天然气智能测控联动系统研究与应用

刘金凤 梁海滨 刘修宽

摘  要：该文提出并研究了天然气智能测控联动系统，进行甲烷、一氧化碳、氧气、二氧化碳多参数测量，通过九区图和联动控制模式有效解决了天然气集聚或者泄漏以及燃烧不充分问题产生的危害，并通过试验验证了系统的有效性和安全可靠性。

關键词：测控联动;常闭电磁阀;九区控制

中图分类号：TP271                     文献标志码：A

天然气作为一种优质的清洁能源具有绿色环保、经济实惠、安全可靠等优点，但同时天然气也是一种易燃易爆气体，和空气混合后，温度只要达到550 ℃就会燃烧。在房屋封闭的环境里，天然气聚集并达到一定的比例时，就会触发威力巨大的爆炸。天然气的主要成分是甲烷，甲烷本身是无毒的，但空气中的甲烷含量达到10%以上时，人就会呼吸困难，眩晕虚弱而失去知觉、昏迷甚至死亡。如果天然气燃烧不完全，也会产生一氧化碳等有毒气体。

近期，由于天然气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾等事故时有发生，增加了城市的不安全和不稳定因素。用户使用不当、通风不畅导致的有害气体滞留，报警器断电导致安全切断阀不能有效切断等情况都是造成客户端事故的重要原因。此外，国内燃气报警器联动装置的安全切断阀大部分采用的是常开式，只有在报警器输出信号的情况下才会切断气源，在报警器失效或者断电的情况下，切断阀将失去切断气源的功能，燃气报警器没有与排风设施进行有效联动，不能使泄露到室内的燃气及时排到室外。

针对这一问题，该文研究设计了一种天然气智能测控联动系统，由气体参数测试及输入模块、单片机智能控制模块、输出报警及联动执行模块、备用电源模块、系统数据通信模块、可扩展模块等组成（如图1所示）。

研发设计天然气智能测控联动系统时，应严格按照安全防爆设计要求，甄选设计中的核心部件，尤其是电子芯片传感器和切断电磁阀，规范开发过程，加大测试覆盖率，采用多种诊断方式和冗余设计，进而提高系统的安全和可靠性。

AVR系列单片机应用于智能控制领域，AVR大部分型号的性价比较高，通用型号的AVR供货稳定，市场占有率一直在扩展。选取ATmega168单片机作为主控MPU，该型号单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等电路，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠，AVR片上资源丰富，能够满足系统的检测、处理、控制、通信等具体要求。

选取MP-4作为甲烷检测传感器，MP-4可燃气体传感器采用多层厚膜制造工艺，在微型Al2O3陶瓷基片的两面分别制作加热器和金属氧化物半导体气敏层，封装在金属壳体内。该传感器可以在较宽的甲烷浓度范围内，对甲烷气体浓度测量有良好的灵敏度，具有抗干扰能力强、功耗低、响应恢复快、稳定性好、寿命长、低成本、驱动电路简单等优点。被广泛应用于家庭、工厂、商业用所的可燃气体泄漏监测领域。

选取ME2-CO作为一氧化碳检测传感器，ME2-CO一氧化碳传感器为燃料电池型传感器，一氧化碳和氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与一氧化碳浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小即可判定一氧化碳的浓度。该传感器具有低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性等特点，主要应用于商业和民用领域的一氧化碳浓度检测使用。

电磁阀选型首先应该依次遵循安全性、可靠性、适用性、经济性4个原则，其次是根据6个方面的现场工况（即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择）。选取2W系列常闭防爆电磁阀作为切断电磁阀，该电磁阀是自动控制系统中常见的开关元件，广泛应用于石油、化工、冶金、纺织等工业部门的管路装置中，完成系统中水、气体、油等介质的自动控制。

天然气智能测控联动系统控制策略采用九区图（如图2所示）方式，气体参数测试传感器分别对甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气浓度进行实时循环多通道检测，其中甲烷和一氧化碳作为主要测试参数，二氧化碳和氧气作为辅助测试参数。单片机智能控制模块进行数据分析，当主要危害气体甲烷和一氧化碳气体浓度达到相应报警区域设定值时，装置就会发出声光报警并启动外部联动设备（如排风扇、常闭式电磁阀），断开气源，排出有害气体，确保安全。

图2中，DX1=1 000 mg/kg，为甲烷报警下限;DX2=2000 mg/kg，为甲烷报警上限。DY1=100 mg/kg，为一氧化碳报警下限;DY2=200 mg/kg，为一氧化碳报警上限。

依据《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》中的规定，传感器在安装现场对气体泄漏的感应能力要符合要求，应符合规范中要求的气体浓度达到25%时，装置能够正常启动，依据《家用燃气泄漏报警器》，天然气的报警体积分数为0.1%～1.0%。现有燃气报警系统的设计中均设定可燃气体的体积分数在爆炸下限的20%～25%（或以下）和50%时发出警报。当可燃气体浓度低于爆炸下限时（可燃气体不足）或高于爆炸上限（氧气不足）时都不会发生爆炸。图2中A区为正常工作状态，甲烷和一氧化碳检测值均小于报警下限，天然气无集聚现象和泄漏情况发生，或者没有燃烧不充分情况，执行机构正常运行。

图2中B、D、F区为一级警报区域，B区域甲烷检测值超出报警下限并且低于报警上限，一氧化碳检测值低于报警下限，天然气存在集聚现象，不存在燃烧不充分情况;D区域甲烷检测值低于报警下限，一氧化碳检测值超出报警下限并且低于报警上限，天然气无集聚现象，存在燃烧不充分情况;F区域甲烷检测值和一氧化碳检测值均超出报警下限并且低于报警上限，天然气存在集聚现象且存在燃烧不充分现象;执行机构报警提示，同时联动打开排风装置。区域C、G、E、I区为二级警报区域，C区域甲烷检测值超出报警上限，一氧化碳检测值低于报警下限，不存在燃烧不充分情况;G区域甲烷检测值超出报警上限，一氧化碳检测值超出报警下限且低于报警上限，不存在燃烧不充分情况;E区域甲烷检测值超出报警上限，一氧化碳检测值低于报警下限，天然气存在泄漏现象，不存在燃烧不充分情况;I区域甲烷检测值超出报警上限，一氧化碳检测值超出报警下限且低于报警上限，天然气存在泄漏现象，存在燃烧不充分情况;执行机构报警提示，关闭电磁阀切断天然气，同时联动打开排风装置。H区为三级警报区域，在关闭电磁阀，打开排风装置后，甲烷检测结果无下降趋势，结合氧气和二氧化碳辅助传感器的检测值，可以确定天然气大量持续泄漏，报警同时将报警信息传送到系统数据监测中心或用户手机，避免发生重大安全事故，控制程序如图3所示。

采用天然气智能测控联动系统，能够准确测量甲烷、一氧化碳、氧气和二氧化碳的浓度，依据九区控制图实现超限报警提示、切断气源、联动开启排风、报警数据上传等功能，装置从多参数测试和联动控制角度出发，提出了天然气使用过程中，处理各种安全隐患的方法，并通过试验装置验证了系统的功能性、安全性和可靠性。

参考文献

[1]王桂荣，李宪芝.传感器原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]吴玉锋，田彦文.气体传感器研究进展和发展方向[J].计算机测量与控制，2003（11）：731.

[3]宋春福.新型通用式民用燃气报警器的研究[J].中国新技术新产品，2016（18）：65.

[4]质量监督检验检疫总局.GB/T 34004—2017《家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，2017.