摘要：分析了氫火焰離子化檢測器(FID)的原理和技術要求，提出將FID技術與汽車結合的市政管網燃氣泄漏檢測的車載系統(tǒng)方案。通過實際應用，研究了利用FID技術，在GIS、GSM和GPS平臺上建立市政管網燃氣泄漏早期預警系統(tǒng)的可行性，提出了預警標準。

關鍵詞：氫火焰離子化檢測器；車載檢漏系統(tǒng)；燃氣泄漏；市政管網；早期預警

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

????隨著我國經濟的發(fā)展，西部大開發(fā)政策的實施，城市化進程不斷加快，作為城市基礎設施的市政管網也迅速增加，在各個城市區(qū)域內已初步形成大規(guī)模的錯綜復雜的地下市政管網。在地下市政管網快速發(fā)展的同時，由于管網泄漏所發(fā)生的爆炸、中毒和地面塌陷而導致的次生災害經常發(fā)生。因此，如何減少或避免此類次生災害是市政管理部門面臨的挑戰(zhàn)之一。

????當前城市市政管網安全管理以人工巡檢為主，比如：自來水公司以聽漏儀和漏水相關儀進行漏水檢測，而燃氣公司當前主要采用燃氣管網檢漏儀進行日常的路面巡檢^[1]。對于各類井室內可燃氣體和有毒氣體，則使用手持式檢測儀。面對著整個城市數量巨大的市政管網和井室，當前采用以人工巡檢為主的模式，其巡檢工作量巨大，往往是漏點還沒有找到或有潛在危險的井室還沒有檢查到，災害事故就已經發(fā)生了。因此，迫切需要應用一種快速高效的檢測技術，以解決當前市政管網安全管理工作量巨大的問題。車載FID檢測技術就是把FID檢測精度與汽車的機動性結合起來，可以解決市政管網安全管理工作量巨大的問題，也可以用于市政管網泄漏早期預警系統(tǒng)。

??? Harley等人于1958年研制成功氫火焰離子化檢測器(Hydrogen Flame Ionization Detector，FID)^[2]。它的基本原理是以氫氣和氮氣的混合氣在空氣中燃燒生成的火焰為能源，當碳氫有機化合物進入氫氣和氧氣燃燒室的火焰中時，在高溫的作用下，產生化學電離反應，電離產生比基流高幾個數量級的離子，在較高直流電場的定向作用下，形成離子流，微弱的離子流(10^-12～10^-8A)產生與進入火焰的碳氫有機化合物量成正比的電流信號，因而電流信號與被測碳氫有機化合物(如甲烷CH₄)的體積分數成正比，體積分數為1×10^-6所對應的電流約為500fA。經過高阻電路(電阻為10⁶～10¹¹Ω)放大后形成電壓信號，此電壓能換算成被測氣體的體積分數。FID結構原理見圖1。

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??? FID的優(yōu)點是對揮發(fā)性的碳氫有機化合物(烴類)均能有很好的測量響應^[3]，對所有烴類化合物(碳原子數≥3)的相對響應值幾乎相等，對含雜原子的烴類有機物中的同系物(碳原子數≥3)的相對響應值也幾乎相等，這給碳氫有機化合物的定量分析帶來很大的方便。它靈敏度高，基流小，線性范圍寬，死體積小，響應快，對氣體流速、壓力變化不敏感。

??? FID至今已有逾50年的發(fā)展歷史，雖然電子技術日新月異，但是FID主體結構仍并無實質性的變化。由于其結構簡單、性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、操作方便等優(yōu)點，因此被廣泛地用作大型實驗室氣相色譜檢測器，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，但是把大型實驗室用氣相色譜檢測器應用到市政管網檢測的車載系統(tǒng)上，還是面臨著許多技術難題。主要表現在：不同于實驗室的靜態(tài)測量，車載FID系統(tǒng)要在行駛的汽車上，因此對樣品預處理、數據記錄等都有特殊要求。

???①?靈敏度要足夠高^[4]。能夠對體積分數為1×10^-6的燃氣有反應，因此即使路面上存在微量的燃氣也能檢測到。

??? ②?響應時間要足夠短。車載FID檢測系統(tǒng)是在行駛中進行檢測，因此必須要求有足夠短的響應時間。FID在全量程內響應時間都很短，檢測器主機的響應時間為1ms，加上整個氣路后的響應時間約5s。

????③ 穩(wěn)定性和重現性好。穩(wěn)定性是指檢測結果是相對穩(wěn)態(tài)，而不是瞬時變化的，零點穩(wěn)定不飄移。重現性是指本次測量和下次測量的結果一致。只有穩(wěn)定的和可重現的測量結果，才可能進行儲存和事后分析處理。

??? ④?量程和線性度非常好。FID的檢測量程達0～10000×10^-6，在全量程內的信號輸出是線性的。

??? ⑤?車載檢測系統(tǒng)首先要解決的是采樣問題。8個可移動泵吸采樣探頭安裝在車外，通過一個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的有效性，而FID卻需要很小的樣品，因此需要一個小泵通過旁路將樣氣送到FID，而剩余的樣氣則通過氣路排出車外。對被測樣氣則通過灰塵過濾系統(tǒng)進行預處理。

??? ⑥?車載檢測系統(tǒng)需要檢測的是甲烷。對于路面上的汽車尾氣等非甲烷碳氫化合物，我們在車載系統(tǒng)中采用高溫氧化過濾技術加以消除。

??? ⑦?要能夠在行駛中向車載檢測系統(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)下都不會干擾汽車的工作狀態(tài)，汽車沒有啟動或下車忘記關閉儀器，汽車電源將受到保護，使汽車和工作儀器都有充足的電源。

??? ⑧?通過輪轂貼加傳感器記錄車速，通過專業(yè)PC上位機軟件，將車速與檢測結果記錄到本機數據庫，或通過GSM把檢測到的預警數據和GPS坐標以短信的方式發(fā)送到指揮中心。以此數據結構為基礎，可以建立基于車載FID檢測技術的市政管網泄漏早期預警系統(tǒng)。

????車載FID檢測系統(tǒng)工作模式共有4套氣路：①燃料氣路，采用體積分數為40%的氫氣和60%的氮氣的混合氣體，燃料氣進入FID的燃燒室，通過點火開關自動點火，產生測量能源；②標準氣氣路，自動或隨時待命標定，以確保車載FID檢測系統(tǒng)的測量精度；③被檢測氣體采樣氣路，通過灰塵過濾器和水氣過濾器，經過流量計，進入氧化室，最后進入FID燃燒室，進行燃氣泄漏濃度的測量，通過FID放大電路將測量值顯示在儀器面板和電腦屏幕上；④多余的采樣氣通過排氣管路排到車外。車載FID檢測系統(tǒng)的構成與工作模式見圖2。

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4?車載FID檢測系統(tǒng)的應用實例分析???????

我們將以上車載FID檢測系統(tǒng)于2004年1月2日實際應用到內蒙古呼和浩特市新安南路和新建西街的市政管網(排水管網和燃氣管網)檢測，取得?了令人滿意的效果。

????采用車載FID檢測系統(tǒng)對排水井可燃氣體(沼氣)檢測曲線見圖3。

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????當時車載FID檢測系統(tǒng)在呼和浩特市新安南路巡檢排水管時，產生如圖3中藍色曲線的3個峰值，在行駛到離出發(fā)點約1000m處：發(fā)現了體積分數為3×10^-6可燃氣體顯示峰值，在約1150m處發(fā)現了體積分數為5×10^-6的可燃氣體顯示峰值，在約1500m處，又發(fā)現了體積分數為2×10^-6的可燃氣體顯示峰值。這正是車載FID檢測系統(tǒng)在巡檢過程中，壓過路面上的3個排水井而顯示的沼氣體積分數，其結果表明此體積分數并沒有超過設定的預警值。

???2004年元月2日，對呼和浩特市新建西街的燃氣管網進行檢漏，當車行駛在新建西街上，報警聲響起，電腦屏幕立即顯示，發(fā)現了有燃氣泄漏的地方。圖4是燃氣管道實際泄漏檢測數據表。為了真實還原這次燃氣泄漏檢查的全過程，從實際記錄的預覽檢測圖中，可以看到該次檢測的檢測結果和其他信息。圖5是燃氣管道實際泄漏檢測曲線。

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