一种可燃气体自动在线检测装置及检测方法与流程

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种可燃气体自动在线检测装置及检测方法。

背景技术：

随着国民经济的迅速发展，人们对石油化工、井下开发、化学制药、清洁能源等领域相关产品和服务的需求越来越多。人们在日常生产、生活中会接触到多种多样的易燃、易爆的气体，这些可燃气体一旦发生泄漏，并达到爆炸极限，可能发生火灾、爆炸、生产设备毁坏，甚至造成人员伤亡等严重后果，因此对可燃气体泄露的自动监测已经成为不可或缺的关键技术。

目前，多数的可燃气体自动检测装置仅作为报警装置使用，即只能监测出可燃气体的总含量或混合气体总浓度，而不能对混合可燃气体中的某一气体组分进行定量分析，导致测量精度不高。有一些研究和设计通过改造离线气相色谱仪的结构和功能，实现了可燃气体中各组分的单独测量。但离线气相色谱仪在操作过程中需要操作人员的参与，另外气相色谱柱、载气钢瓶等实验室耗材需要定期更换和维护，因此这一方法造成了人力、物力上的浪费，同时也未能达到可燃气体实时自动检测的效果。

技术实现要素：

针对现有技术中不能自动检测混合可燃气体中各组分的具体含量等不足，本发明要解决的问题是提供一种可燃气体自动在线检测装置及检测方法，使用气相色谱方法实现对混合可燃气体的各组分进行全自动检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可燃气体自动在线检测装置，该装置包括一个气路控制模块，所述气路控制模块分为四个控制回路：

所述气路控制模块的第一电磁阀与载气稳压阀相连，载气稳压阀经三通阀与第二电磁阀相连，第二电磁阀依次与气相色谱柱、气体传感器及第七电磁阀相连，构成了基线控制回路；

所述气路控制模块的第一电磁阀、载气稳压阀与第三电磁阀相连、第三电磁阀与压力传感器及定量管相连、定量管经三通阀与第六电磁阀相连、第六电磁阀依次与气相色谱柱、气体传感器、第七电磁阀相连，构成了进样控制回路；

所述气路控制模块的第一电磁阀、载气稳压阀与第四电磁阀相连，第四电磁阀经三通阀与气体传感器和气相色谱柱相连，经第六电磁阀与定量管、第五电磁阀构成了反吹控制回路；

所述气路控制模块中，第八电磁阀与气体进气管相连，第八电磁阀另一端依次与耐真空气泵、定量管、压力传感器、第五电磁阀相连，构成了气体采集回路；

所述气路控制模块的第一电磁阀与空气过滤器及空气发生器相连；

所述气相色谱柱与气体检测器相连，所述气体检测器的输出信号连接至单片机信号输入端；所述单片机对装置中的所有电磁阀、油泵设备进行控制，同时采集压力传感器、实时温度信号量。

该装置包括一个气路控制模块，所述气路控制模块的第一个三通连接载气压力稳压阀，所述载气压力稳压阀通过电磁阀、空气过滤器连接至空气发生器；所述气路控制模块的第二个三通连接耐真空气泵的出气端，所述耐真空气泵的进气端通过气管路连接至可燃气体检测区域；所述气路控制模块的第三个三通连接气相色谱柱，所述气相色谱柱与气体检测器相连，所述气体检测器的输出信号连接至单片机信号输入端；所述单片机对装置中的所有电磁阀、油泵等设备进行控制，同时采集压力传感器、实时温度等信号量。

进一步地，所述气相色谱柱为外径4mm，内径3mm，长度2m的不锈钢色谱填充柱。

进一步地，所述气体检测器为半导体型气敏传感器，可对甲烷、丙烷、丁烷、乙醇及氢气等可燃气体进行检测，检测灵敏度高，最小检测值可达0.1ppm等级。

进一步地，所述空气发生器输出高纯空气作为气相色谱柱进行组分分离的高压载气，高压载气经由气管路通过空气过滤器，输送至第一电磁阀进气端。所述第一电磁阀出气端连接载气稳压阀，所述载气稳压阀自动具有调节载气输出压力的功能。

进一步地，所述气路控制模块中包括一个定量管，所述定量管为外径3mm，内径2mm，长度637mm的不锈钢管。

进一步地，所述气路控制模块中包括一个压力传感器，所述压力传感器实时测量定量管中的压力值，并将压力值通过信号线上送至单片机。

进一步地，所述气路控制模块中第五、第七电磁阀之上各安装一个消声器。

进一步地，所述气路控制模块中所有的电磁阀、压力传感器、定量管等器件均通外径3mm，内径2mm的不锈钢管相连。

进一步地，所述装置中包含的电磁阀、气泵接受单片机的控制信号，实现分、合动作；所术装置包含的气体传感器、压力传感器的信号线与单片机的信号采集端相连。

进一步地，所述气路控制模块的第一电磁阀、载气稳压阀、第二电磁阀、气相色谱柱、气体传感器、第七电磁阀构成了基线控制回路。

进一步地，所述气路控制模块的第一电磁阀、载气稳压阀、第三电磁阀、压力传感器、定量管、第六电磁阀、气相色谱柱、气体传感器、第七电磁阀构成了进样控制回路；

进一步地，所述气路控制模块的第一电磁阀、载气稳压阀、第四电磁阀、气相色谱柱、气体传感器、第六电磁阀、定量管、第五电磁阀构成了反吹控制回路；

进一步地，所述气路控制模块的第八电磁阀、耐真空气泵、定量管、压力传感器、第五电磁阀构成了气体采集回路。

可适用于多场景的高精度可燃气体自动检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）传感器基线调整：所述气路控制模块切换至基线控制回路。即：启动空气发生器，同时打开第一、第二及第七电磁阀。高压载气通过第一、二电磁阀进入气相色谱柱及气体传感器，后通过第七电磁阀从第一消声器排出。由于气体传感器对载气没有响应，因此传感器仅向单片机上送传感器的基准电压，本发明称之为“基线”。基线平稳是本装置正常工作的前提，因此只有当单片机判断基线平稳后，才结束基线调整步骤。

2）气体采集：所述气路控制模块切换至气体采集回路。即：先打开第八、第五电磁阀，再启动耐真空气泵。监测区域气体通过气管路、第八电磁阀进入定量管，后通过第五电磁阀从第二消声器排出。当气体采集步骤达到设定时间后，先关闭第五电磁阀，再关闭耐真空气泵，由压力传感器记录气体采集压力。此时，定量管中充满了监测区域的待检测气体。

3）进样：所述气路控制模块切换至进样控制回路。即：启动空气发生器，同时打开第一、三、六、七电磁阀。高压载气先后通过第一、第三、第六电磁阀，到达定量管。在载气的带动下，定量管中的待检测气体随载气流入气相色谱柱。由于色谱柱对待检测气体中各组分（某一种气体）的吸附强度不同，因此各组分在气相色谱柱中停留的时间长度不同，最终造成比重小的组分较比重大的组分先离开色谱柱，各组分离开色谱柱的时间本发明称之为“保留时间”。混合气体在气相色谱柱中实现了组分分离，各组分在载气的带动下逐个流经气体传感器，实现了各组分的单独检测。单片机按照气体传感器响应谱峰的保留时间对各气体组分进行定性，按照气体传感器响应谱峰的峰高对各气体组分进行定量，从而实现了对监测区域可燃气体的高精确测量。

4）反吹：所述气路控制模块切换至反吹控制回路。即：启动空气发生器，同时打开第一、四、五、六电磁阀。高压载气先后通过第一、四电磁阀，进入气相色谱柱的出气口（尾端）。在高压载气的带动下，色谱柱中残留的重组分物质（油污等）、灰尘、杂质被反向吹扫，本发明称之为反吹。反吹出的染污物在高压载气的带动下，离开气相色谱柱进气口（首端），通过第六、第五电磁阀，后由第二消声器排出。由于气相色谱柱是精密的测量设备，长期测量积累的污染物可减少色谱柱使用寿命甚至造成严重损坏，因此，气相色谱柱作为全自动在线监测产品组分分离核心器件时，必须定期频繁进行更换，造成了大量人力、物力的浪费。本发明提出并使用了反吹功能，达到了色谱柱的净化的目的，能够有效延时气相色谱柱的工作寿命。

5）结束本次检测流程，单片机上送各类可燃气体的检测结果，并准备下一次检测。由于单片机上送的结果不仅包含了常见可燃气体监测中的可燃气体总含量，同时还上送了各个气体组分的精确浓度，因此该检测方法有利于进行可燃气体成份分析，可提取各类气体的增涨趋势等潜在信息，并能够针对性地作出气体泄露故障预警，具有市场上主流可燃气体在线监测产品无法比拟的技术优势。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明使用了气路控制模块作为整个装置的控制核心，通过模块内不同电磁阀的分合控制实现了四种核心功能，达到了全自动可燃气体检测的目的。

2.本发明通过气相填充色谱柱对混合待检气体进行组分分离，实现了对甲烷、丙烷、丁烷、乙醇及氢气等可燃气体组分的定性、定量分析，最小检测值可达0.1ppm等级。该检测方式与市场上主流的可燃气体检测产品相比，具有测量精度高、检测信息全、各气体变化趋势准特点。

3.本发明使用空气发生器作为装置载气，极大减少了因载气钢瓶更换带来的人力、物力成本。

4.本发明具有色谱柱反吹功能，能够有效减少色谱柱及传感器中的污染，延长色谱柱及检测器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中1为空气发生器、2为空气过滤器、3为第一电磁阀、4为载气稳压阀、5为第二电磁阀、6为气相色谱柱、7为气体传感器、8为第七电磁阀、9为第一消声器、10为第三电磁阀、11为压力传感器、12为定量管、13为第六电磁阀、14为第四电磁阀、15为耐真空气泵、16为第五电磁阀、17为第二消声器、18为单片机、19为第八电磁阀。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种全自动可燃气体在线检测装置，装置由气路控制模块、气相色谱柱、气体传感器、空气发生器回路、耐真空气泵回路及单片机组成。

本发明中装置包含的气路控制模块分为4个控制回路：基线控制回路、进样控制回路、反吹回路及气体采集回路。通过控制回路的切换，装置可在无人状态下自动完成可燃气体的检测过程。具体来说，气路控制模块的基本功能包括：基线控制、进样、反吹及气体采集。

当系统处于基线控制状态时，气路控制模块切换至基线控制回路。装置同时启动空气发生器、第一、第二及第七电磁阀，此状态下由于气体传感器处于载气环境，因此气体传感器的响应值仅为测量的基准电压（基线）。单片机根据气体传感器响应电压判断监测基线的平稳程度，只有基线平稳，才可进行下一步操作。

当系统处于气体采集状态时，装置启动耐真空气泵、第八电磁阀、第五电磁阀，此状态下监测区域的待检测气体进入定量管，并由单片机记录气体采集压力及实时环境温度。由于定量管内容积固定为4ml，则单片机根据气体采集压力及当前环境温度便可精确地计算出采集气体的摩尔数。

当系统处于进样状态时，装置启动空气发生器、第一、第三、第六及第七电磁阀，此状态下混合气体在气相色谱柱中实现了组分分离，各组分到达气体传感器的时间为该组分的“保留时间”，单片机根据气体传感器响应的保留时间来确定该响应是何种气体（定性），单片机按照气体传感器响应谱峰的峰高对各气体组分进行浓度计算（定量）。本发明通过对各气体组分定性、定量分析，实现了对监测区域可燃气体的组成情况、各组分浓度值、各组分变化趋势等重要信息的全自动分析。

当系统处于反吹状态时，装置启动空气发生器、第一、第四、第五、第六电磁阀，通过高压载气的反向吹扫，即从气相色谱柱的尾端吹向首端，使得色谱柱中残留的重组分物质（油污等）、灰尘、杂质被清理干净。柱反吹功能是离线气相色谱仪不具备的关键技术，通过反吹可以达到色谱柱净化的目的，能够有效延长色谱柱的工作寿命，避免因频繁更换气相色谱柱等耗材带来的人力和物力上的损失。

本发明选用60-80目高分子多孔小球为气相色谱柱的填充料，由于填充料对待检测气体中各组分的吸附强度不同，因此分配系数小的组分较分配系数大的组分先离开色谱柱。气相色谱柱技术是本发明实现可燃气体各个组分浓度分析的关键技术。

本发明选用tgs-813型气体传感器作为气体检测传感器，该气体检测器为半导体型气敏传感器，可对甲烷、丙烷、丁烷、乙醇及氢气等可燃气体进行检测，检测灵敏度高，最小检测值可达0.1ppm等级。

本发明使用空气发生器输出高纯空气，通过空气过滤器、载气稳压阀调整出稳定、可用的载气。离线气相色谱仪通常使用专用的载气钢瓶作为系统载气（往往是高纯氮气或氦气），而载气瓶内气体有限，必须定期更换气瓶，因此检测成本巨大。而本发明根据所选气体传感器的响应特性，选用了空气发生器作为载气源，无需更换耗材，极大的优化了设备的使用流程及运营成本。

气路控制模块中包括一个定量管，其外径为3mm，内径为2mm，长度为637mm，材料为不锈钢。

气路控制模块中包括一个压力传感器，用于实时测量定量管中的压力值，并将压力值通过信号线上送至单片机。

气路控制模块中所有的电磁阀、压力传感器、定量管等器件均通过外径3mm，内径2mm的不锈钢管相连。

第七电磁阀、第五电磁阀处各安装一个消声器。

装置包含的所有电磁阀、耐真空气泵接受单片机的控制信号实现开、合动作；装置包含的气体传感器、压力传感器的信号线与单片机的信号采集端相连。

本发明可适用于多场景的高精度可燃气体自动检测方法，包括以下步骤：

1）传感器基线调整：启动空气发生器，气路控制模块切换至基线控制回路（打开第一、二、七电磁阀）。高压载气通过第一、二电磁阀进入气相色谱柱及气体传感器，流出载气通过第七电磁阀从第一消声器排出。数据采集装置检测传感器的实时响应值，待响应基线平稳后，结束基线调整。

2）气体采集：气路控制模块保持基线控制状态（打开第一、二、七电磁阀）。同时，启动第八电磁阀、耐真空气泵及第五电磁阀。监测区域气体通过气管路、第八电磁阀进入定量管，并从第五电磁阀排出。达到设定时间后，先关闭第五电磁阀，再关闭耐真空气泵，压力传感器记录气体采集压力。此时，定量管中充满了监测区域的实时状态气体。

3）进样：气路控制模块切换至进样控制回路（打开第一、三、六、七电磁阀）。高压载气通过第一、三、六电磁阀，将定量管中的待检气体输送至气相色谱柱。混合气体在色谱柱中实现了组分分离，各气体组分在载气的带动下逐个流经气体传感器。单片机按照气体传感器响应谱峰的保留时间对各气体组分进行定性，按照气体传感器响应谱峰的峰高对各气体组分进行定量，从而实现了对监测区域可燃气体的高精确测量。

4）反吹：气路控制模块切换至反吹控制回路（打开第一、四、五、六电磁阀）。高压载气通过第一、四电磁阀，进入气相色谱柱的出气口（尾端），在高压载气的带动下，色谱柱中残留的重组分物质、灰尘、杂质被反向吹扫。反吹出的残留物从色谱柱进气口流出，通过第六、第五电磁阀，由第二消声器排出。

5）结束某一区域的检测流程，单片机上送检测结果，并准备下一区域检测。

实施例1

如图1所示，本发明一种全自动可燃气体在线检测装置，具有第一电磁阀3、第二电磁阀5、第三电磁阀10、第四电磁阀14、第五电磁阀16、第六电磁阀13、第七电磁阀8、压力传感器11、定量管12构成的气路控制模块；

如图1所示，具有气相色谱柱6、气体传感器7；

如图1所示，具有耐真空气泵15、第八电磁阀19；

如图1所示，具有空气发生器1、空气过滤器2、第一电磁阀3及载气稳压阀4。

本发明中，耐真空气泵15、气体传感器7、气相色谱柱6、载气稳压阀4分别通过气管路与气路控制模块相连，通过单片机对气路控制模块内电磁阀的分合控制，可以实现本装置的基线控制、进样、反吹及气体采集功能的切换。

本发明中，气路控制模块的第一电磁阀3、第二电磁阀5、第七电磁阀8上电，构成气路控制模块的基线控制回路。

本发明中，气路控制模块的第一电磁阀3、第三电磁阀10、第六电磁阀13、第七电磁阀8上电，构成气路控制模块的基线控制回路。

本发明中，气路控制模块的第一电磁阀3、第四电磁阀14、第六电磁阀13、第五电磁阀16上电，构成气路控制模块的反吹回路。

本发明中，耐真空气泵15、第八电磁阀19、第五电磁阀16上电，构成气路控制模块的气体采集回路。

本发明中，空气过滤器2进气端与空气发生器相连，出气端与载气稳压阀相连。所选择的空气过滤器为可更换型器件，定期更换可效保证空气纯度和洁净度。

本发明中，用定量管12对待检气体进行定量，用压力传感器11对待检气体进行定压，压力传感器11信号线与单片机18的信号采集端相连。

本发明中具有两个消声器，分别是设于第七电磁阀8和第五电磁阀16之上的第二消声器17，安装消声器能有效避免灰尘、杂质或昆虫进入气路内部。

本发明一种于可适用于多场景的高精度可燃气体自动检测方法，控制过程如下：

步骤1）传感器基线调整：启动空气发生器1，气路控制模块切换至基线控制回路（打开第一、二、七电磁阀3、5、8）。高压载气通过第一电磁阀3、第二电磁阀5，进入气相色谱柱6，到达气体传感器7，并通过第七电磁阀8，从第一消声器9排出。数据采集装置检测气体传感器7的实时响应值，待响应基线平稳后，结束基线调整。

步骤2）气体采集：气路控制模块保持基线控制状态（打开第一、二、七电磁阀3、5、8）不变。同时启动第八电磁阀19、耐真空气泵15及第五电磁阀16。监测区域气体在耐真空气泵15的带动下，通过气管路、第八电磁阀19进入定量管，并流经五电磁阀16，从第二消声器17排出。在达到设定时间后，先关闭第五电磁阀16，再关闭耐真空气泵15，单片机18记录压力传感器11的数值作为气体采集压力。此时，定量管中充满了监测区域的实时状态气体。

步骤3）进样：气路控制模块切换至进样控制回路（打开第一、三、六、七电磁阀3、10、13、8）。高压载气通过第一、三、六电磁阀3、10、13，将定量管12中的待检气体输送至气相色谱柱6。混合气体在色谱柱中实现了组分分离，各气体组分在载气的带动下逐个流经气体传感器7。单片机18按照气体传感器7响应谱峰的保留时间对各气体组分进行定性，按照气体传感器7响应谱峰的峰高对各气体组分进行定量，从而实现了对监测区域可燃气体的高精确测量。

步骤4）反吹：气路控制模块切换至反吹控制回路（打开第一、四、五、六电磁阀3、14、16、13）。高压载气通过第一、四电磁阀3、14进入气相色谱柱6的出气口（尾端），在高压载气的带动下，色谱柱6中残留的重组分物质、灰尘、杂质被反向吹扫。反吹出的残留物从色谱柱6的进气口流出，最终通过第六电磁阀13、第五电磁阀16由第二消声器排出。

步骤5）结束本次检测流程：单片机18上送各类可燃气体的检测结果，并准备下一次检测。