劉金鳳 梁海濱 劉修寬

摘 ?要：該文提出并研究了天然氣智能測(cè)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行甲烷、一氧化碳、氧氣、二氧化碳多參數(shù)測(cè)量，通過(guò)九區(qū)圖和聯(lián)動(dòng)控制模式有效解決了天然氣集聚或者泄漏以及燃燒不充分問(wèn)題產(chǎn)生的危害，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和安全可靠性。

關(guān)鍵詞：測(cè)控聯(lián)動(dòng);常閉電磁閥;九區(qū)控制

中圖分類號(hào)：TP271 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)天然氣也是一種易燃易爆氣體，和空氣混合后，溫度只要達(dá)到550 ℃就會(huì)燃燒。在房屋封閉的環(huán)境里，天然氣聚集并達(dá)到一定的比例時(shí)，就會(huì)觸發(fā)威力巨大的爆炸。天然氣的主要成分是甲烷，甲烷本身是無(wú)毒的，但空氣中的甲烷含量達(dá)到10%以上時(shí)，人就會(huì)呼吸困難，眩暈虛弱而失去知覺(jué)、昏迷甚至死亡。如果天然氣燃燒不完全，也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體。

近期，由于天然氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)等事故時(shí)有發(fā)生，增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。用戶使用不當(dāng)、通風(fēng)不暢導(dǎo)致的有害氣體滯留，報(bào)警器斷電導(dǎo)致安全切斷閥不能有效切斷等情況都是造成客戶端事故的重要原因。此外，國(guó)內(nèi)燃?xì)鈭?bào)警器聯(lián)動(dòng)裝置的安全切斷閥大部分采用的是常開(kāi)式，只有在報(bào)警器輸出信號(hào)的情況下才會(huì)切斷氣源，在報(bào)警器失效或者斷電的情況下，切斷閥將失去切斷氣源的功能，燃?xì)鈭?bào)警器沒(méi)有與排風(fēng)設(shè)施進(jìn)行有效聯(lián)動(dòng)，不能使泄露到室內(nèi)的燃?xì)饧皶r(shí)排到室外。

針對(duì)這一問(wèn)題，該文研究設(shè)計(jì)了一種天然氣智能測(cè)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，由氣體參數(shù)測(cè)試及輸入模塊、單片機(jī)智能控制模塊、輸出報(bào)警及聯(lián)動(dòng)執(zhí)行模塊、備用電源模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模塊、可擴(kuò)展模塊等組成（如圖1所示）。

研發(fā)設(shè)計(jì)天然氣智能測(cè)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照安全防爆設(shè)計(jì)要求，甄選設(shè)計(jì)中的核心部件，尤其是電子芯片傳感器和切斷電磁閥，規(guī)范開(kāi)發(fā)過(guò)程，加大測(cè)試覆蓋率，采用多種診斷方式和冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的安全和可靠性。

AVR系列單片機(jī)應(yīng)用于智能控制領(lǐng)域，AVR大部分型號(hào)的性價(jià)比較高，通用型號(hào)的AVR供貨穩(wěn)定，市場(chǎng)占有率一直在擴(kuò)展。選取ATmega168單片機(jī)作為主控MPU，該型號(hào)單片機(jī)是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗、啟動(dòng)延時(shí)等電路，外圍電路更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，AVR片上資源豐富，能夠滿足系統(tǒng)的檢測(cè)、處理、控制、通信等具體要求。

選取MP-4作為甲烷檢測(cè)傳感器，MP-4可燃?xì)怏w傳感器采用多層厚膜制造工藝，在微型Al2O3陶瓷基片的兩面分別制作加熱器和金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏層，封裝在金屬殼體內(nèi)。該傳感器可以在較寬的甲烷濃度范圍內(nèi)，對(duì)甲烷氣體濃度測(cè)量有良好的靈敏度，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、響應(yīng)恢復(fù)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、低成本、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于家庭、工廠、商業(yè)用所的可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

選取ME2-CO作為一氧化碳檢測(cè)傳感器，ME2-CO一氧化碳傳感器為燃料電池型傳感器，一氧化碳和氧氣在工作電極和對(duì)電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)并釋放電荷形成電流，產(chǎn)生的電流大小與一氧化碳濃度成正比并遵循法拉第定律，通過(guò)測(cè)定電流的大小即可判定一氧化碳的濃度。該傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于商業(yè)和民用領(lǐng)域的一氧化碳濃度檢測(cè)使用。

電磁閥選型首先應(yīng)該依次遵循安全性、可靠性、適用性、經(jīng)濟(jì)性4個(gè)原則，其次是根據(jù)6個(gè)方面的現(xiàn)場(chǎng)工況（即管道參數(shù)、流體參數(shù)、壓力參數(shù)、電氣參數(shù)、動(dòng)作方式、特殊要求進(jìn)行選擇）。選取2W系列常閉防爆電磁閥作為切斷電磁閥，該電磁閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、紡織等工業(yè)部門(mén)的管路裝置中，完成系統(tǒng)中水、氣體、油等介質(zhì)的自動(dòng)控制。

天然氣智能測(cè)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制策略采用九區(qū)圖（如圖2所示）方式，氣體參數(shù)測(cè)試傳感器分別對(duì)甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)多通道檢測(cè)，其中甲烷和一氧化碳作為主要測(cè)試參數(shù)，二氧化碳和氧氣作為輔助測(cè)試參數(shù)。單片機(jī)智能控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)主要危害氣體甲烷和一氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到相應(yīng)報(bào)警區(qū)域設(shè)定值時(shí)，裝置就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警并啟動(dòng)外部聯(lián)動(dòng)設(shè)備（如排風(fēng)扇、常閉式電磁閥），斷開(kāi)氣源，排出有害氣體，確保安全。

圖2中，DX1=1 000 mg/kg，為甲烷報(bào)警下限;DX2=2000 mg/kg，為甲烷報(bào)警上限。DY1=100 mg/kg，為一氧化碳報(bào)警下限;DY2=200 mg/kg，為一氧化碳報(bào)警上限。

依據(jù)《石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，傳感器在安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣體泄漏的感應(yīng)能力要符合要求，應(yīng)符合規(guī)范中要求的氣體濃度達(dá)到25%時(shí)，裝置能夠正常啟動(dòng)，依據(jù)《家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器》，天然氣的報(bào)警體積分?jǐn)?shù)為0.1%～1.0%?，F(xiàn)有燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中均設(shè)定可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)在爆炸下限的20%～25%（或以下）和50%時(shí)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度低于爆炸下限時(shí)（可燃?xì)怏w不足）或高于爆炸上限（氧氣不足）時(shí)都不會(huì)發(fā)生爆炸。圖2中A區(qū)為正常工作狀態(tài)，甲烷和一氧化碳檢測(cè)值均小于報(bào)警下限，天然氣無(wú)集聚現(xiàn)象和泄漏情況發(fā)生，或者沒(méi)有燃燒不充分情況，執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。

圖2中B、D、F區(qū)為一級(jí)警報(bào)區(qū)域，B區(qū)域甲烷檢測(cè)值超出報(bào)警下限并且低于報(bào)警上限，一氧化碳檢測(cè)值低于報(bào)警下限，天然氣存在集聚現(xiàn)象，不存在燃燒不充分情況;D區(qū)域甲烷檢測(cè)值低于報(bào)警下限，一氧化碳檢測(cè)值超出報(bào)警下限并且低于報(bào)警上限，天然氣無(wú)集聚現(xiàn)象，存在燃燒不充分情況;F區(qū)域甲烷檢測(cè)值和一氧化碳檢測(cè)值均超出報(bào)警下限并且低于報(bào)警上限，天然氣存在集聚現(xiàn)象且存在燃燒不充分現(xiàn)象;執(zhí)行機(jī)構(gòu)報(bào)警提示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)打開(kāi)排風(fēng)裝置。區(qū)域C、G、E、I區(qū)為二級(jí)警報(bào)區(qū)域，C區(qū)域甲烷檢測(cè)值超出報(bào)警上限，一氧化碳檢測(cè)值低于報(bào)警下限，不存在燃燒不充分情況;G區(qū)域甲烷檢測(cè)值超出報(bào)警上限，一氧化碳檢測(cè)值超出報(bào)警下限且低于報(bào)警上限，不存在燃燒不充分情況;E區(qū)域甲烷檢測(cè)值超出報(bào)警上限，一氧化碳檢測(cè)值低于報(bào)警下限，天然氣存在泄漏現(xiàn)象，不存在燃燒不充分情況;I區(qū)域甲烷檢測(cè)值超出報(bào)警上限，一氧化碳檢測(cè)值超出報(bào)警下限且低于報(bào)警上限，天然氣存在泄漏現(xiàn)象，存在燃燒不充分情況;執(zhí)行機(jī)構(gòu)報(bào)警提示，關(guān)閉電磁閥切斷天然氣，同時(shí)聯(lián)動(dòng)打開(kāi)排風(fēng)裝置。H區(qū)為三級(jí)警報(bào)區(qū)域，在關(guān)閉電磁閥，打開(kāi)排風(fēng)裝置后，甲烷檢測(cè)結(jié)果無(wú)下降趨勢(shì)，結(jié)合氧氣和二氧化碳輔助傳感器的檢測(cè)值，可以確定天然氣大量持續(xù)泄漏，報(bào)警同時(shí)將報(bào)警信息傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心或用戶手機(jī)，避免發(fā)生重大安全事故，控制程序如圖3所示。

采用天然氣智能測(cè)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量甲烷、一氧化碳、氧氣和二氧化碳的濃度，依據(jù)九區(qū)控制圖實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警提示、切斷氣源、聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟排風(fēng)、報(bào)警數(shù)據(jù)上傳等功能，裝置從多參數(shù)測(cè)試和聯(lián)動(dòng)控制角度出發(fā)，提出了天然氣使用過(guò)程中，處理各種安全隱患的方法，并通過(guò)試驗(yàn)裝置驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能性、安全性和可靠性。

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