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二氧化碳?xì)怏w檢測儀在糧食儲藏工程中的應(yīng)用

2012-7-11 14:48:31

糧倉二氧化碳濃度自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在糧食儲藏工程中的應(yīng)用，用紅外線氣體分析器監(jiān)測糧倉CO2濃度精度高，性能可靠，能夠長期連續(xù)在線測量，為氣調(diào)糧庫的 二氧化碳 濃度控制提供了有效途徑。而其中二氧化碳自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是采用先進(jìn)的檢測和自控技術(shù)實(shí)現(xiàn)糧倉二氧化碳濃度的全自動(dòng)測量和數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)氣調(diào)工藝、確保工藝濃度的關(guān)鍵，其主要實(shí)現(xiàn)的功能為：糧倉CO2數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、轉(zhuǎn)換和傳輸，數(shù)據(jù)顯示、打印，數(shù)據(jù)的管理(包括數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析處理、報(bào)警提示、預(yù)留數(shù)據(jù)通信等功)，并具有手動(dòng)和自動(dòng)操作的切換功能，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的開放式設(shè)置與調(diào)整，便于升級更新、優(yōu)化設(shè)置。其系統(tǒng)原理圖如下：
　　
　　1．概述糧食儲藏工程是集農(nóng)業(yè)、生物、建筑、環(huán)境保護(hù)、化工、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，“綠色糧倉”的建設(shè)是當(dāng)前糧食儲藏行業(yè)的一項(xiàng)重要課題。
　　
　　在糧食儲藏過程中，為了保證儲糧的品質(zhì)質(zhì)量，必須防止糧食中的儲糧害蟲、霉菌為害。長期以來，我國通常采用磷化氫、環(huán)氧乙烷等化學(xué)藥劑對糧食進(jìn)行薰蒸來達(dá)到殺滅害蟲的目的。二氧化碳(CO2)氣調(diào)儲糧技術(shù)的研究早在1917年就進(jìn)行了殺蟲試驗(yàn)，40年代后由于廉價(jià)殺蟲劑的使用限制了它的發(fā)展，爾后殺蟲劑的殘留、對環(huán)境的污染、對生態(tài)環(huán)境的破壞及害蟲抗藥性增加等問題日益引起人們的重視，對天然綠色食品的需求，使CO2氣調(diào)儲糧方式又重新引起了人們的注意，美、日、俄、澳等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家已逐步減少化學(xué)藥劑在儲糧上的使用，向低溫、氣調(diào)、物理與生物綜合防治的生態(tài)儲糧方向發(fā)展，并在CO2氣調(diào)儲糧技術(shù)上進(jìn)行了大量研究與試驗(yàn)，并進(jìn)行了成功應(yīng)用，建立了商業(yè)化使用規(guī)范。
　　
　　80年代初在澳大利亞就建設(shè)了40多億斤氣調(diào)倉，最大一個(gè)倉容量就達(dá)6億斤。60年代以來，我國對CO2氣調(diào)儲藏技術(shù)也進(jìn)行了大量探索，“六五”、“七五”期間，成都糧科所利用國家攻關(guān)課題對此進(jìn)行了系統(tǒng)全面研究，從CO2的殺蟲效果、對儲糧霉菌的抑制、對儲糧品質(zhì)的作用、氣調(diào)糧倉的建設(shè)等方面進(jìn)行了大量的研究與小型實(shí)倉試驗(yàn)(100萬斤)，獲得了理想的效果。
　　
　　在國家糧食局、中儲糧總公司的重視下，在2000年的200億斤國家儲備糧庫建設(shè)中，于“中央儲備糧綿陽直屬庫”建設(shè)了我國第一座萬噸以上規(guī)模的CO2氣調(diào)儲糧示范庫。經(jīng)檢測，其工程建設(shè)達(dá)到優(yōu)良工程，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，在國際上處于先進(jìn)水平。成都糧科所在進(jìn)行CO2氣調(diào)糧庫的設(shè)計(jì)中，按照我國糧食倉儲發(fā)展的目標(biāo)和要求中“六化”和“三高、三低”標(biāo)準(zhǔn)(即：裝備現(xiàn)代化、信息網(wǎng)絡(luò)化、管理科學(xué)化、經(jīng)營集約化、監(jiān)測儀器化和人才高素質(zhì)化；高質(zhì)量、高效益、高營養(yǎng)、低損耗、低污染、低成本)對綿陽CO2氣調(diào)儲糧示范庫進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)的論證。對于糧倉CO2濃度自動(dòng)監(jiān)測這一氣調(diào)工程的重要環(huán)節(jié)，參照國際上的成功經(jīng)驗(yàn)，選用了能連續(xù)工作的GXH-3010D型(流程式)主動(dòng)式不分光紅外線CO2分析儀，通過在綿陽直屬庫氣調(diào)工程中近一年的長期運(yùn)行，獲得了成功應(yīng)用，取得了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
　　
　　2.CO2氣調(diào)庫簡介采用CO2氣調(diào)儲糧技術(shù)，就是在密閉性能良好的倉房內(nèi)充入CO2氣體以改變糧倉內(nèi)氣體成分的組成，破壞害蟲及霉菌生態(tài)環(huán)境，抑制糧食生理呼吸，起到防蟲、殺蟲、抑菌、延緩糧食品質(zhì)陳化的效果，從而實(shí)現(xiàn)非藥劑、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、保鮮儲糧的目的來進(jìn)行糧食儲藏的方法。ＣＯ２氣調(diào)儲糧工程建設(shè)中首次在糧庫中采用了大型供配氣系統(tǒng)進(jìn)行集中供氣的方式，并采用了糧倉ＣＯ２濃度自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。其主要設(shè)施為ＣＯ２供氣系統(tǒng)、ＣＯ２自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、智能通風(fēng)控制系統(tǒng)及倉房安全裝置、背負(fù)式氧呼吸器等組成。ＣＯ２氣調(diào)系統(tǒng)工藝流程示意圖而其中ＣＯ２自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是采用先進(jìn)的檢測和自控技術(shù)實(shí)現(xiàn)糧倉CO2濃度的全自動(dòng)測量和數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)氣調(diào)工藝、確保工藝濃度的關(guān)鍵，其主要實(shí)現(xiàn)的功能為：糧倉CO2數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、轉(zhuǎn)換和傳輸，數(shù)據(jù)顯示、打印，數(shù)據(jù)的管理(包括數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析處理、報(bào)警提示、預(yù)留數(shù)據(jù)通信等功能)，并具有手動(dòng)和自動(dòng)操作的切換功能，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的開放式設(shè)置與調(diào)整，便于升級更新、優(yōu)化設(shè)置。
　　
　　3.紅外線CO2分析器及氣體濾波相關(guān)技術(shù)CO2氣調(diào)庫的CO2濃度自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由取樣系統(tǒng)、紅外線CO2分析器及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程智能化控制三部分組成。其中紅外線CO2分析器的性能對整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平起到至關(guān)重要的作用。由于CO2氣調(diào)庫的特殊性，要求測量CO2的量程很寬，為0-100%CO2而且分辯率為0.1%，同時(shí)要有良好的重現(xiàn)性。氣調(diào)庫每個(gè)工作周期約1個(gè)月，所以要求儀器長期穩(wěn)定性要達(dá)到每周漂移小于±2%。為了達(dá)到響應(yīng)時(shí)間快，需要儀器內(nèi)置小型抽氣泵，以達(dá)到負(fù)壓主動(dòng)式取樣。一臺儀器要對庫內(nèi)多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)采樣，最遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)管路長達(dá)幾十米，這就必須在取樣系統(tǒng)中配備大流量的抽氣泵，并由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，切換取樣點(diǎn)及儀器與抽氣泵的開關(guān)狀態(tài)，并由儀器輸出的濃度值對庫內(nèi)CO2濃度進(jìn)行調(diào)整從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的。紅外線氣體分析器能分析被測氣體是基于異原子分子在近紅外區(qū)有選擇性吸收的特點(diǎn)。最早可以追溯到1938年德國科學(xué)家盧福特，他發(fā)明的氣動(dòng)式紅外線氣體分析器能分析被測氣體是基于異原子分子在近紅外區(qū)有選擇性吸收的特點(diǎn)。異原子分子的原子間存在振動(dòng)，所以當(dāng)連續(xù)的紅外能量照射到被測分子上時(shí)，被測分子會吸收相同波長的能量而使該波長的紅外線衰減，所以紅外線分析器是由異原子分子間不同的振動(dòng)波長來定性的，非常準(zhǔn)確。而同原子分子或單原子分子不吸收紅外線能量，也就是說以空氣為背景的被測氣體，空氣中的N2或O2等對被測氣體不產(chǎn)生干擾誤差。
　　
　　對被測氣體的定量是基于比爾定律，即I=I0e-KCL。式中I0是原始能量，K是氣體吸收常數(shù)，L為介質(zhì)(被測氣體)厚度，C為被測氣體濃度。所以當(dāng)L(即氣室長度)被確定后，I只與C有關(guān)，即I=f(C)。通常稱I與L的乘積為光學(xué)深度。
　　
　　當(dāng)光學(xué)深度等于1時(shí)，將比爾定律用泰勒級數(shù)展開忽略高次項(xiàng)后，I與C的關(guān)系可以近似為線性。具體到氣調(diào)庫所使用的紅外線CO2分析器，一個(gè)很重要的問題就是要解決如何保證0-100%量程內(nèi)的線性度。因?yàn)楫?dāng)被測氣體濃度很高(接近飽和)時(shí)，要想保證光學(xué)深度接近1，就必須減小L，小到工件的加工幾乎是不可能的，即使加工出來，也由于氣室非常窄小而產(chǎn)生強(qiáng)大的阻力，而且極輕微的污染就會改變氣室長度而影響重現(xiàn)性。GXH-3010D型CO2分析器作到了在不犧牲儀器可靠性及穩(wěn)定性的前提下保證儀器的線性度，主要是采用了國際上先進(jìn)的氣體濾波技術(shù)。在國外，紅外線氣體分析器采用氣體濾波技術(shù)已經(jīng)有幾十年歷史了。
　　
　　我們可以查到20年前英國科學(xué)家的氣體濾波相關(guān)專利。華云研究所的數(shù)名技術(shù)人員曾在1987年遠(yuǎn)赴美國大西比公司引進(jìn)了先進(jìn)的氣體濾波相關(guān)(G、F、C)技術(shù)。大西比公司的相關(guān)紅外至今在我國環(huán)保領(lǐng)域仍占主流地位。華云研究所研制的GXH-3011系列相關(guān)CO分析儀自92年投放市場至今，在衛(wèi)生防疫部門仍占90%以上的市場份額。儀器的長期穩(wěn)定性也是一個(gè)重要指標(biāo)，CO2氣調(diào)庫的特殊性不允許經(jīng)常到現(xiàn)場去調(diào)整儀器的零點(diǎn)，所以至少要保證儀器一周的零點(diǎn)漂移不大于百分之二，因此儀器必須整機(jī)恒溫，并做到外界溫度變化幾十度時(shí)儀器光學(xué)部件的溫度變化不大于±2℃。
　　
　　通過在綿陽庫的運(yùn)行，不斷總結(jié)完善，使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到了令人滿意的效果，并得出對CO2分析器的要求是：
　　
　　①必須用響應(yīng)時(shí)間快的主動(dòng)式紅外線CO2分析器；
　　
　　②取樣系統(tǒng)的大流量抽氣泵與儀器內(nèi)置小流量抽氣泵配合使用；
　　
　　③CO2分析器要具有良好的線性度，重復(fù)性和長期穩(wěn)定性(即必須用在線式并整機(jī)恒溫控制的儀器)；
　　
　?、蹸O2分析器要有恒流輸出及電源、泵開關(guān)控制接口以便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。
　　
　　4.結(jié)論和展望通過綿陽氣調(diào)示范庫的建設(shè)成功，證明了該項(xiàng)技術(shù)在我國的實(shí)施應(yīng)用是可行的，示范庫中采用的GXH-3010D型(流程式)主動(dòng)式不分光紅外線CO2分析儀極好地解決了氣調(diào)倉中 二氧化碳 濃度的自動(dòng)監(jiān)測問題，對示范的成功起到了關(guān)鍵作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的日益提高，對糧油食品的衛(wèi)生、質(zhì)量要求越來越高，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)也越來越重視；我國即將加入WTO，糧食參與全球化市場貿(mào)易競爭也迫在眉睫，優(yōu)質(zhì)、新鮮、無污染、無公害的綠色產(chǎn)品將是未來糧食市場發(fā)展的必然趨勢。而“綠色糧庫”的概念也必將被廣大人們所接受。中央儲備糧綿陽直屬庫建成的CO2氣調(diào)庫只是一個(gè)示范，氣調(diào)儲糧這一國際先進(jìn)技術(shù)還正在我國處在推廣階段，今年在國家2001年200億斤國家糧庫建設(shè)中，經(jīng)過專家多次論證和國家糧食局領(lǐng)導(dǎo)審批，通過了擴(kuò)大5個(gè) 二氧化碳 氣調(diào)試點(diǎn)庫建設(shè)的項(xiàng)目。我們認(rèn)為綿陽庫的示范的成功必將在全國范圍內(nèi)獲得推廣，并為我國帶來積極的社會效應(yīng)和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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