流量计的气体体积。当钟罩下降距离达到上位机规定的检测距离,PLC立即停止脉冲计数,同时存储两路脉冲的脉冲个数。存储完毕后,将钟罩降至指定高度,并保持原位准备下一次检测。
PLC将两路脉冲的脉冲个数通过232串口上传至上位机,同时发出检测完毕信号。上位机接收到数据和信号后,根据数据计算仪表精度、线性度等仪表指标,并将检测结果存储,然后进行下一次检测,直至所有检测完毕。
检测完毕后计算机将所有检定结果存储、列表并根据程序规定的格式打印输出被检定流量计的检定证书。
2.2 软件的设置
2.2.1 权限设置
登录软件的人员分不同权限,最高权限为系统管理员,具有所有权限,可以通过管理员生成不同权限的操作员和调试员或者其他自定义人员。操作员权限为检测仪表、调用检测记录等;调试员权限为修改软件内部设置,系统数据设置等;操作员的操作权限由系统管理员指定。
2.2.2 系统参数的设置
在系统组建完成之后,必须设置一些相应系统参数才能保证检测系统正常的工作以及系统较高的检测精度这里包括:
(1) 钟罩仪表系数:代表旋转编码器所发出的脉冲中每单个脉冲代表钟罩排出气体的体积数,单位为N/m3。该参数为钟罩固定参数,每年需校准一次。在上位机检测软件中必须设置该系数,否则无法对被测流量计进行检测。
(2) 流量计仪表系数:代表流量计所发出脉冲中每单个脉冲代表流过流量计气体的体积数,单位为升每个脉冲,L/N。该参数可设置为流量计固定参数,也可设置为可变参数,在检测之前输入,但必须设置,否则系统无法正常检定。
(3) 标况方的条件:该参数为气体的标准状态条件即大气压力为101.325 kPa、温度为293.15 K(即20 ℃)。
(4) 钟罩提升到指定高度后的稳定时间:钟罩提升后,由于在短时间内经过了上升、停止过程会产生颤动,通过稳定时间使钟罩稳定下来,以减小系统误差。该参数设置越大钟罩颤动越小对检测带来的影响越小,检测效果越好,但会降低检测效率。
(5) 钟罩检测下降开始阶段稳定脉冲数:钟罩下降阶段,由于经过静止、下降过程,在下降开始阶段会产生颤动,通过使钟罩下降一段距离脉冲不计量,使钟罩在这段不计量的过程中减小颤动,减小系统误差。因此该参数设置越大钟罩颤动越小,对检测的影响越小,检测效果越好,但会降低检测效率。
(6) 检测完毕后下降脉冲个数:钟罩本次检测完毕后,不能马上停止钟罩下降,必须先停止脉冲计数,再停止钟罩,通过设置此参数,使钟罩在当次检测完毕下降一段距离脉冲再停止下降。该参数通过软件设置,设置不应太大,保证检测停止与钟罩止降时间错开。
2.2.3 打印检定证书的设置
包括纸张大小、字体大小、正文位置等。
3 结 语
钟罩式气体自动检测控制系统利用光电编码器的频率信号实现钟罩高度的测量,通过频率、仪表系数的关系,达到测量气体体积的目的。采用PLC数据采集、实现控制,提高了采集数据的可靠性和准确性;整个系统组成简单,各模块之间独立性和内聚性强,维护方便;在整个检定过程中,完全由系统控制检测过程和计算检定结果,无人为干预,提高了检测精度,且控制简便,具有普通适用性。
参考文献
[1]国家技术监督局.JJG 165-89钟罩式气体流量标准装置检定规程[S].北京:中国计量出版社,2005.
[2]梁国伟,蔡武昌.流量检测技术及仪表[M].北京:机械工业出版社,2002.
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[4]刘文涛.Visual Basic+Access数据库开发与实例[M].北京:清华大学出版社,2006.
[5]章立民.SQL Server 2005数据库开发实战[M].北京:机械工业出版社,2007.
[6]吴博,黄咏梅,毛谦敏,等.钟罩式流量标准装置自动检定系统的设计与实现[J].中国计量学院学报,2006,17(4):268-271.
工业气体检测 篇11
【关键词】有害气体检测与防治；PLC；焦炉地下室
一、背景
公司共有6座焦炉分别始建于1999年、2006年、2008年，原设计气体报警系统规模各有不同：一期工程2座焦炉地下室原设计有8个氢气检测回路配一个控制器，后经改造氢气检测、一氧化碳检测报警单回路各22个，没有设计排风系统；二期工程2座焦炉地下室氢气检测单回路28个、一氧化碳检测单回路30个、4个声光报警器外加8台轴流风机；三期工程2座焦炉地下室氢气检测、一氧化碳检测单回路各28个、8个声光报警器外加8台轴流风机。气体报警系统运行模式：一系统只报警；二、三系统一级、二级报警联动风机转动。气体报警控制器、探测器分属四个厂家，7个型号，存在的问题：
1、厂家多、型号杂不利于库存管理、库存资金占用量大、生产成本高。
2、故障率高、日常维护检修量大、不尽浪费人力、物力，而且工作比较被动，不能适应日前国家、省、市、县、集团公司对安全生产的总体要求。
3、每个单回路报警控制器在出现一级报警、二级报警时都会发出不同的报警声提示操作人员引起注意，有时甚至多个、亦或十几、二十个报警音相互叠加、此起彼伏、此消彼涨、长时间报警对操作人员容易造成精神过度紧张，从而引起情绪波动、精神疲劳、漠然视之等对生产安全及人身安全产生不利的影响。
4、所有氣体报警控制器报警音在环境工况恢复正常时不能自动消音，必须人为逐个复位，根据炼焦生产特点：每半个小时交换机将进行一次交换，持续时间5分钟，因此操作人员需要每半个小时至少对每一个控制器进行一次消音复位，持续时间5分钟以上直至工况恢复正常。
5、地下室通风机在自动模式下与可燃气体报警控制器在一级报警、二级联动输出接点形成一个自启动回路，当可燃气体报警控制器二级报警时，风机自动启动，否则停止运转。
6、交换机交换时地下室有预警声光报警器提前3钟报警目的是用于提示地下室作业人员立即撤离作业现场防止意外伤害。气体报警系统声光报警器报警音与交换机交换时的预警声光报警器声音相同或接近难以区分，只能就近观察光信号或抵近辨音区别报警出处。
7、报警控制器不能直观、方便、一目了然的直接反映气体探测器的安装位置，也不能有效记录历史报警值，同时不能提供连续可追溯的有效数据记录。
二、改造目的及实现方法
为了消除安全隐患、以人为本创造一个良好的生产环境，有效提高岗位人员对气体高浓度区的识别速率方便准确查找煤气泄露点快速消漏、降低气体报警器故障频次有效保证设备完好率、降低气体报警器备件库存减少库存成本、增加历史趋势记录为生产提供可参考、分析的科学依据、降低生产环境中煤气含量进一步提升职工本职安全度，基于上述原因拟对其进行技术改造。
1、去除原有氢气、一氧化碳气体报警器控制器、电源模块。
2、采用一套独立的基于以太网通讯的PLC系统下位机采集气体探测器信号并转换为可直观识别、带色变显示的基于上位机图形化的气体报警系统进行有毒、可燃气体检测、显示和控制。
3、轴流风机的控制方式由从动排风改为主动排风，并由PLC系统进行相关判断和控制。在煤气交换机交换之前3分钟，启动排风系统风机；在煤气交换机交换之后5分钟，停止排风系统风机；其他时间受控于可燃、有毒气体超标联锁排风或人工手动排风。
4、交换机交换预警声光报警器和有毒、可燃气体超标声光报警器采用光变、人语报警方式以予区分。
5、交换机交换前主动排风信号取之于交换机自带独立PC系统输出信号参与排风系统控制。
6、探测器驱动电源采用独立DC 24V电源直接供电。
7、PLC DO输出、DI输入采用中间继电器隔离有效防止高电压、大电源串入造成的破坏。
三、系统构成及功能
系统采用上位机、下位机结构。上位机主要用于显示报警器的具体安装位置、气体探测器对应的数字实测值及棒性图实测值、棒性图一级/二级报警色变、气体超标联动风机联锁的投用与解除、声光报警器的投用与解除、历史曲线的记录与调用、超标报警的记录与确认、系统数字量的变位记录与调用、排风机手动启/停功能、声光报警器在线测试功能等。下位机主要用于探测器模拟量信号的采集与计算、逻辑分析与判断、输出与控制。
当被测气体含量达到一级报警值以上、二级报警值以下时，上位机画面中以黄色棒性图显示实际工况；当被测气体含量达到二级报警值以上时，上位机画面中以红色棒性图显示实际工况，同时在棒性图下方以科学计数法显示工况实测值。
本系统画面设计风格采用公司生产过程控制DCS系统及其他生产系统用PLC系统设计风格及使用习惯，地下室排风机启、停命令及声光报警器动作情况以不同色标进行显示，红色表示运行状态、绿色表示停止状态。
系统可按照时间先后及优先级自动记录所有报警信息，并形成记录可随时查询。
联锁投用后气体超标系统自动启动声光报警器并保持至人为复位为止，工况正常后人为复位报警消除，再次超限声光报警器自动再次重启，目的是引起工作人员高度重视并采取相应处置措施确保工况处于正常状态。
各测点相互独立、互不影响、独立显示、各自报警能有效区分报警场所及报警位置。
长历史趋势记录为科学分析焦炉地下室工况状态提供了翔实可靠的依据。
下位机采用Modicon Quantum TSXP572623M自动化控制平台，使用ST、LD语言编程方便、快捷、易于实现各项功能要求。自带的TCP/IP内置端口为快速、灵活组网提供了极大的方便。系统采用模块化设计构架容易实现、易于扩展，能根据实际需要灵活调整系统规模大小。每个模块均有小型LCD荧幕显示通道号便于实时监控通道运行状态，编程调试、运行观察极为直观、方便。
上位机采用GE Fanuc智能平台，GE Fanuc Proficy HMI/SCADA iFIX 4.50为用户提供高性能过程监视、控制和数据管理，软件优点：易于扩展和集成，可以方便的根据用户需求快速创建高性能过程窗口，人机界面友好，可随时扩展系统规模，功能强大而广泛、组网灵活易于实现、维护量小、安全性高。
四、改造后的优点
经过改造，公司焦炉地下室气体报警系统运行稳定、可靠，经济、实用，优点明显：
1、采用PC系统动态显示各测点实测值能够直观、明了、形象、快速地反映出焦炉地下室气体超标区域，针对性强，便于工艺系统加强监护。
2、气体报警系统故障率大大降低，备品备件库存减少，故障处理环节、人力资源投入相对减少，大大降低了设备维护成本，提高了工作效率和设备完好率。
3、交换信号报警、气体超标信号报警有效区分大大提高了焦炉地下室安全运行水平，一是能够在交换之前提前预警迅速撤离焦炉地下室作业人员；二是在交换间隔时间气体超标时能够起到及时报警告知工艺操作人员焦炉地下室出于异常状态、并立即采取自动通风措施降低焦炉地下室空间有毒有害气体含量保证地下室处于安全状态。
4、系统运行稳定、可靠，维护量小或基本免于维护，经济耐用。
五、结论
通过探索与实践，在我公司PLC系统与焦炉地下室有害气体检测与防治中的有效结合及成功应用具有极高的推广、使用价值。
参考文选
[1]李建兴.《PLC技术与应用》.机械工业出版社，2011-04-30
浅谈COD与工业废水的检测 篇12
一、化学需氧量的概念和原理
化学需氧量是指检测水样在强酸性条件下, 由氧化剂氧化一升污水中有机物所需要的氧的量, 通过化学需氧量可以大致地反映出污水中有机物的含量及水体的有机物污染程度。
采用强氧化剂处理水样时, 与水中的具备还原性质的各种有机物等发生氧化反应, 需要消耗一定量的氧, 氧需要量的多少即是化学需氧量, 化学需氧量越大, 则说明水体受有机物污染的情况越严重。在进行化学需氧量测定时, 选择不同的氧化剂, 或是测定水样中不同的还原性物质, 都会造成测定值的差异, 应根据具体情况和测定目的选择合适的氧化剂进行测定, 并加以注明。目前比较常用的氧化剂是高锰酸钾和重铬酸钾, 两种氧化物测定法各有优势。高锰酸钾法比较简便, 可以用来测量水样中有机物含量的相对比较值;而重铬酸钾的氧化性能比较好, 适用于测定水样中有机物的总量。在化学需氧量测定当中, 也包括了水体中存在的一些无机性的还原物质, 通常在成分比较复杂的有机工业废水中, 有机物的量要远大于无机物的量, 无机还原物影响较小, 因此常用化学需氧量来测定工业废水中的有机物污染量。
二、COD值在废水检测中的应用
COD值的测定在控制水体污染、保证水排放质量及后续的废水处理过程中发挥着重要的作用。有机污染物对水体有比较大的危害性, 水体中大量的有机污染物如碳水化合物、蛋白质、油脂等, 容易造成水质的富营养化。这些有机物在通过微生物的分解作用过程中, 需要消耗掉大量的氧气, 使水体中可溶解氧的含量逐渐减少, 导致水体中的鱼类和其他各种水生生物难以存活, 大量死亡。在水中溶解氧耗尽后, 有机物在缺氧的情况下, 进行厌氧分解, 产生硫化氢、氨等有毒、有害、有刺激性气味的物质, 使水质恶化。
采用测定废水中化学需氧量的办法, 可以有效地、直观地了解到废水中有机物污染的情况, 根据有机物含量标准对废水采取不同的处理办法, 符合相关排放标准的, 可以直接排放;不符合排放标准的, 可以结合检测结果来采取相应的处理措施, 对废水中的有机物进行处理, 降低水体中有机污染物的含量和危害性, 达到排放标准或是进入污水处理厂再处理的标准。采取间隔时间、多次进行水体化学需氧量测定的办法, 可以大致上判断出有机污染物的危害程度。一般测定需间隔几天时间, 如果对比前一次COD的值下降很多的话, 则说明水体中含有的还原性物质主要是容易降解的有机物, 其危害程度相对较轻, 反之则说明污染物难降解, 危害性较大。
三、检测水体COD值的方法
COD值的检测有多种方法, 以重铬酸盐法为基本的测定方法, 并延伸出一些其他的测定方法, 它们各有优缺点, 应根据实际情况选择合适的方法。
1.重铬酸盐法。重铬酸盐法是现在国际上测定COD值公认的经典标准方法。因采用的氧化剂为重铬酸钾, 而具有氧化性能的是高化学价的六价铬, 所以这种方法被称为重铬酸盐法。该方法中采用的重铬酸钾氧化剂氧化率高、氧化性能好。重铬酸盐法测定的原理、过程如下:在硫酸酸性介质中, 采用重铬酸钾为氧化剂, 硫酸根为反应的催化剂, 加入硫酸汞为氯离子的遮蔽剂 (氯离子在反应中可对检测结果的准确性产生影响, 故加入硫酸汞消除氯离子的干扰因素) 。将硫酸酸度为9 mol/L的消解反应液进行加热至沸腾, 148℃±2℃的沸点温度为消解温度。然后将回流加热反应以水冷却反应2小时, 待消解液自然冷却后, 用硫酸亚铁铵溶液滴定剩余的重铬酸钾, 根据硫酸亚铁铵溶液的消耗量, 可计算出水样中的COD值。该方法的优点是检测结果准确、可靠, 缺点是试剂用量大、水电消耗大, 操作时间长, 难以对水样进行大量的、快速的测定。
2.快速消解法。人们为了提高重铬酸钾法的分析速度, 而研究出了快速消解测定法。与重铬酸钾法的操作原理基本相同, 其中将反应温度由150℃提高到165℃, 将消解体系硫酸酸度由9 mol/L提高到10.2 mol/L, 并采用微波消解技术取代传统的导热辐射加热消解的方式, 消解时间由2小时减少到10~15分钟。该方法的特点是测定速度快, 但由于微波炉设备的种类繁多、功率不同, 难以达到最佳的消解效果和制定统一的测定标准。
3.分光光度法。分光光度法实际是以重铬酸盐法为基础的衍生方法。在重铬酸钾对有机物进行氧化时, 当中的六价铬会生成三价铬, 而六价铬和三价铬在吸光度上值上存在差异, 该方法就是利用两种不同价铬吸光值的不同和吸光值与水中COD值的关系, 来达到测定水样COD值的目的。
四、结语
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