李明駿

(中國石化安全工程研究院，山東 青島266100)

近年來，石油、化工、冶金等行業(yè)因危害氣體泄漏導(dǎo)致各類安全生產(chǎn)事故頻發(fā)，對(duì)國家和人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有的泄漏檢測(cè)設(shè)備與系統(tǒng)存在一定的不足，據(jù)英國安全與健康執(zhí)行局統(tǒng)計(jì)，石化行業(yè)泄漏事件的成功探測(cè)率不足50%[1]，大量可能引起事故的泄漏事件沒有被探測(cè)器及時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著國家、社會(huì)層面對(duì)安全環(huán)保要求的不斷提高，現(xiàn)有氣體泄漏檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益增長的安全環(huán)保生產(chǎn)需求，亟需升級(jí)換代。

在傳統(tǒng)氣體傳感器的響應(yīng)特征中，傳感器響應(yīng)值與目標(biāo)氣體濃度值是一一對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。傳感器接觸到目標(biāo)氣體后，輸出值逐漸增大(或減小)至穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)穩(wěn)定的輸出值才能準(zhǔn)確表征目標(biāo)氣體的真實(shí)濃度，目前大多數(shù)基于傳感器陣列的算法也都基于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值進(jìn)行設(shè)計(jì)[2－7]。然而此類穩(wěn)態(tài)關(guān)系無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)工業(yè)現(xiàn)場的短時(shí)突發(fā)泄漏。短時(shí)突發(fā)泄漏可能是大規(guī)模泄漏的初期表現(xiàn)，其泄漏總量較小，泄漏出的氣體氣團(tuán)體積較小，擴(kuò)散過程中氣團(tuán)與傳感器的接觸時(shí)間較短，氣團(tuán)離開傳感器表面時(shí)傳感器還沒有完全響應(yīng)至穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)傳感器所反應(yīng)出的氣體濃度會(huì)顯著低于實(shí)際濃度，不足以引起安全管理人員的重視，無法及時(shí)采取措施遏制事故發(fā)展。因此，如何準(zhǔn)確捕捉短時(shí)突發(fā)泄漏，在大規(guī)模泄漏事故形成之前及時(shí)預(yù)警，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場具有重要的安全意義。

對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，袁方紅使用時(shí)間序列分析算法對(duì)CO濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)多步濃度預(yù)測(cè)，但濃度預(yù)測(cè)對(duì)歷史數(shù)據(jù)依附性較高，對(duì)突發(fā)泄漏預(yù)測(cè)效果不佳[8]；張捍東通過建立一階線性慣性延時(shí)的傳感器模型，使用傳感器逆模型估計(jì)出氣體濃度的真實(shí)輸入[9]，張廣軍構(gòu)建了CO2傳感器的一階傳遞函數(shù)模型，設(shè)計(jì)帶有零極點(diǎn)的一階網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波器[10]。兩者都通過對(duì)一階模型的補(bǔ)償縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，但一階模型無法描述傳感器的起始響應(yīng)階段，不利于氣體濃度初期的快速預(yù)判。安文提取傳感器響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特征作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入加速網(wǎng)絡(luò)收斂[11]，但僅采用一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)的最大值作為特征向量，無法在傳感響應(yīng)初期快速預(yù)判濃度。

本文設(shè)計(jì)了基于氣體傳感器陣列的快速預(yù)警與識(shí)別算法。通過標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到傳感器陣列的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線簇；在實(shí)測(cè)過程采集傳感器陣列的輸出值與輸出值變化率，與動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線做實(shí)時(shí)比較，判斷出與實(shí)測(cè)值相近的動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線所對(duì)應(yīng)的氣體種類和濃度，作為預(yù)判結(jié)果，進(jìn)而與報(bào)警閾值相比較，判斷是否發(fā)出預(yù)警信號(hào)。此算法在傳感器陣列響應(yīng)的初期即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的快速定性定量監(jiān)測(cè)，直接給出目標(biāo)氣體的真實(shí)種類和濃度，不受限于傳感器響應(yīng)時(shí)間，有利于快速捕捉突發(fā)短時(shí)泄漏，顯著提高了對(duì)目標(biāo)危害氣體的預(yù)警能力。

1 危害氣體快速預(yù)警與識(shí)別算法原理

1.1 傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征原理

常規(guī)氣體傳感器的響應(yīng)曲線如圖1所示。首先給傳感器通電，待傳感器穩(wěn)定后，從t1時(shí)刻開始通入待測(cè)氣體，當(dāng)測(cè)試腔體足夠小時(shí)候，可以認(rèn)為待測(cè)氣體濃度瞬間達(dá)到設(shè)定值，濃度曲線可近似為階躍響應(yīng)曲線。隨后傳感器產(chǎn)生響應(yīng)，以傳感器響應(yīng)值上升過程為例，響應(yīng)曲線經(jīng)歷“穩(wěn)定”——“緩慢上升”——“快速上升”——“緩慢上升”——“再次穩(wěn)定”的五個(gè)階段。以待測(cè)氣體濃度作為輸入變量，以傳感器響應(yīng)值作為輸出變量，以JJG系列氣體報(bào)警器國家計(jì)量檢定規(guī)程的測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)，該方法滿足計(jì)量溯源性要求。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中傳感器的響應(yīng)過程可認(rèn)為是一類二階過阻尼系統(tǒng)的階躍響應(yīng)類型[12－13]，如圖1所示。圖中Csp為待測(cè)氣體濃度，Y0為傳感器基線響應(yīng)值，Ysp為傳感器對(duì)待測(cè)氣體響應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸出值，t1為通入待測(cè)氣體時(shí)刻，t2為傳感器對(duì)待測(cè)氣體響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)刻，t3為開始吹掃時(shí)刻，t4為傳感器歸零穩(wěn)定時(shí)刻。

圖1 氣體傳感器響應(yīng)曲線示意圖

典型二階過阻尼系統(tǒng)的狀態(tài)方程[6]可以表示為

式中:x1(t)、x2(t)為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，C(t)為系統(tǒng)輸入變量。類比范德波爾方程(Van der Pol equation)[7]，本文將傳感器響應(yīng)值Y(t)作為x1(t)，把傳感器響應(yīng)值的變化率?Y(t)作為x2(t)，則式(1)可變?yōu)?

在傳感器接觸待測(cè)氣體產(chǎn)生響應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)過程中，傳感器響應(yīng)值的變化率?Y(t)≠0，將式(1)、式(3)合并，消去dt得到式(4)。

在通入待測(cè)氣體的過程中設(shè)氣體濃度Csp不變，代入式(4)，得到式(5)，本文稱之為傳感器標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征式。

初始狀態(tài)x0＝[Y0，0]

對(duì)于方程式(5)，采用微分方程的一般數(shù)值解法，根據(jù)初始條件，即可求解特定待測(cè)氣體濃度下傳感器響應(yīng)過程中，響應(yīng)值與其變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由響應(yīng)值與其變化率構(gòu)成的二階過阻尼系統(tǒng)相軌跡曲線示意圖如圖2所示。A點(diǎn)為初始狀態(tài)，Bi點(diǎn)為通入待測(cè)氣體濃度為Cspi時(shí)響應(yīng)過程的終止?fàn)顟B(tài)(i＝1、2、3)，曲線ABi為通入待測(cè)氣體后的響應(yīng)相軌跡，曲線BiA為吹掃階段的響應(yīng)相軌跡，吹掃過程中Csp＝0。

圖2 氣體傳感器二維平面相軌跡響應(yīng)曲線示意圖

對(duì)于已知的氣體傳感器，如果可以獲取其在一定目標(biāo)氣體濃度下的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征式，則可由輸入氣體的濃度計(jì)算得到傳感器完整的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。反之，通過實(shí)驗(yàn)積累不同氣體、不同濃度下的傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線形成數(shù)據(jù)庫后，也可以根據(jù)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)值與變化率，快速預(yù)測(cè)目標(biāo)氣體的濃度。

1.2 傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征庫建立

對(duì)于電化學(xué)、半導(dǎo)體氣體傳感器而言，其傳感機(jī)理較為復(fù)雜，建立機(jī)理模型比較困難，本文通過標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，基于測(cè)試數(shù)據(jù)描述響應(yīng)過程，建立標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征庫。本文以SGX公司的MICS－2714、MICS－5524、MICS－5914三款傳感器組成的傳感器陣列為例，分別檢測(cè)H2S、CO、CH4氣體，實(shí)現(xiàn)氣體種類和濃度的快速預(yù)測(cè)。

以MICS－5914對(duì)低濃度硫化氫響應(yīng)測(cè)試為例介紹動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征庫的建立步驟。設(shè)置多組硫化氫濃度梯度實(shí)驗(yàn)，保持每次通氣流量相同，分別通入1×10－6L/L、2×10－6L/L、3×10－6L/L和5×10－6L/L硫化氫氣體，將傳感器電阻值作為傳感器輸出值S，歸一化后得到圖3(a)曲線。傳感器響應(yīng)過程中的變化速率為3(b)曲線，以傳感器輸出值、傳感器輸出值變化率作二維相軌跡圖，如圖4所示。

圖3 MICS－5914傳感器對(duì)硫化氫氣體響應(yīng)曲線

圖4 傳感器二維相平面響應(yīng)曲線

將傳感器輸出值S、傳感器輸出值變化率R與H2S氣體濃度C為坐標(biāo)軸作三維散點(diǎn)圖，擬合三維相軌跡曲線簇。如圖5(a)所示，三維相軌跡曲線簇在xoy平面作投影即為二維相軌跡曲線。再以三維相軌跡曲線簇?cái)M合三維相軌跡曲面，本文稱之為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖5(b)所示。此曲面即為傳感器輸出值S、輸出值變化率R與氣體濃度C的映射關(guān)系C＝f(S，R)。

圖5 MICS－5914傳感器對(duì)硫化氫氣體響應(yīng)曲線

采用相同測(cè)試方法，按表1對(duì)傳感器進(jìn)行編號(hào)，按表2進(jìn)行濃度梯度測(cè)試，分別得到MICS－2714、MICS－5524、MICS－5914傳感器對(duì)H2S、CO、CH4三種氣體四種濃度梯度的響應(yīng)曲線簇，擬合三維相軌跡曲面，由三維相軌跡曲面可以得到測(cè)氣體濃度Cjk與傳感器輸出值、輸出值變化率的關(guān)系Cjk＝fij[Eijk(t)，F(xiàn)ijk(t)]，其中Sijk(t)為傳感器輸出值，Rijk(t)為傳感器輸出值變化率，Cjk為目標(biāo)氣體濃度，i＝1、2、3為傳感器編號(hào)，j＝1、2、3為目標(biāo)氣體種類編號(hào)，k＝1、2、3、4為目標(biāo)氣體濃度編號(hào)。部分三維相軌跡曲面如圖6所示。將三款傳感器對(duì)三種氣體響應(yīng)的三維相軌跡曲面Cjk＝fij[Eijk(t)，F(xiàn)ijk(t)]數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，即完成傳感器陣列特征響應(yīng)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。

表1 傳感器型號(hào)

表2 待測(cè)氣體種類與濃度

圖6 MICS－5524傳感器對(duì)其他氣體響應(yīng)曲線

1.3 目標(biāo)氣體種類與濃度快速預(yù)估

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中采集三顆傳感器的輸出值，并計(jì)算輸出值變化率，與預(yù)存的特征響應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氣體種類的快速識(shí)別和濃度預(yù)測(cè)。具體步驟如下:

①設(shè)傳感器MICS－2714、MICS－5524、MICS－5914的輸出值分別為S1(t)、S2(t)、S3(t)，輸出值變化率分別為R1(t)、R2(t)；

②將Si(t)、Ri(t)分別代入中Cij＝fij[Si(t)，Ri(t)]，計(jì)算得到Cij，其中i＝1、2、3，j＝1、2、3；

③分析Cij的值，分組比較同一傳感器對(duì)不同氣體的計(jì)算濃度C1j、C2j與C3j的值，計(jì)算目標(biāo)氣體濃度誤差1、2、3，取Dj最小值為DJ，判斷DJ<Φ，如滿足則J為當(dāng)前檢測(cè)的目標(biāo)氣體編號(hào)，目標(biāo)氣體濃度為C＝

2 算法驗(yàn)證

以2.51×10－6L/L的H2S、35×10－6L/L的CO、4 000×10－6L/L的CH4氣體對(duì)傳感器陣列進(jìn)行測(cè)試，從濃度預(yù)測(cè)與氣體識(shí)別兩方面驗(yàn)證算法監(jiān)測(cè)效果。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)使傳感器在零氣環(huán)境中穩(wěn)定，記錄穩(wěn)定后的傳感器數(shù)值到通入待測(cè)氣體后穩(wěn)定的過程。由于泵吸式腔體體積很小，可以近似認(rèn)為待測(cè)氣體濃度為階躍上升信號(hào)。部分傳感器響應(yīng)曲線如圖7所示，氣體識(shí)別結(jié)果如圖8所示，氣體濃度預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖7 部分傳感器測(cè)試響應(yīng)曲線

從圖7可以得出，MICS傳感器對(duì)三種氣體的T90響應(yīng)時(shí)間約為10 s~15 s，使用傳統(tǒng)的“氣體濃度——傳感器輸出值”穩(wěn)態(tài)關(guān)系的情況下，報(bào)警延遲也約為10 s~15 s；使用快速預(yù)警算法，從圖8可以看出，氣體種類可在5 s實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別。

圖8 測(cè)試氣體識(shí)別結(jié)果

從圖9可以得出，危害氣體快速預(yù)警算法可將氣體濃度的預(yù)警時(shí)間縮短至5 s左右，約為原有報(bào)警延遲時(shí)長的1/3。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該算法對(duì)于高濃度氣體的預(yù)警效果優(yōu)于低濃度氣體，分析其原因，實(shí)時(shí)采集的傳感器輸出值會(huì)存在由電路等其他原因產(chǎn)生的干擾波動(dòng)，傳感器對(duì)低濃度氣體響應(yīng)的輸出絕對(duì)值較小，干擾波動(dòng)量占據(jù)輸出值的一定比例，導(dǎo)致預(yù)測(cè)濃度存在波動(dòng)；而傳感器對(duì)于高濃度氣體的輸出絕對(duì)值較大，相同的干擾波動(dòng)量在大輸出值中占比較小，因此對(duì)預(yù)測(cè)濃度的干擾程度較弱。

圖9 快速預(yù)警算法響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

針對(duì)短時(shí)突發(fā)泄漏快速響應(yīng)的問題，本文設(shè)計(jì)了基于氣體傳感器陣列的快速預(yù)警與識(shí)別算法，通過標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)建立傳感器陣列的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲面，引入氣體監(jiān)測(cè)預(yù)警狀態(tài)，傳感器陣列的輸出值與輸出值變化率，與動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)曲面做實(shí)時(shí)比較，判斷出與實(shí)測(cè)值相近的動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線所對(duì)應(yīng)的氣體種類和濃度，作為預(yù)判結(jié)果，進(jìn)而與報(bào)警閾值相比較，判斷是否發(fā)出預(yù)警信號(hào)。以三款MEMS氣體傳感器組建傳感陣列，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該算法可以顯著縮短危害氣體定性定量監(jiān)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于突發(fā)短時(shí)泄漏的監(jiān)測(cè)預(yù)警具有良好的效果。