固定式氣體檢測報警儀遠程智能診斷技術探析

王晨煜，江元媛，王俊超，李 正

（重慶氣礦，重慶 404300）

1 固定式氣體檢測儀應用現狀及工作原理

工業經濟的急速發展推動著社會的高質量進步，與此同時安全事故也給社會及人民的生命、財產、環境帶來嚴重危害。在石油化工、煤炭、冶金等多種行業中，爆炸、中毒等嚴重安全事故多數是因氣體泄漏引發的，氣體檢測作為有效的環境安全監測手段，氣體檢測報警儀配備在高危工業行業中尤其重要，在石化產品生產現場隨處可見氣體檢測報警儀的身影。氣體檢測報警儀通常分為便攜式氣體檢測報警儀和固定式氣體檢測報警儀兩種，其中，便攜式氣體檢測報警儀可根據工作需求被工作人員隨身攜帶，固定式氣體檢測報警儀則多用于石化產品生產現場，用于對易燃易爆或有毒有害氣體的全天候監控，通過聲光報警的方式提示高危場所的值班人員。

在石化生產過程中，需要進行持續監測的環境氣體主要分為三類，分別是可燃氣體（易燃易爆）、有毒氣體及氧氣。各類固定式氣體檢測報警儀的主要工作原理大致相同，由電化學傳感器或光學傳感器將環境中含有的被測氣體組分轉換成電信號，利用電子部件和顯示屏幕以濃度單位顯示出來。

以可燃氣體檢測儀為例，當空氣中含有的可燃氣體組分（如甲烷等）擴散到氣體檢測儀的傳感器表面上，在傳感器表面催化劑作用下，會很快發生無焰燃燒反應，反應產生的熱量使傳感器的鉑絲電阻值變大，檢測橋路輸出一個差壓信號。這個電壓信號的大小與可燃氣體組分濃度成正比例關系，經過電子部件放大后，通過電壓電流轉換并把可燃氣體爆炸下限值以內的百分含量（%LEL）轉換成4～20mA 標準信號輸出。

有毒氣體檢測儀是采用電化學傳感器，利用控制電位電解法原理，在電解池內安裝了工作電極、對電極和參比電極等三種電極，并加入一定量的極化電壓。更換不同的電化學傳感器并改變極化電壓值，可檢測出各類不同有毒氣體組分。被測氣體透過薄膜到達工作電極，發生氧化還原反應，此時傳感器會有小股電值流輸出，電流值的大小與有毒氣體組分濃度成正比關系，該電流信號經電路處理轉換成電壓，電壓信號經放大器進行電壓電流轉換，并將有毒氣體檢測范圍內的含量（ppm 值）轉換成4～20mA 標準信號輸出。

氧氣檢測儀則是利用伽伐尼原電池原理，在原電池內裝置了陽極和陰極，分別為鉛和銀，采用薄膜與外環境隔開，空氣中的氧氣組分通過薄膜到達陰極，發生氧化還原反應。傳感器將有個與氧氣濃度成正比關系的mV 級電壓輸出，電壓信號經放大器進行電壓電流轉換，并將氧氣的百分比（0～30%）以內含量轉換成4～20mA 標準信號輸出[1]。

2 固定式氣體檢測儀常見故障分析及處理

固定式氣體檢測報警儀作為檢測石化生產場所中重點關注氣體含量的計量儀器，需保障其檢測結果的準確可靠性，以便及時發現有毒或易燃氣體泄漏，有效預防人身傷害或爆炸事故的發生，因此開展氣體檢測報警儀的正確使用、日常維護及定期檢定非常重要。

2.1 日常使用注意事項

由于大部分氣體檢測報警儀采用電化學傳感器，電化學反應受溫度、濕度影響較大，一般氣體檢測報警儀在溫度0℃～40℃、相對濕度小于等于85%的環境條件下進行氣體監控較為準確可靠。盡管制造廠商在氣體檢測報警儀內部均會采取一些溫、濕度補償措施，在極端環境條件下，其檢測結果的輸出響應依然可能存在較大誤差，如傳感器內部進水或濕度過高，傳感器表面聚集水汽，硫化氫、二氧化碳等氣體易溶于水，縮小了目標氣體進入的通道，可能導致無法及時提示工作人員有毒氣體的泄漏[2]。

2.2 常見故障分析及處理

氣體檢測報警儀通常由探頭、控制器（DCS）及數據傳輸系統組成，探頭故障主要指傳感器、電路組件及信號感應模塊等故障，會造成檢測儀探測無反應、反應慢、零點漂移和亂報警等故障現象。控制器的主要作用是給現場工作的檢測儀表部分供電、對探頭探測回傳的數據信號進行處理和轉換。數據傳輸故障通常是由供電電壓不穩、電流及信號傳輸線纜故障等原因引起的，可能導致現場儀表或控制器無顯示、控制器顯示故障等現象[3]。最常見的故障主要有以下幾種：

1.零點漂移。固定式氣體檢測儀常出現顯示值不為零，在零點上下正負一點點的現象。出現零點漂移時，首先應檢查檢測儀周圍是否存在被測氣體或其他干擾氣體，隨后排查傳感器零點電壓是否偏高，通入標準零點氣體進行校準，使主機顯示為零。若無法調整零點，可能是內部傳感器故障。若氣體檢測報警器受過高濃度被測氣體或干擾氣體、高溫氣體或有機溶劑等侵蝕，或者傳感器使用年限已超廠商給出的壽命預期，應考慮更換傳感器。

2.示值誤差較大。氣體檢測儀傳感器使用時間越久、使用環境中被測氣體頻繁或是傳感器安裝在極端環境時，會出現傳感器線性衰減，示值誤差增大的現象。此類故障的處理需通入標準氣體按廠家說明書要求進行校準調整，如果通過標定校準，顯示值仍然達不到標準氣體濃度，說明傳感器已失效需更換。

3.反應慢或無響應。氣體檢測儀通入被測氣體后無響應現象或反應較慢，應首先排查探頭是否堵塞，傳感器的進氣通道受阻會導致氣體檢測儀靈敏度下降，反應變慢。若非堵塞原因導致，清理堵塞傳感器組件透氣孔后故障現象未消除，則可能是內部傳感器老化或失效，可更換傳感器判斷傳感器是否失效。

4.現場檢測儀顯示數值和控制器顯示數值不一致。現場檢測儀或控制器上的顯示數值主要由傳感器輸出的4～20mA 電流值決定，若顯示數值不一致，首先應檢測傳感器4～20mA 電流輸出是否正常，若電流正常，則檢查現場檢測儀的量程和控制器設置的量程是否一致。如果電流輸出正常、設置量程一致，則故障原因為數據信號傳輸故障。

3 遠程智能診斷技術可行性分析

各個石化生產現場隨處可見固定式氣體檢測報警儀在運行，傳統的固定式氣體檢測報警儀均為模擬量輸出的非智能儀表，因其成本較低且運行穩定，在往年的改造項目中被大規模運用，是目前石化生產現場的主要儀表類型。但模擬量傳輸的數據有限，測試維護需要到現場操作，數據監控維度很小，且易發生信號漂移，傳統固定式氣體檢測報警儀的運行維護及維修成本，每年需要耗費各石化企業大量的人力和財力。隨著時代的發展，尤其是數字化轉型的提出，部分石化生產現場選擇智能檢測儀表，但其成本較高，功能不一定能夠滿足所有現場所需，且需要更專業的人員對其進行維護才能使其穩定運行。國內目前僅存在傳統固定式氣體檢測報警儀和智能固定式氣體檢測報警儀兩類產品，沒有傳統固定式檢測儀向智能固定式檢測儀改造的中間產品，要實現石化生產場所數字儀表的轉型，僅能通過更換全套設備來完成。而石化企業需要控制成本完成數字化轉型，如何通過對現有設備進行低成本改造就能達到數字化的要求，從而實現人員精簡，降低維護費用，節約時間成本是目前行情迫切需要考慮的問題[4]。

結合現有固定式氣體儀的使用現狀及安裝條件，本文提出一種固定式氣體檢測報警儀數字化改造的思路：在不改動儀表的情況下，將固定式氣體檢測報警儀的輸出信號進行數字化匹配，實現固定式氣體檢測報警儀從現場儀表到上控站位系統的全鏈路數據監控。根據現有的安裝條件，數字信號的傳輸模式如圖1所示。

圖1 傳統的數據傳輸模式

但數字信號其實能夠傳遞更多的數據。在不影響目前已安裝設備的正常運行情況下，研究開發一種固定式氣體檢測報警儀遠程診斷模塊，運用模擬信號分離技術，實現模擬儀表到數字儀表的轉變；通過模塊的智能切換I/O，實現固定式氣體檢測報警儀的在線校準功能；開發服務器數據庫應用，使其實現多維度的數據監控及智能診斷功能；整合現場儀表到上位控制系統的通訊技術，實現模電數電的高精度轉化及上下位的資源匹配；重定義數組實現自動查找并糾正固定式氣體檢測報警儀上位各個層級組態不一的功能。通過數字化改造的方式，可以實現固定式氣體檢測報警儀的遠程自動診斷及數據自動校準功能（如圖2 所示），從而更好地匹配未來生產現場的數字化轉型，并能夠滿足相關標準規范,實現天然氣站場固定式報警儀的遠程診斷和在線校準[5]。

圖2 數字化改造后的數據傳輸模式

4 結語

在固定式氣體檢測報警儀上應用遠程智能診斷技術后，操作及管理人員無需到現場便能進行故障判斷、儀表校準等操作，可以提高工作質量，節省人工成本。通過固定式氣體檢測報警儀在線診斷技術的應用，能夠及時發現固定式氣體檢測報警儀存在的問題，并能通過遠程及時解決部分問題，消除安全隱患，提升安防設備管理水平。