史卓然
长治市煤矿安全仪器仪表检测中心 山西省长治市 046000
摘要：智能传感技术能够有效减除复杂多变工况环境中不利因素造成的安全风险，有效减少误报警，显著延长仪表标定周期，以及仪表有效寿命。
关键词：气体检测设备；问题；设计
1.前言
一直以来，工程师们致力于使用多样化的气体检测技术确保油气生产、炼制、储运等环节中的安全等级，最大限度保护人员、设备和设施的安全，如果气体检测系统发生故障，其结果可能是灾难性的。设计和使用安全、高性能的气体检测系统，能确保较长使用周期内可靠运行，并准确、及时地发现气体泄漏，从而最大限度地避免误报警、误停车等事件的频繁发生。
2.传统气体检测技术存在的问题和潜在风险
传统的气体检测技术包括催化燃烧原理和电化学原理，也是目前使用数量占比最大的两种气体检测技术。基于这两种检测技术的传感器，由于技术成熟、制作工艺简单、成本低，因而被广泛应用。在石油化工天然气这类高危行业，一旦发生火灾、爆炸等事故，其后果将非常严重，有必要对这类行业中的传感器技术进行深入研究，力求将各种不利因素的影响降至最低。误报警是目前石油化工天然气行业气体检测仪表遇到的比较多的问题，给使用单位带来很多困扰。误报警可能会导致部分装置停车，严重时直接导致工厂减产停产，并消耗大量的时间和人力进行应急响应与处置，对安全生产的影响非常大。误报警的诱发原因比较多，部分来自仪表本身的器件性能和质量，以及设计方面的因素。从功能安全范畴来说，误报警属于安全失效，其表达式为λS，一般可通过FEMDA分析得到。检测仪表所用器件质量越高，整体设计和检测功能越完善，λS越小，仪表就不太容易发生误报警[1]。
除了仪表本身的器件质量与设计因素，外界环境因素不可忽视。气体传感器的核心器件，特别是采用电化学原理的传感器，内部采用不同成分的电解液，非常容易受到诸如温度、湿度等环境因素的影响。其中，湿度对于电化学传感器的性能参数影响较大，在不同等级的湿度环境中，或湿度呈周期性变化的作业环境中，有毒气体的浓度检测示值表现出明显差异。部分海上作业平台，其环境湿度较大（>90%），且持续时间长，容易引发误报警，甚至触发联锁动作，造成不必要的损失。硫化氢（H2S）气体检测性能如何受到环境因素的影响，实验周期为630天，应用浓度值为60ppm，样本数量为64台，显示结果为该样本均值。随着环境湿度在10%～90%之间周期性变化，H2S浓度示值亦呈现周期性变化，而且与湿度有比较明显的正相关性。典型地，当环境湿度为90%时，H2S浓度测量最大偏差为23.3%。标定周期也是广大最终用户普遍关心的问题。
对于气体检测仪表来说，标定周期是指两次必要的标定活动之间的最长间隔。在不考虑国家相关法律法规要求时，目前市场上绝大多数品牌的传感器，其最大允许的标定周期在6～12个月之间。
标定周期越短，意味着整体运行维护成本会大大增加，包括但不限于标定活动需要的标定工具、气瓶等备件的采购，存放和报废处置成本，以及相关的资质要求、人员安排等。即使按照3～6个月的标定周期，如何确保在两次标定之间的时间段内，传感器仍处于有效工作状态，也是长期以来困扰很多用户的问题。目前，国家权威部门已经取消了运行维护阶段的关于强制检定的规定[2]。对于用户来说，如何确保气体检测仪表在两次标定周期间隔里安全、可靠地运行，以及在性能指标合规的前提下，是否能够延长仪表的标定周期，是同时关乎到经济利益和安全性的问题。
3.气体检测设备的硬件设计
本次设计的便携式可燃气检测仪不仅能时刻监测周围环境中的燃气浓度情况，还可以在发生意外危险事情时自动报警，即当气体浓度达到预设值时，可以自动开启排风系统，同时通过GSM模块发送短信及时通知用户。总体设计思路旨在实现低成本，高可靠性和稳定性。
基于以上设计思路，本设计主要采用MQ-2气体传感器检测燃气管道周围的燃气浓度，并由主控芯片MCU进行控制。该设计主要由四大部分组成：一是传感器，能够实时检测周围环境的燃气浓度；二是主控芯片，能够对燃气信号进行数据处理和其他模块的功能控制；三是报警装置，根据主控芯片发出的信号采取相应的报警措施；四是智能化处理装置，报警的同时风扇启动并发送短消息及时通知用户做出紧急处理。
4.软件设计
本次设计采用Keil仿真软件进行，在硬件电路连接好之后，还需要借助STC-ISP软件来烧录程序。程序首先是进行系统的初始化，对各个硬件进行初始化，然后开始运行主函数程序，进入对燃气信号的采集，调用A/D转换子程序，经A/D转换，然后把转换的数据传送给单片机进行处理、计算，紧接着调用显示子程序，将检测所得的气体浓度值显示在LCD1602上，并判断是否超出预设报警值，若超过预设报警值，则执行报警函数程序，进行声光报警并联动风扇，同时执行GSM模块程序，发送紧急短消息及时通知使用者。
5.软件程序调试
软件设计完成后，开始运行程序检查是否出现错误，若出现错误，检查语句进行改正。确认电路连接没有问题后，通电确保各个硬件都能正常工作。使用51开发板与STC-ISP连接对单片机进行程序烧写，LCD1602正常显示“Gas：000ppmS-Gas：022ppm”，第二行的浓度为燃气浓度预设值，使用者根据具体情况设置燃气浓度报警值。在实际操作过程中，为了保持空气清洁和人身安全，本次实验过程不方便采集燃气信号，比如家用的CO或者CH4，所以实验过程采用通过打火机未点燃的气体来测试程序是否正常运行。通过实际操作，当输出可燃气后，通过MQ-2气体传感器探测到气体信号，并进行采集，同时利用LCD显示出检测到的浓度，当超过预设值后，开始声光报警，同时风扇启动驱散气体，此时手机可以收到短消息提醒，证明整个程序可以正常运行。
6.结束语
智能传感技术能够最大限度地抑制外界环境不利因素对气体传感器的性能影响，对于减除误报警具有非常重要的作用。
参考文献
[1]英W.托马斯.X5000固定式气体探测器功能安全评估报告:SiraFSP18001/00[R].CSA集团,2018
[2]胡显华.火灾探测器误报警的原因及改进方法[J].电脑开发与应用,2019(11):60-65.