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二氧化碳氣體檢測儀在糧食儲藏工程中的應用
2012-7-11 14:48:31
糧倉二氧化碳濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)在糧食儲藏工程中的應用，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監(jiān)測系統(tǒng)是采用先進的檢測和自控技術實現(xiàn)糧倉
二氧化碳 濃度的全自動測量和數(shù)據處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實現(xiàn)氣調工藝、確保工藝濃度的關鍵，其主要實現(xiàn)的功能為：糧倉CO2數(shù)據的實時自動采集、轉換和傳輸，數(shù)據顯示、打印，數(shù)據的管理(包括數(shù)據記錄、數(shù)據分析處理、報警提示、預留數(shù)據通信等功)，并具有手動和自動操作的切換功能，能實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的開放式設置與調整，便于升級更新、優(yōu)化設置。其系統(tǒng)原理圖如下：
1．概述糧食儲藏工程是集農業(yè)、生物、建筑、環(huán)境保護、化工、儀器儀表、計算機技術等多學科的一項系統(tǒng)工程，隨著我國現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，“綠色糧倉”的建設是當前糧食儲藏行業(yè)的一項重要課題。
在糧食儲藏過程中，為了保證儲糧的品質質量，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)氧乙烷等化學藥劑對糧食進行薰蒸來達到殺滅害蟲的目的。二氧化碳(CO2)氣調儲糧技術的研究早在1917年就進行了殺蟲試驗，40年代后由于廉價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氣調儲糧方式又重新引起了人們的注意，美、日、俄、澳等經濟發(fā)達國家已逐步減少化學藥劑在儲糧上的使用，向低溫、氣調、物理與生物綜合防治的生態(tài)儲糧方向發(fā)展，并在CO2氣調儲糧技術上進行了大量研究與試驗，并進行了成功應用，建立了商業(yè)化使用規(guī)范。
80年代初在澳大利亞就建設了40多億斤氣調倉，最大一個倉容量就達6億斤。60年代以來，我國對CO2氣調儲藏技術也進行了大量探索，“六五”、“七五”期間，成都糧科所利用國家攻關課題對此進行了系統(tǒng)全面研究，從CO2的殺蟲效果、對儲糧霉菌的抑制、對儲糧品質的作用、氣調糧倉的建設等方面進行了大量的研究與小型實倉試驗(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中，于“中央儲備糧綿陽直屬庫”建設了我國第一座萬噸以上規(guī)模的CO2氣調儲糧示范庫。經檢測，其工程建設達到優(yōu)良工程，在國內處于領先水平，在國際上處于先進水平。成都糧科所在進行CO2氣調糧庫的設計中，按照我國糧食倉儲發(fā)展的目標和要求中“六化”和“三高、三低”標準(即：裝備現(xiàn)代化、信息網絡化、管理科學化、經營集約化、監(jiān)測儀器化和人才高素質化；高質量、高效益、高營養(yǎng)、低損耗、低污染、低成本)對綿陽CO2氣調儲糧示范庫進行科學的設計的論證。對于糧倉CO2濃度自動監(jiān)測這一氣調工程的重要環(huán)節(jié)，參照國際上的成功經驗，選用了能連續(xù)工作的GXH-3010D型(流程式)主動式不分光紅外線CO2分析儀，通過在綿陽直屬庫氣調工程中近一年的長期運行，獲得了成功應用，取得了實踐經驗
2.CO2氣調庫簡介采用CO2氣調儲糧技術，就是在密閉性能良好的倉房內充入CO2氣體以改變糧倉內氣體成分的組成，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、延緩糧食品質陳化的效果，從而實現(xiàn)非藥劑、經濟、安全、環(huán)保、保鮮儲糧的目的來進行糧食儲藏的方法。ＣＯ２氣調儲糧工程建設中首次在糧庫中采用了大型供配氣系統(tǒng)進行集中供氣的方式，并采用了糧倉ＣＯ２濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)。其主要設施為ＣＯ２供氣系統(tǒng)、ＣＯ２自動監(jiān)測系統(tǒng)、智能通風控制系統(tǒng)及倉房安全裝置、背負式氧呼吸器等組成。ＣＯ２氣調系統(tǒng)工藝流程示意圖而其中ＣＯ２自動監(jiān)測系統(tǒng)是采用先進的檢測和自控技術實現(xiàn)糧倉CO2濃度的全自動測量和數(shù)據處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實現(xiàn)氣調工藝、確保工藝濃度的關鍵，其主要實現(xiàn)的功能為：糧倉CO2數(shù)據的實時自動采集、轉換和傳輸，數(shù)據顯示、打印，數(shù)據的管理(包括數(shù)據記錄、數(shù)據分析處理、報警提示、預留數(shù)據通信等功能)，并具有手動和自動操作的切換功能，能實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的開放式設置與調整，便于升級更新、優(yōu)化設置。
3.紅外線CO2分析器及氣體濾波相關技術CO2氣調庫的CO2濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由取樣系統(tǒng)、紅外線CO2分析器及計算機遠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監(jiān)控系統(tǒng)的技術水平起到至關重要的作用。由于CO2氣調庫的特殊性，要求測量CO2的量程很寬，為0-100%CO2而且分辯率為0.1%，同時要有良好的重現(xiàn)性。氣調庫每個工作周期約1個月，所以要求儀器長期穩(wěn)定性要達到每周漂移小于±2%。為了達到響應時間快，需要儀器內置小型抽氣泵，以達到負壓主動式取樣。一臺儀器要對庫內多個采樣點進行循環(huán)采樣，最遠的采樣點管路長達幾十米，這就必須在取樣系統(tǒng)中配備大流量的抽氣泵，并由計算機遠程控制，切換取樣點及儀器與抽氣泵的開關狀態(tài)，并由儀器輸出的濃度值對庫內CO2濃度進行調整從而達到閉環(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。最早可以追溯到1938年德國科學家盧福特，他發(fā)明的氣動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。異原子分子的原子間存在振動，所以當連續(xù)的紅外能量照射到被測分子上時，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波長來定性的，非常準確。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(被測氣體)厚度，C為被測氣體濃度。所以當L(即氣室長度)被確定后，I只與C有關，即I=f(C)。通常稱I與L的乘積為光學深度。
當光學深度等于1時，將比爾定律用泰勒級數(shù)展開忽略高次項后，I與C的關系可以近似為線性。具體到氣調庫所使用的紅外線CO2分析器，一個很重要的問題就是要解決如何保證0-100%量程內的線性度。因為當被測氣體濃度很高(接近飽和)時，要想保證光學深度接近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生強大的阻力，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的氣體濾波技術。在國外，紅外線氣體分析器采用氣體濾波技術已經有幾十年歷史了。
我們可以查到20年前英國科學家的氣體濾波相關專利。華云研究所的數(shù)名技術人員曾在1987年遠赴美國大西比公司引進了先進的氣體濾波相關(G、F、C)技術。大西比公司的相關紅外至今在我國環(huán)保領域仍占主流地位。華云研究所研制的GXH-3011系列相關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)定性也是一個重要指標，CO2氣調庫的特殊性不允許經常到現(xiàn)場去調整儀器的零點，所以至少要保證儀器一周的零點漂移不大于百分之二，因此儀器必須整機恒溫，并做到外界溫度變化幾十度時儀器光學部件的溫度變化不大于±2℃。
通過在綿陽庫的運行，不斷總結完善，使整個系統(tǒng)的性能達到了令人滿意的效果，并得出對CO2分析器的要求是：
①必須用響應時間快的主動式紅外線CO2分析器；
②取樣系統(tǒng)的大流量抽氣泵與儀器內置小流量抽氣泵配合使用；
?、跜O2分析器要具有良好的線性度，重復性和長期穩(wěn)定性(即必須用在線式并整機恒溫控制的儀器)；
?、蹸O2分析器要有恒流輸出及電源、泵開關控制接口以便于計算機遠程控制。
4.結論和展望通過綿陽氣調示范庫的建設成功，證明了該項技術在我國的實施應用是可行的，示范庫中采用的GXH-3010D型(流程式)主動式不分光紅外線CO2分析儀極好地解決了氣調倉中 二氧化碳 濃度的自動監(jiān)測問題，對示范的成功起到了關鍵作用。隨著我國經濟的迅速發(fā)展和人們物質文化生活水平的日益提高，對糧油食品的衛(wèi)生、質量要求越來越高，對生態(tài)環(huán)境保護也越來越重視；我國即將加入WTO，糧食參與全球化市場貿易競爭也迫在眉睫，優(yōu)質、新鮮、無污染、無公害的綠色產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氣調庫只是一個示范，氣調儲糧這一國際先進技術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中，經過專家多次論證和國家糧食局領導審批，通過了擴大5個 二氧化碳 氣調試點庫建設的項目。我們認為綿陽庫的示范的成功必將在全國范圍內獲得推廣，并為我國帶來積極的社會效應和巨大的經濟效益。
1．概述糧食儲藏工程是集農業(yè)、生物、建筑、環(huán)境保護、化工、儀器儀表、計算機技術等多學科的一項系統(tǒng)工程，隨著我國現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，“綠色糧倉”的建設是當前糧食儲藏行業(yè)的一項重要課題。
在糧食儲藏過程中，為了保證儲糧的品質質量，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)氧乙烷等化學藥劑對糧食進行薰蒸來達到殺滅害蟲的目的。二氧化碳(CO2)氣調儲糧技術的研究早在1917年就進行了殺蟲試驗，40年代后由于廉價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氣調儲糧方式又重新引起了人們的注意，美、日、俄、澳等經濟發(fā)達國家已逐步減少化學藥劑在儲糧上的使用，向低溫、氣調、物理與生物綜合防治的生態(tài)儲糧方向發(fā)展，并在CO2氣調儲糧技術上進行了大量研究與試驗，并進行了成功應用，建立了商業(yè)化使用規(guī)范。
80年代初在澳大利亞就建設了40多億斤氣調倉，最大一個倉容量就達6億斤。60年代以來，我國對CO2氣調儲藏技術也進行了大量探索，“六五”、“七五”期間，成都糧科所利用國家攻關課題對此進行了系統(tǒng)全面研究，從CO2的殺蟲效果、對儲糧霉菌的抑制、對儲糧品質的作用、氣調糧倉的建設等方面進行了大量的研究與小型實倉試驗(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中，于“中央儲備糧綿陽直屬庫”建設了我國第一座萬噸以上規(guī)模的CO2氣調儲糧示范庫。經檢測，其工程建設達到優(yōu)良工程，在國內處于領先水平，在國際上處于先進水平。成都糧科所在進行CO2氣調糧庫的設計中，按照我國糧食倉儲發(fā)展的目標和要求中“六化”和“三高、三低”標準(即：裝備現(xiàn)代化、信息網絡化、管理科學化、經營集約化、監(jiān)測儀器化和人才高素質化；高質量、高效益、高營養(yǎng)、低損耗、低污染、低成本)對綿陽CO2氣調儲糧示范庫進行科學的設計的論證。對于糧倉CO2濃度自動監(jiān)測這一氣調工程的重要環(huán)節(jié)，參照國際上的成功經驗，選用了能連續(xù)工作的GXH-3010D型(流程式)主動式不分光紅外線CO2分析儀，通過在綿陽直屬庫氣調工程中近一年的長期運行，獲得了成功應用，取得了實踐經驗
2.CO2氣調庫簡介采用CO2氣調儲糧技術，就是在密閉性能良好的倉房內充入CO2氣體以改變糧倉內氣體成分的組成，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、延緩糧食品質陳化的效果，從而實現(xiàn)非藥劑、經濟、安全、環(huán)保、保鮮儲糧的目的來進行糧食儲藏的方法。ＣＯ２氣調儲糧工程建設中首次在糧庫中采用了大型供配氣系統(tǒng)進行集中供氣的方式，并采用了糧倉ＣＯ２濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)。其主要設施為ＣＯ２供氣系統(tǒng)、ＣＯ２自動監(jiān)測系統(tǒng)、智能通風控制系統(tǒng)及倉房安全裝置、背負式氧呼吸器等組成。ＣＯ２氣調系統(tǒng)工藝流程示意圖而其中ＣＯ２自動監(jiān)測系統(tǒng)是采用先進的檢測和自控技術實現(xiàn)糧倉CO2濃度的全自動測量和數(shù)據處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實現(xiàn)氣調工藝、確保工藝濃度的關鍵，其主要實現(xiàn)的功能為：糧倉CO2數(shù)據的實時自動采集、轉換和傳輸，數(shù)據顯示、打印，數(shù)據的管理(包括數(shù)據記錄、數(shù)據分析處理、報警提示、預留數(shù)據通信等功能)，并具有手動和自動操作的切換功能，能實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的開放式設置與調整，便于升級更新、優(yōu)化設置。
3.紅外線CO2分析器及氣體濾波相關技術CO2氣調庫的CO2濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由取樣系統(tǒng)、紅外線CO2分析器及計算機遠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監(jiān)控系統(tǒng)的技術水平起到至關重要的作用。由于CO2氣調庫的特殊性，要求測量CO2的量程很寬，為0-100%CO2而且分辯率為0.1%，同時要有良好的重現(xiàn)性。氣調庫每個工作周期約1個月，所以要求儀器長期穩(wěn)定性要達到每周漂移小于±2%。為了達到響應時間快，需要儀器內置小型抽氣泵，以達到負壓主動式取樣。一臺儀器要對庫內多個采樣點進行循環(huán)采樣，最遠的采樣點管路長達幾十米，這就必須在取樣系統(tǒng)中配備大流量的抽氣泵，并由計算機遠程控制，切換取樣點及儀器與抽氣泵的開關狀態(tài)，并由儀器輸出的濃度值對庫內CO2濃度進行調整從而達到閉環(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。最早可以追溯到1938年德國科學家盧福特，他發(fā)明的氣動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。異原子分子的原子間存在振動，所以當連續(xù)的紅外能量照射到被測分子上時，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波長來定性的，非常準確。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(被測氣體)厚度，C為被測氣體濃度。所以當L(即氣室長度)被確定后，I只與C有關，即I=f(C)。通常稱I與L的乘積為光學深度。
當光學深度等于1時，將比爾定律用泰勒級數(shù)展開忽略高次項后，I與C的關系可以近似為線性。具體到氣調庫所使用的紅外線CO2分析器，一個很重要的問題就是要解決如何保證0-100%量程內的線性度。因為當被測氣體濃度很高(接近飽和)時，要想保證光學深度接近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生強大的阻力，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的氣體濾波技術。在國外，紅外線氣體分析器采用氣體濾波技術已經有幾十年歷史了。
我們可以查到20年前英國科學家的氣體濾波相關專利。華云研究所的數(shù)名技術人員曾在1987年遠赴美國大西比公司引進了先進的氣體濾波相關(G、F、C)技術。大西比公司的相關紅外至今在我國環(huán)保領域仍占主流地位。華云研究所研制的GXH-3011系列相關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)定性也是一個重要指標，CO2氣調庫的特殊性不允許經常到現(xiàn)場去調整儀器的零點，所以至少要保證儀器一周的零點漂移不大于百分之二，因此儀器必須整機恒溫，并做到外界溫度變化幾十度時儀器光學部件的溫度變化不大于±2℃。
通過在綿陽庫的運行，不斷總結完善，使整個系統(tǒng)的性能達到了令人滿意的效果，并得出對CO2分析器的要求是：
①必須用響應時間快的主動式紅外線CO2分析器；
②取樣系統(tǒng)的大流量抽氣泵與儀器內置小流量抽氣泵配合使用；
?、跜O2分析器要具有良好的線性度，重復性和長期穩(wěn)定性(即必須用在線式并整機恒溫控制的儀器)；
?、蹸O2分析器要有恒流輸出及電源、泵開關控制接口以便于計算機遠程控制。
4.結論和展望通過綿陽氣調示范庫的建設成功，證明了該項技術在我國的實施應用是可行的，示范庫中采用的GXH-3010D型(流程式)主動式不分光紅外線CO2分析儀極好地解決了氣調倉中 二氧化碳 濃度的自動監(jiān)測問題，對示范的成功起到了關鍵作用。隨著我國經濟的迅速發(fā)展和人們物質文化生活水平的日益提高，對糧油食品的衛(wèi)生、質量要求越來越高，對生態(tài)環(huán)境保護也越來越重視；我國即將加入WTO，糧食參與全球化市場貿易競爭也迫在眉睫，優(yōu)質、新鮮、無污染、無公害的綠色產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氣調庫只是一個示范，氣調儲糧這一國際先進技術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中，經過專家多次論證和國家糧食局領導審批，通過了擴大5個 二氧化碳 氣調試點庫建設的項目。我們認為綿陽庫的示范的成功必將在全國范圍內獲得推廣，并為我國帶來積極的社會效應和巨大的經濟效益。
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