摘要：分析了氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)的原理和技術(shù)要求，提出將FID技術(shù)與汽車結(jié)合的市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤z測(cè)的車載系統(tǒng)方案。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，研究了利用FID技術(shù)，在GIS、GSM和GPS平臺(tái)上建立市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤┰缙陬A(yù)警系統(tǒng)的可行性，提出了預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：氫火焰離子化檢測(cè)器；車載檢漏系統(tǒng)；燃?xì)庑孤?；市政管網(wǎng)；早期預(yù)警
Research on Early Warning System with Vehicle-mounted FID for Gas Leakage from Municipal Network
SUN Li-guo，ZHOU Yu-wen，BU Jing-xiao
Abstract：The principle and technical requirement of hydrogen flame ionization detector(FID)are analyzed. A scheme of vehicle-mounted system combining FID and automobile for detecting gas leakage from municipal network is put froward. The feasibility of establishing an early warning system for gas leakage from municipal network on the platforms of GIS，GSM and GPS by FID technology is studied through a practical application，the early warning standard is presented.
Key words：hydrogen flame ionization detector(FID)；vehicle-mounted leakage detection system；gas leakage；municipal network；early warning
1?市政管網(wǎng)安全管理面臨的問(wèn)題
????隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部大開發(fā)政策的實(shí)施，城市化進(jìn)程不斷加快，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的市政管網(wǎng)也迅速增加，在各個(gè)城市區(qū)域內(nèi)已初步形成大規(guī)模的錯(cuò)綜復(fù)雜的地下市政管網(wǎng)。在地下市政管網(wǎng)快速發(fā)展的同時(shí)，由于管網(wǎng)泄漏所發(fā)生的爆炸、中毒和地面塌陷而導(dǎo)致的次生災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生。因此，如何減少或避免此類次生災(zāi)害是市政管理部門面臨的挑戰(zhàn)之一。
????當(dāng)前城市市政管網(wǎng)安全管理以人工巡檢為主，比如：自來(lái)水公司以聽漏儀和漏水相關(guān)儀進(jìn)行漏水檢測(cè)，而燃?xì)夤井?dāng)前主要采用燃?xì)夤芫W(wǎng)檢漏儀進(jìn)行日常的路面巡檢[1]。對(duì)于各類井室內(nèi)可燃?xì)怏w和有毒氣體，則使用手持式檢測(cè)儀。面對(duì)著整個(gè)城市數(shù)量巨大的市政管網(wǎng)和井室，當(dāng)前采用以人工巡檢為主的模式，其巡檢工作量巨大，往往是漏點(diǎn)還沒(méi)有找到或有潛在危險(xiǎn)的井室還沒(méi)有檢查到，災(zāi)害事故就已經(jīng)發(fā)生了。因此，迫切需要應(yīng)用一種快速高效的檢測(cè)技術(shù)，以解決當(dāng)前市政管網(wǎng)安全管理工作量巨大的問(wèn)題。車載FID檢測(cè)技術(shù)就是把FID檢測(cè)精度與汽車的機(jī)動(dòng)性結(jié)合起來(lái)，可以解決市政管網(wǎng)安全管理工作量巨大的問(wèn)題，也可以用于市政管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)。
2?車載FID檢測(cè)技術(shù)
2.1 FID的原理
??? Harley等人于1958年研制成功氫火焰離子化檢測(cè)器(Hydrogen Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID)[2]。它的基本原理是以氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚庠诳諝庵腥紵傻幕鹧鏋槟茉?，?dāng)碳?xì)溆袡C(jī)化合物進(jìn)入氫氣和氧氣燃燒室的火焰中時(shí)，在高溫的作用下，產(chǎn)生化學(xué)電離反應(yīng)，電離產(chǎn)生比基流高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的離子，在較高直流電場(chǎng)的定向作用下，形成離子流，微弱的離子流(10-12～10-8A)產(chǎn)生與進(jìn)入火焰的碳?xì)溆袡C(jī)化合物量成正比的電流信號(hào)，因而電流信號(hào)與被測(cè)碳?xì)溆袡C(jī)化合物(如甲烷CH4)的體積分?jǐn)?shù)成正比，體積分?jǐn)?shù)為1×10-6所對(duì)應(yīng)的電流約為500fA。經(jīng)過(guò)高阻電路(電阻為106～1011Ω)放大后形成電壓信號(hào)，此電壓能換算成被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。FID結(jié)構(gòu)原理見圖1。
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??? FID的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)揮發(fā)性的碳?xì)溆袡C(jī)化合物(烴類)均能有很好的測(cè)量響應(yīng)[3]，對(duì)所有烴類化合物(碳原子數(shù)≥3)的相對(duì)響應(yīng)值幾乎相等，對(duì)含雜原子的烴類有機(jī)物中的同系物(碳原子數(shù)≥3)的相對(duì)響應(yīng)值也幾乎相等，這給碳?xì)溆袡C(jī)化合物的定量分析帶來(lái)很大的方便。它靈敏度高，基流小，線性范圍寬，死體積小，響應(yīng)快，對(duì)氣體流速、壓力變化不敏感。
??? FID至今已有逾50年的發(fā)展歷史，雖然電子技術(shù)日新月異，但是FID主體結(jié)構(gòu)仍并無(wú)實(shí)質(zhì)性的變化。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用作大型實(shí)驗(yàn)室氣相色譜檢測(cè)器，足見其性能優(yōu)越可靠。然而FID也有不足之處，即必須使用氫燃料氣。
????雖然FID性能優(yōu)越可靠，但是把大型實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜檢測(cè)器應(yīng)用到市政管網(wǎng)檢測(cè)的車載系統(tǒng)上，還是面臨著許多技術(shù)難題。主要表現(xiàn)在：不同于實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)測(cè)量，車載FID系統(tǒng)要在行駛的汽車上，因此對(duì)樣品預(yù)處理、數(shù)據(jù)記錄等都有特殊要求。
2.2?車載FID檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求
???①?靈敏度要足夠高[4]。能夠?qū)w積分?jǐn)?shù)為1×10-6的燃?xì)庥蟹磻?yīng)，因此即使路面上存在微量的燃?xì)庖材軝z測(cè)到。
??? ②?響應(yīng)時(shí)間要足夠短。車載FID檢測(cè)系統(tǒng)是在行駛中進(jìn)行檢測(cè)，因此必須要求有足夠短的響應(yīng)時(shí)間。FID在全量程內(nèi)響應(yīng)時(shí)間都很短，檢測(cè)器主機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為1ms，加上整個(gè)氣路后的響應(yīng)時(shí)間約5s。
????③ 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好。穩(wěn)定性是指檢測(cè)結(jié)果是相對(duì)穩(wěn)態(tài)，而不是瞬時(shí)變化的，零點(diǎn)穩(wěn)定不飄移。重現(xiàn)性是指本次測(cè)量和下次測(cè)量的結(jié)果一致。只有穩(wěn)定的和可重現(xiàn)的測(cè)量結(jié)果，才可能進(jìn)行儲(chǔ)存和事后分析處理。
??? ④?量程和線性度非常好。FID的檢測(cè)量程達(dá)0～10000×10-6，在全量程內(nèi)的信號(hào)輸出是線性的。
??? ⑤?車載檢測(cè)系統(tǒng)首先要解決的是采樣問(wèn)題。8個(gè)可移動(dòng)泵吸采樣探頭安裝在車外，通過(guò)一個(gè)大功率的吸泵和采樣氣路，在行駛中吸入大量的采樣氣體以保證檢測(cè)的有效性，而FID卻需要很小的樣品，因此需要一個(gè)小泵通過(guò)旁路將樣氣送到FID，而剩余的樣氣則通過(guò)氣路排出車外。對(duì)被測(cè)樣氣則通過(guò)灰塵過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理。
??? ⑥?車載檢測(cè)系統(tǒng)需要檢測(cè)的是甲烷。對(duì)于路面上的汽車尾氣等非甲烷碳?xì)浠衔?，我們?cè)谲囕d系統(tǒng)中采用高溫氧化過(guò)濾技術(shù)加以消除。
??? ⑦?要能夠在行駛中向車載檢測(cè)系統(tǒng)提供持續(xù)的電源。采用特殊的備用蓄電池和電源控制電路，利用汽車本身的發(fā)電機(jī)給備用蓄電池充電，充滿即停止，虧電立即充電，保證在任何工作狀態(tài)下都不會(huì)干擾汽車的工作狀態(tài)，汽車沒(méi)有啟動(dòng)或下車忘記關(guān)閉儀器，汽車電源將受到保護(hù)，使汽車和工作儀器都有充足的電源。
??? ⑧?通過(guò)輪轂貼加傳感器記錄車速，通過(guò)專業(yè)PC上位機(jī)軟件，將車速與檢測(cè)結(jié)果記錄到本機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，或通過(guò)GSM把檢測(cè)到的預(yù)警數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)以短信的方式發(fā)送到指揮中心。以此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可以建立基于車載FID檢測(cè)技術(shù)的市政管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)。
3?車載FID檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與工作模式
????車載FID檢測(cè)系統(tǒng)工作模式共有4套氣路：①燃料氣路，采用體積分?jǐn)?shù)為40%的氫氣和60%的氮?dú)獾幕旌蠚怏w，燃料氣進(jìn)入FID的燃燒室，通過(guò)點(diǎn)火開關(guān)自動(dòng)點(diǎn)火，產(chǎn)生測(cè)量能源；②標(biāo)準(zhǔn)氣氣路，自動(dòng)或隨時(shí)待命標(biāo)定，以確保車載FID檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度；③被檢測(cè)氣體采樣氣路，通過(guò)灰塵過(guò)濾器和水氣過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)流量計(jì)，進(jìn)入氧化室，最后進(jìn)入FID燃燒室，進(jìn)行燃?xì)庑孤舛鹊臏y(cè)量，通過(guò)FID放大電路將測(cè)量值顯示在儀器面板和電腦屏幕上；④多余的采樣氣通過(guò)排氣管路排到車外。車載FID檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與工作模式見圖2。
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4?車載FID檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例分析???????
我們將以上車載FID檢測(cè)系統(tǒng)于2004年1月2日實(shí)際應(yīng)用到內(nèi)蒙古呼和浩特市新安南路和新建西街的市政管網(wǎng)(排水管網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng))檢測(cè)，取得?了令人滿意的效果。
4.1?對(duì)排水井的檢測(cè)
????采用車載FID檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)排水井可燃?xì)怏w(沼氣)檢測(cè)曲線見圖3。
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????當(dāng)時(shí)車載FID檢測(cè)系統(tǒng)在呼和浩特市新安南路巡檢排水管時(shí)，產(chǎn)生如圖3中藍(lán)色曲線的3個(gè)峰值，在行駛到離出發(fā)點(diǎn)約1000m處：發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為3×10-6可燃?xì)怏w顯示峰值，在約1150m處發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為5×10-6的可燃?xì)怏w顯示峰值，在約1500m處，又發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為2×10-6的可燃?xì)怏w顯示峰值。這正是車載FID檢測(cè)系統(tǒng)在巡檢過(guò)程中，壓過(guò)路面上的3個(gè)排水井而顯示的沼氣體積分?jǐn)?shù)，其結(jié)果表明此體積分?jǐn)?shù)并沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的預(yù)警值。
4.2?對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的巡檢
???2004年元月2日，對(duì)呼和浩特市新建西街的燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行檢漏，當(dāng)車行駛在新建西街上，報(bào)警聲響起，電腦屏幕立即顯示，發(fā)現(xiàn)了有燃?xì)庑孤┑牡胤健D4是燃?xì)夤艿缹?shí)際泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)表。為了真實(shí)還原這次燃?xì)庑孤z查的全過(guò)程，從實(shí)際記錄的預(yù)覽檢測(cè)圖中，可以看到該次檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果和其他信息。圖5是燃?xì)夤艿缹?shí)際泄漏檢測(cè)曲線。
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