朱 亮
(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)
石化企業(yè)涉及的有毒有害氣體包括可燃?xì)?、H2S、VOCs、CO、NH3、SO2等,這些氣體可分為可燃類和毒性類,前者泄漏容易造成火災(zāi)爆炸,后者泄漏容易造成人員中毒傷亡,特別是H2S氣體,容易帶來閃電式中毒[1]。目前,針對這些氣體的檢測,從原理上劃分主要有半導(dǎo)體型、催化燃燒型、電化學(xué)式、紅外式、光電離式[2,3],其對比如表1所示。
從安全角度考慮,對現(xiàn)場人員威脅最大、最直接的是由于可燃?xì)怏w泄漏而引發(fā)的火災(zāi)爆炸,以及毒性氣體泄漏引發(fā)的人員中毒,例如硫化氫中毒、一氧化碳窒息等。根據(jù)某煉化裝置設(shè)計(jì)建造和安全生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)場安裝的固定式氣體報(bào)警器85%以上為可燃?xì)夂土蚧瘹?種,現(xiàn)場作業(yè)人員佩戴的便攜式報(bào)警器100%為可燃?xì)夂土蚧瘹鋱?bào)警器,可燃?xì)夂土蚧瘹?種氣體檢測是石化行業(yè)最常見的組合。這2種氣體分別基于催化燃燒和電化學(xué)原理傳感檢測,其輸出信號非常微弱,通常采用多級A/D放大完成信號調(diào)理,容易造成信號穩(wěn)定性不好、一致性差、干擾中毒等問題[4-6]。因此,設(shè)計(jì)一種高效率、穩(wěn)定的氣體傳感調(diào)理電路,對于保證現(xiàn)場作業(yè)人員安全防護(hù)很有必要。
表1 石化氣體檢測原理對比
LMP91000芯片是業(yè)界首款可全面配置的低完整的信號路徑解決方案。設(shè)計(jì)三電極氣體傳感、雙端氧氣傳感調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí),通過微控制器I2C接口設(shè)置跨阻抗增益值,LMP91000就可輸出與氣體濃度成比例的電壓值,氣體傳感信號調(diào)理靈敏度高,可調(diào)理檢測范圍寬,每百萬分之一體積濃度氣體靈敏度為0.5 nA至9 500 nA,滿足有毒有害氣體檢測應(yīng)用需求,并且內(nèi)置的溫度傳感可提供附加輸出,進(jìn)行溫度補(bǔ)償,結(jié)合氣體傳感器特性,獲得穩(wěn)定的線性。工作電壓范圍在2.7~5.5 V之間,氣體檢測電路功耗平均值低至10 μA,相較于傳統(tǒng)的多級A/D放大具有電路功耗低、穩(wěn)定性好、電路簡單的特點(diǎn),基于該芯片完成了可燃?xì)夂土蚧瘹錂z測調(diào)理電路設(shè)計(jì)。
可燃?xì)夂土蚧瘹鋫鞲衅鞣謩e基于催化燃燒和電化學(xué)原理。可燃性氣體在催化劑作用下氧化無焰燃燒,溫度增高,元件阻值增加,打破電橋的平衡,使其電阻值發(fā)生變化,產(chǎn)生微小的電壓差信號,每百分之一爆炸下限體積濃度的信號靈敏度不超過20 mV;硫化氫氣體與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流,這一電流與氣體濃度成正比,每百萬分之一體積濃度氣體靈敏度不超過0.7 μA,通過檢測以上微弱的電壓電流信號獲得可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w的濃度。基于LMP91000的雙氣體傳感檢測調(diào)理電路如圖1所示,可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w傳感器分別連接一片LMP91000,檢測信號通過I2C接口與CPU相連,CPU控制MOS管Q1實(shí)現(xiàn)兩種氣體檢測切換,并配置LMP91000內(nèi)部寄存器,獲得最適合的信號放大和最優(yōu)的信噪比。
圖1 雙氣體傳感檢測調(diào)理電路
硫化氫可燃?xì)怆p氣體檢測儀以STM32微處理器為核心,兩路傳感器信號通過I2C接口和IO使能端控制接入,輸入高信噪比的氣體檢測信號,同時(shí)利用LMP91000溫度檢測特點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度,以合理補(bǔ)償傳感器的溫度影響。使用人員通過人機(jī)接口校準(zhǔn)氣體濃度、設(shè)置報(bào)警值等,當(dāng)環(huán)境中可燃?xì)怏w和硫化氫氣體濃度超過報(bào)警值時(shí),檢測儀通過OLED顯示和報(bào)警電路控制聲、光、振動(dòng)報(bào)警,提醒攜帶人員氣體濃度超標(biāo),總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 雙氣體檢測儀總體結(jié)構(gòu)
圖3所示為雙氣體檢測儀軟件流程。首先,根據(jù)可燃?xì)夂土蚧瘹鋫鞲衅餍吞?,利用SensorAFE Designer工具獲得LMP91000寄存器參數(shù),并確定報(bào)警值和顯示控制模式,完成檢測儀各種參數(shù)初始化;然后,根據(jù)微處理器I/O端口輸出確定檢測氣體種類,完成濃度檢測數(shù)據(jù)傳輸、溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理;之后,根據(jù)檢測的濃度值與設(shè)定值的差別,完成聲光振動(dòng)報(bào)警,并提供結(jié)果顯示。
圖3 雙氣體檢測儀軟件流程
為了驗(yàn)證可燃?xì)怏w和硫化氫雙氣體檢測儀的準(zhǔn)確性,在基于LMP91000的氣體傳感調(diào)理電路的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了氣體濃度檢測實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)采用濃度為10.0 %LEL和60.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體、濃度為24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體[7],利用氣袋灌裝后,經(jīng)過流量泵勻速抽氣后自然擴(kuò)散到雙氣體檢測儀,流量泵抽氣速度分別為0.25 L/min和0.5 L/min。為了實(shí)驗(yàn)安全,以上實(shí)驗(yàn)在帶有尾氣處理裝置的通風(fēng)櫥中進(jìn)行。
氣體濃度檢測實(shí)驗(yàn)步驟為:①啟動(dòng)通風(fēng)櫥,檢查系統(tǒng)是否完好,一人安全監(jiān)護(hù)一人開展實(shí)驗(yàn)測試;②在通風(fēng)櫥中將濃度為10.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體灌裝到氣袋中,通過軟管連接流量泵后釋放,流速設(shè)置為0.25 L/min,記錄檢測值;③關(guān)閉流量泵,1 min后再開啟,記錄檢測值,重復(fù)獲得3組數(shù)據(jù);④將流速增大到500 mL/s,重復(fù)步驟③;⑤將標(biāo)準(zhǔn)氣體分別換成濃度為60.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體、濃度為24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氫氣體,重復(fù)步驟②③④;⑥清除殘留氣體,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的氣體濃度檢測結(jié)果如表2。
表2 甲烷氣體濃度檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %LEL
由表2可知,甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為10.0 %LEL、60.0 %LEL 時(shí),最大檢測誤差分別為0.4 %LEL和2.9 %LEL,相對誤差均小于5%;由表3可知,硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為24.9×10-6、79.8×10-6時(shí),最大檢測誤差分別為0.5×10-6和2.3×10-6,相對誤差均小于3%;由表2和表3各種標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度下的多次檢測值可知,氣體濃度檢測幾乎不受標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度釋放速率的影響,檢測值比較穩(wěn)定,說明基于LMP91000氣體檢測調(diào)理電路性能較好。
表3 硫化氫氣體濃度檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果×10-6
面對石化行業(yè)對有毒有害氣體檢測需求的不斷增加,特別是檢測多種氣體時(shí),傳統(tǒng)的氣體傳感信號調(diào)理電路存在穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。針對此現(xiàn)狀,研究設(shè)計(jì)了一種雙氣體檢測儀,重點(diǎn)介紹了基于LMP91000完成了雙氣體檢測調(diào)理電路設(shè)計(jì)和雙氣體檢測儀設(shè)計(jì),最后完成了可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w在多種條件下的濃度測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于LMP91000的硫化氫和可燃?xì)怆p氣體檢測儀檢測氣體濃度的相對誤差不超過5%,氣體檢測性能穩(wěn)定、功耗低、便攜性好??捎糜谑F(xiàn)場作業(yè)人員安全防護(hù),檢測現(xiàn)場環(huán)境中可燃?xì)夂陀卸練怏w的濃度,超過爆炸限值和接觸限值時(shí)及時(shí)給攜帶人員提供警示,從而保障人員安全。