一种粮仓内气体采集装置的研究

鑫 磊，刘英华，杨自勤，王茂兰

航天信息江苏有限公司 (无锡 214000)

粮食储藏最主要的是除虫处理，使用磷化氢灭虫是我国粮食部门推广的一种很有效的储粮灭虫方法。但是磷化氢是一种无色无味剧毒气体，磷化氢常见于谷物杀虫剂磷化锌、磷化铝遇水或潮湿空气时产生，它为无色气体，稍有腐鱼样臭味，比空气稍重，属高毒类，空气中含磷化氢10 mg/m3，接触数小时即可引起中毒，空气中磷化氢浓度400 mg/m3以上时，可很快致人死亡。磷化氢主要经呼吸道吸入肺泡被机体吸收。侵入机体的磷化氢主要损害中枢神经系统、心脏、肝脏、肾脏等。磷化氢中毒潜伏期一般在24 h内，偶有2～3 d，多数在1 ～3 h内发病。其症状有头痛、头晕、失眠、乏力、口渴、纳差、恶心、呕吐、腹痛、腹胀、胸闷、咳嗽、低热及心动过缓等，较重者会出现意识障碍、抽搐、呼吸困难，心肌损害等，严重时会出现昏迷、惊厥、呼吸衰竭、血压下降、心律紊乱、脑水肿、肺水肿、肝、肾及心肌损害等致人死亡。

在粮库熏蒸的时候，粮库化验员进行取样化验和粮库保管员进粮仓测温度、湿度和检查粮情、虫情时就有可能吸入磷化氢气体的危险。为保护粮库工作人员的健康，实时提供粮仓内磷化氢气体的准确浓度是非常必要的。在熏蒸期间，粮仓及粮堆内的磷化氢浓度均非常高，粮仓内48 h到达峰值，粮堆内96 h达到峰值，且趋于平衡的状态，说明磷化氢在粮仓内扩散并逐步向粮堆内渗透弥散,开仓放气2 d后仓内磷化氢浓度降至国家卫生标准附近。二次闭仓后粮堆内磷化氢浓度逐步下降,而仓内是先上升再下降，说明二次闭仓后粮堆内的磷化氢又逐步向仓内空间释放引起仓内浓度升高。直到第9 d粮堆及仓内磷化氢浓度才降到国家卫生标准以下。从熏蒸后开始开仓放气算起,大约半月后进仓才较为安全。现有产品技术对于成本考虑气体采集及检测装置成本较高，从安全角度考虑磷化氢气体的安全检测手段较困难，所以我们对仓内气体采集装置进行了研究和测试。在一些粮库已经得到了实际应用，方便粮库内工作人员在熏蒸期间准确地检测仓内气体成分，保证了粮库作业的安全，并且大大节约了粮库的支出成本。

1 仓内气体采集装置技术应用

本技术使用标准的modbus通信协议，可以通过以太网进行数据传输，与其他设备有非常好的兼容性。气体采集数据可根据服务平台采集的实时数据，保证了数据的及时性、准确性。可以通过远程控制，使工作人员远离危险。极大程度降低可能出现的危险。也可进行多个设备的同时启动，一次测量多仓房的数据，节约时间，减少工作人员的工作量。使用系统后，可以定时的检测数据，并有效的记录于系统，进过长期的使用有更加透明、准确、直观的周期数据，让后期的统计分析有了更加有利的条件。

气体采集装置的气体传感器是气体检测装置的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。它具有稳定性、灵敏性、选择性和抗腐蚀性等优势。

本装置采用的是电化学型气体传感器，电化学式气体传感器是利用被测气体的电化学性，将其电化学氧化或者还原，从而分辨气体成分，检测气体浓度。电化学式气体传感器是检测有毒、有害气体最常成熟的传感器，其特点是体积小、功耗小、线性和重复性较好、分辨率精准、寿命较长、不易受到干扰。

自动采集气体功能由三个步骤组成：清洗、抽气、排气。粮库工作人员在存粮的同时把用作气体采集的气管放入各不同空间位置的粮堆之中，用以抽取不同方位粮堆中的气体引导至气室，然后进行气体的成分分析。由于在每次抽气、排气后气室中会有参与气体，所以在一次循环之前必须先清洗气室，气体检测动作通过自动气体采集功能把粮堆各个角落的检测气体抽至气室，然后通过气体传感器分析出检测气体中的成分含量。当得到粮堆各位置气体的数值后，把所有的数值归类计算，得到最后的气体的数值就是粮仓内各气体的值。把这些数值与工艺数值进行比较计算后，进行工艺流程动作调整。

2 仓内气体采集装置工艺流程

中央单元在得到用户需要采集分析仓内气体命令时，第一步会给气泵和清洗电磁阀工作命令，用来清洗气室；第二步等气室清洗完后，停止清晰电磁阀打开第一路气体检测电磁阀，把粮仓内的第一处气体通过气泵抽取至气室，通过气室中的传感器把气体数据传输至中央单元；第三步停止第一路气体检测电磁阀打开第二路气体检测电磁阀，把粮仓内的第二处气体通过气泵抽取至气室，通过气室中的传感器把气体数据传输至中央单元；第四步停止第二路气体检测电磁阀打开第三路气体检测电磁阀，把粮仓内的第三处气体通过气泵抽取至气室，通过气室中的传感器把气体数据传输至中央单元；第五步停止第三路气体检测电磁阀打开第四路气体检测电磁阀，把粮仓内的第四处气体通过气泵抽取至气室，通过气室中的传感器把气体数据传输至中央单元；第六步停止第四路气体检测电磁阀打开第五路气体检测电磁阀，把粮仓内的第五处气体通过气泵抽取至气室，通过气室中的传感器把气体数据传输至中央单元，第六步的数据检测结束之后，设备会停止所有的动作，表示一次气体检测结束。通过这六步设备动作，可以安全、准确的实时采集到粮仓内各个不同位面、不同立面的气体详细数据，极大的方便粮库工作人员工作。采集检测气体流径工艺如图1所示。

图1 采集检测气体流径图

3 仓内气体采集装置硬件配置

为了实时有效的采集粮仓内各种气体的数据，我们研究了一种粮仓内气体采集的装置，本装置主要有中央单元、气泵、气体电磁阀和气室(传感器)组成。中央单元(arduino-mage2560)是一个主控板，可通过Arduino IDE对Arduino Mega编程。在Arduino Mega使用ATmega328 芯片上，存储有引导程序程序，使得用户可以上传程序到开发板上，而不需要使用额外的编程器，引导程序使用STK500协议通信。

气泵、气体电磁阀、气室这3个是抽取粮仓内样品气体的主要执行设备，气泵是抽取样品气体的动力设备，气体电磁阀是抽取不同空间中粮仓内样品气体的路径，气室内的传感器是检测粮仓内样品中不同气体的地方。主要硬件配置如图2所示。

图2 气体采集装置

3 结束语

该粮仓内气体采集装置降低粮库工作人进库作业存在的风险,通过设计良好的粮仓气体采集逻辑,系统实时参数的监控,数据的报警,实时记录,历史数据的保存和调用,已经在多个粮库投入使用，获得了较好的效果。