田 杰，羊衍秋,*，楊 亮，聶詩良，楊通在，王麗雄，張海濤

(1.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

SF6遠程分析主要通過兩種實現(xiàn)方式：就地采樣方式和遠程采樣方式。就地采樣方式的分析結果需遠距離傳輸。這種遠程監(jiān)測系統(tǒng)用小巧的探頭采樣，示蹤劑分析一般采用電化學、紅外等技術，最低檢測含量(相對含量)為1 μL/L。該監(jiān)測系統(tǒng)已實現(xiàn)工業(yè)應用，在變電站、GIS開關室等的環(huán)境監(jiān)控、管理中已廣泛應用。遠程采樣方式是用管道將監(jiān)測點的氣體樣品輸送到監(jiān)測室進行分析。這種監(jiān)測方式在分析方法選擇上豐富、靈活，可采用分析靈敏度更高的氣相色譜技術分析[8]，從而提高泄漏檢測的靈敏度。

兩種采樣方式分析方法的檢測靈敏度差別不大，但對于一些特殊檢測場所，如貯存放射性和有毒有害氣體物質容器的泄漏監(jiān)測，就地方式無法適應，必須采用遠程采樣方式進行分析。

本文介紹SF6示蹤劑多監(jiān)測點在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路和主要功能模塊流程。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

示蹤劑在線檢測系統(tǒng)總體設計如圖1所示。該系統(tǒng)由采樣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、示蹤劑分析儀器、工作站等組成。采樣點采集的氣體樣品在氣體循環(huán)泵動力作用下循環(huán)流動，在循環(huán)泵出口處采集，同時工作站記錄采樣點氣體的溫度和壓力數據。通過壓力控制進樣系統(tǒng)的進樣量，采用示蹤分析儀器分析樣品，然后將所有采集數據和分析數據輸入工作站進行處理、分析，最后再反饋給樣品采集控制設備，控制氣體循環(huán)、樣品采集和分析等流程[9]。

樣品采集器參與樣品的最終計算分析，因此是在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要設備，主要用于控制樣品的采集和樣品定量。氣相色譜儀則用于分析示蹤劑含量。

1.2 樣品采集器設計

樣品采集器是采集和分析不同監(jiān)測點不同時刻樣品的必需設備，承擔著樣品采集、定量、稀釋，及色譜進樣、系統(tǒng)清洗等單元流程操作。樣品采集器除需滿足上述功能要求外，還需滿足如下特殊技術要求：1) 采集樣品具有良好實時性；2) 樣品間無交叉污染；3) 采樣過程封閉，無泄漏。樣品的實時性主要通過氣體循環(huán)流動實現(xiàn)，監(jiān)測點的氣體樣品始終處于流動狀態(tài)，不僅使采集樣品具有實時代表性，而且有助于示蹤劑與監(jiān)測點環(huán)境氣氛(如空氣、氮氣等)均勻混合。

圖1 示蹤劑在線監(jiān)測系統(tǒng)設計示意圖

樣品采集器的內部配管示意圖示于圖2。它主要由常閉型密封電磁閥、壓力傳感器、真空規(guī)管和φ3.2 mm不銹鋼管等裝配而成，共有8個與其他設備連接的接口，其中樣品入口1個，系統(tǒng)管道清洗氮氣入口1個，儀器校準用標準氣體入口1個，真空泵接口2個，氣相色譜儀進樣閥接口2個。

SPV、WNV、VPV-1、VPV-2、ILV、OLV、STV為電磁閥；VA為真空計；P為壓力傳感器

采樣前，管道系統(tǒng)用高純氮氣清洗至檢測不到示蹤劑組分色譜峰，系統(tǒng)抽空備用。采樣時，開啟樣品進樣閥(SPV)，樣品進入管道系統(tǒng)，采樣器管道內氣體壓力達到設定采樣壓力后關閉。壓力平衡后采集樣品的溫度、壓力參數。樣品分析有兩種模式：全壓進樣分析和分壓進樣分析。如果樣品含量處于氣相色譜儀的定量線性范圍內，直接進樣分析；如果樣品含量超出色譜儀定量線性范圍，需分壓進樣，樣品進入“外接樣品環(huán)”分掉一部分氣體，使進入色譜儀的示蹤劑處于定量線性范圍，外接樣品環(huán)的大小根據樣品含量而定。氣體進樣量按理想氣體等溫方程計算：

(1)

式中：Bsplit為進樣分壓比；Vsample為樣品進樣量，mL；Vloop為氣相色譜儀氣體進樣環(huán)體積，mL；p為進樣壓力，kPa；T為樣品溫度，K；p0為理想氣體標準態(tài)壓力，101.3 kPa；T0為理想氣體標準態(tài)溫度，273.2 K。

1.3 主要控制流程算法

在線監(jiān)測系統(tǒng)控制采用可編程控制器(PLC)，PLC主流程按監(jiān)測過程順序編寫，如圖3所示，重要的單元流程(系統(tǒng)清洗流程和監(jiān)測分析流程)示于圖4、5。

圖3 示蹤劑在線監(jiān)測主流程示意圖

清洗流程是貫穿整個在線監(jiān)測過程的基礎單元流程，其主要功能是完成樣品共用管道的清洗和檢查，以確保樣品分析無交叉污染，得到準確的分析結果。具體過程為：向管道內充入高純氮氣，然后抽空，反復多次，直至充入氮氣中被監(jiān)測組分(SF6)的含量(色譜峰高)低于2倍基線噪音(2σ)，抽空備用。進入清洗流程時，首先從主流程中讀取清洗設置參數：基本清洗次數N、抽空壓力限值psv(Pa)、充入氮氣壓力psN(kPa)、充入氮氣平衡時間ts(s)、充入氮氣實際壓力pN(kPa)和溫度T(K)。無論清洗前管道是否干凈，無條件清洗N次，然后檢測管道內SF6含量，如果SF6色譜峰高h大于2σ，返回清洗，直至SF6色譜峰高不大于2σ，退出清洗流程。

圖4 系統(tǒng)清洗流程

圖5 監(jiān)測分析控制流程

監(jiān)測分析流程由兩層循環(huán)構成。外循環(huán)為監(jiān)測時間控制循環(huán)，由監(jiān)測時間(t，min)和每次監(jiān)測采樣時間間隔(tR，min)控制；內循環(huán)為監(jiān)測點(NJ)控制循環(huán)，1臺監(jiān)測儀器同時監(jiān)測多個監(jiān)測點，每輪次監(jiān)測需完成所有監(jiān)測點的采樣和分析。這種設計需要監(jiān)測流程的時間間隔tR不小于NJ個樣品分析所需時間的總和，因此，當初始設置tR

2 監(jiān)測系統(tǒng)性能

2.1 基線噪聲

基線噪聲是分析系統(tǒng)的主要性能參數之一。通過比較氣體采樣泵和樣品采集器在運行狀態(tài)前后的色譜基線，可評價在線監(jiān)測系統(tǒng)對色譜儀分析性能的影響。氣相色譜儀(GC-17A，日本島津)與在線監(jiān)測系統(tǒng)連接前后，SF6分析色譜圖如圖6所示。圖6中第一個色譜峰為SF6，第二個峰為氧。取SF6峰和氧峰之間的平直段測定基線噪聲，連接前后的噪聲分別為16.7 μV和17.6 μV，即在線監(jiān)測系統(tǒng)連接前后色譜基線噪聲基本一致。在線監(jiān)測系統(tǒng)的控制電路在設計中充分考慮了電磁信號對色譜分析可能的影響，對電磁信號集中的硬件部位采用良好的電磁屏蔽措施。因此，在線監(jiān)測系統(tǒng)對氣相色譜儀的分析性能基本無影響。

2.2 采樣管路體積

樣品消耗量是在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要技術指標之一，樣品需求量越小，對監(jiān)測點氣體環(huán)境的影響越小。采樣壓力一定時，樣品消耗量由樣品采集器的采樣管道總體積(圖2中粗線框內管道體積)決定。采用理想氣體P-V-T法，在體積已知的鋼瓶內充入高純N2(壓力在常壓附近，85～130 kPa)，將此鋼瓶與樣品入口連接，樣品采集器抽真空(小于20 Pa)后，打開采樣閥門(SPV)，讀取穩(wěn)定壓力，用理想氣體等溫方程計算采樣管路體積：

圖6 在線監(jiān)測系統(tǒng)連接前(a)、后(b)SF6分析色譜

(2)

式中：V為樣品采集器管路體積，mL；p0、p1分別為SPV閥開啟前、后鋼瓶壓力，kPa；V0為鋼瓶體積，1 116 mL。根據上述方法，將采樣管道的體積標定了11次，標定結果為(35.4±0.3) mL。

根據采樣設備管道的體積來選擇管道的尺寸，選擇管道的尺寸時主要考慮兩方面的影響：1) 管道的死體積(即樣品的消耗量)，選擇直徑越小的管道，采樣消耗量越??；2) 管道抽空氣阻，氣阻越大，對管路清洗和樣品交叉污染的影響也越大。系統(tǒng)要求樣品消耗量小且抽空氣阻小，綜合考慮，該系統(tǒng)選擇采用φ3.2 mm不銹鋼管。

2.3 采樣壓力控制

在樣品溫度確定的條件下，樣品消耗量由采樣管道體積和采樣壓力兩個因素確定。如前所述，因管道系統(tǒng)清洗和避免樣品交叉污染的要求，管道體積減小受到制約。根據實驗經驗可通過控制采樣壓力實現(xiàn)樣品消耗量控制。為此，在樣品循環(huán)流動條件下，比較了實際采樣壓力與采樣壓力設置值間的差異，結果示于圖7。

由圖7知，實際進樣壓力與設定壓力的線性關系良好，其線性方程為y=0.970 7x+9.130 2，相關系數為0.999 8，表明進樣壓力控制效果良好。

2.4 SF6在線分析測試

在線監(jiān)測系統(tǒng)采用雙柱閥切換分析SF6，分析技術及精密度檢測參考文獻[8]，本文重在測試在線監(jiān)測系統(tǒng)分析SF6的精密度，考察不同含量樣品分析是否存在交叉污染。將裝有含量高于空氣的SF6氣體(相對含量為5×10-10L/L)的密封容器置于某房間內，用在線監(jiān)測系統(tǒng)的采集通道1和采集通道2同時監(jiān)測該房間內空氣中的SF6含量，用采集通道3監(jiān)測密封容器內的SF6含量；監(jiān)測點距離檢測系統(tǒng)150 m，采樣時間間隔為10 min；SF6定量方式選擇平均峰高響應值定量。監(jiān)測結果列于表1。

圖7 采樣壓力控制測試結果

由表1知，在線監(jiān)測系統(tǒng)對同一樣品在不同時刻的監(jiān)測結果吻合良好，相對標準偏差小于1%，說明不同采樣時刻監(jiān)測結果具有良好的精密度。通道1和通道2的監(jiān)測結果表明，不同通道對同一樣品的監(jiān)測結果一致。

通道3監(jiān)測的密封容器中SF6含量與原始含量基本一致，且高于通道1和通道2的測量結果，說明通道1和通道2的樣品未受到污染，系統(tǒng)各通道樣品間的交叉污染可忽略。

2.5 監(jiān)測點氣體溫度壓力在線監(jiān)測

監(jiān)測點處的氣體溫度、壓力監(jiān)測具有重要意義，能指示監(jiān)測點氣體的狀態(tài)，根據這兩個參數的變化能及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點處的各種異常狀況。該在線監(jiān)測系統(tǒng)的溫度和壓力監(jiān)測設計參考文獻[9]。本文重點檢驗溫度和壓力監(jiān)測的結果。溫度監(jiān)測的測試方法是監(jiān)測距監(jiān)測系統(tǒng)100 m處一杯熱水的溫度變化，同時在熱水杯處和監(jiān)測系統(tǒng)終端讀取熱水的溫度，結果列于表2。采用類似方法監(jiān)測距監(jiān)測系統(tǒng)100 m處一容器內的壓力，將容器抽空后充入不同壓力的空氣，在容器處和監(jiān)測系統(tǒng)終端同時監(jiān)測容器內壓力的變化，結果列于表3。

表1 SF6在線分析結果

表2 監(jiān)測點與監(jiān)測終端溫度監(jiān)測結果比較

表3 檢測點與監(jiān)測終端壓力監(jiān)測結果比較

由表2知，監(jiān)測系統(tǒng)對遠端監(jiān)測點處的溫度監(jiān)測結果與就地測量結果一致。表3結果表明，檢測系統(tǒng)對遠端監(jiān)測點處壓力監(jiān)測結果與就地測量值之間存在一定差異，在260 s監(jiān)測時間內，二者的最大偏差為1.60 kPa(240 s)。壓力就地測量采用測量精度為0.5%、量程為200 kPa的壓力傳感器，極差限為2.00 kPa。由此分析，該在線監(jiān)測系統(tǒng)對遠端壓力監(jiān)測結果差異基本在就地測量誤差限內，因此，可認為在線監(jiān)測系統(tǒng)對遠端壓力監(jiān)測結果可靠。

3 結論

利用監(jiān)測點氣體循環(huán)流動，在氣體循環(huán)管道上采樣并進行在線分析，建立了SF6示蹤劑在線監(jiān)測系統(tǒng)。樣品采集器的管道設計和模塊化監(jiān)測流程軟件設計可滿足監(jiān)測系統(tǒng)總體要求，監(jiān)測系統(tǒng)設備運行對氣相色譜儀的基線噪音影響可忽略，對SF6分析靈敏度無影響。

該監(jiān)測系統(tǒng)能避免樣品間的交叉污染；樣品消耗量較小，并能通過采樣壓力控制方式減小樣品消耗量；SF6在線監(jiān)測數據精密度良好；遠端監(jiān)測點處的溫度監(jiān)測準確性很好，壓力監(jiān)測結果的準確性較溫度監(jiān)測的差，與0.5%精度壓力傳感器就地測量值的差異在1.60 kPa以內。

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