二氧化碳气体检测仪在粮食储藏工程中的应用

本文介绍了粮仓CO2浓度自动监测系统在粮食储藏工程中的应用，用红外线气体分析器监测粮仓CO2浓度精度高，性能可靠，能够长期连续在线测量，为气调粮库的CO2浓度控制提供了有效途径。而其中CO2自动监测系统是采用先进的检测和自控技术实现粮仓CO2浓度的全自动测量和数据处理的系统。该系统是实现气调工艺、确保工艺浓度的关键，其主要实现的功能为：粮仓CO2数据的实时自动采集、转换和传输，数据显示、打印，数据的管理（包括数据记录、数据分析处理、报警提示、预留数据通信等功），并具有手动和自动操作的切换功能，能实现系统参数的开放式设置与调整，便于升级更新、优化设置。其系统原理如下：
　　1．概述粮食储藏工程是集农业、生物、建筑、环境保护、化工、仪器仪表、计算机技术等多学科的一项系统工程，随着我国现代化建设的快速发展，绿色粮仓的建设是当前粮食储藏行业的一项重要课题。

　　在粮食储藏过程中，为了保证储粮的品质质量，必须防止粮食中的储粮害虫、霉菌为害。长期以来，我国通常采用磷化氢、环氧乙烷等化学药剂对粮食进行薰蒸来达到杀灭害虫的目的。二氧化碳（CO2）气调储粮技术的研究早在1917年就进行了杀虫试验，40年代后由于廉价杀虫剂的使用限制了它的发展，尔后杀虫剂的残留、对环境的污染、对生态环境的破坏及害虫抗药性增加等问题日益引起人们的重视，对天然绿色食品的需求，使CO2气调储粮方式又重新引起了人们的注意，美、日、俄、澳等经济发达国家已逐步减少化学药剂在储粮上的使用，向低温、气调、物理与生物综合防治的生态储粮方向发展，并在 CO2气调储粮技术上进行了大量研究与试验，并进行了成功应用，建立了商业化使用规范。

　　80年代初在澳大利亚就建设了40多亿斤气调仓，最大一个仓容量就达6亿斤。60年代以来，我国对CO2气调储藏技术也进行了大量探索，“六五”、“七五”期间，成都粮科所利用国家攻关课题对此进行了系统全面研究，从CO2的杀虫效果、对储粮霉菌的抑制、对储粮品质的作用、气调粮仓的建设等方面进行了大量的研究与小型实仓试验（100万斤），获得了理想的效果。

　　在国家粮食局、中储粮总公司的重视下，在2000年的200亿斤国家储备粮库建设中，于“中央储备粮绵阳直属库”建设了我国第一座万吨以上规模的CO2气调储粮示范库。经检测，其工程建设达到优良工程，在国内处于领先水平，在国际上处于先进水平。成都粮科所在进行CO2气调粮库的设计中，按照我国粮食仓储发展的目标和要求中六化和三高、三低标准（即：装备现代化、信息网络化、管理科学化、经营集约化、监测仪器化和人才高素质化；高质量、高效益、高营养、低损耗、低污染、低成本）对绵阳CO2气调储粮示范库进行科学的设计的论证。对于粮仓CO2浓度自动监测这一气调工程的重要环节，参照国际上的成功经验，选用了能连续工作的GXH-3010D型（流程式）主动式不分光红外线CO2分析仪，通过在绵阳直属库气调工程中近一年的长期运行，获得了成功应用，取得了实践经验。

　　2.CO2气调库简介采用CO2气调储粮技术，就是在密闭性能良好的仓房内充入CO2气体以改变粮仓内气体成分的组成，破坏害虫及霉菌生态环境，抑制粮食生理呼吸，起到防虫、杀虫、抑菌、延缓粮食品质陈化的效果，从而实现非药剂、经济、安全、环保、保鲜储粮的目的来进行粮食储藏的方法。ＣＯ２气调储粮工程建设中首次在粮库中采用了大型供配气系统进行集中供气的方式，并采用了粮仓ＣＯ２浓度自动监测系统。其主要设施为ＣＯ２供气系统、ＣＯ２自动监测系统、智能通风控制系统及仓房安全装置、背负式氧呼吸器等组成。ＣＯ２气调系统工艺流程示意图而其中ＣＯ２自动监测系统是采用先进的检测和自控技术实现粮仓CO2浓度的全自动测量和数据处理的系统。该系统是实现气调工艺、确保工艺浓度的关键，其主要实现的功能为：粮仓CO2数据的实时自动采集、转换和传输，数据显示、打印，数据的管理（包括数据记录、数据分析处理、报警提示、预留数据通信等功能），并具有手动和自动操作的切换功能，能实现系统参数的开放式设置与调整，便于升级更新、优化设置。

　　3.红外线CO2分析器及气体滤波相关技术CO2气调库的CO2浓度自动监测系统主要由取样系统、红外线CO2分析器及计算机远程智能化控制三部分组成。其中红外线CO2分析器的性能对整个监控系统的技术水平起到至关重要的作用。由于CO2气调库的特殊性，要求测量CO2的量程很宽，为0-100%CO2而且分辩率为0.1%，同时要有良好的重现性。气调库每个工作周期约1个月，所以要求仪器长期稳定性要达到每周漂移小于±2%。为了达到响应时间快，需要仪器内置小型抽气泵，以达到负压主动式取样。一台仪器要对库内多个采样点进行循环采样，最远的采样点管路长达几十米，这就必须在取样系统中配备大流量的抽气泵，并由计算机远程控制，切换取样点及仪器与抽气泵的开关状态，并由仪器输出的浓度值对库内CO2浓度进行调整从而达到闭环控制的目的。红外线气体分析器能分析被测气体是基于异原子分子在近红外区有选择性吸收的特点。最早可以追溯到1938年德国科学家卢福特，他发明的气动式红外线气体分析器能分析被测气体是基于异原子分子在近红外区有选择性吸收的特点。异原子分子的原子间存在振动，所以当连续的红外能量照射到被测分子上时，被测分子会吸收相同波长的能量而使该波长的红外线衰减，所以红外线分析器是由异原子分子间不同的振动波长来定性的，非常准确。而同原子分子或单原子分子不吸收红外线能量，也就是说以空气为背景的被测气体，空气中的N2或O2等对被测气体不产生干扰误差。

　　对被测气体的定量是基于比尔定律，即I=I0e-KCL。式中I0是原始能量，K是气体吸收常数，L为介质（被测气体）厚度，C为被测气体浓度。所以当L（即气室长度）被确定后，I只与C有关，即I=f（C）。通常称I与L的乘积为光学深度。

　　当光学深度等于1时，将比尔定律用泰勒级数展开忽略高次项后，I与C的关系可以近似为线性。具体到气调库所使用的红外线CO2分析器，一个很重要的问题就是要解决如何保证0-100%量程内的线性度。因为当被测气体浓度很高（接近饱和）时，要想保证光学深度接近1，就必须减小L，小到工件的加工几乎是不可能的，即使加工出来，也由于气室非常窄小而产生强大的阻力，而且极轻微的污染就会改变气室长度而影响重现性。GXH-3010D型CO2分析器作到了在不牺牲仪器可靠性及稳定性的前提下保证仪器的线性度，主要是采用了国际上先进的气体滤波技术。在国外，红外线气体分析器采用气体滤波技术已经有几十年历史了。

　　我们可以查到20年前英国科学家的气体滤波相关专利。华云研究所的数名技术人员曾在1987年远赴美国引进了先进的气体滤波相关（G、F、C）技术。相关红外至今在我国环保领域仍占主流地位。研究所研制的GXH-3011系列相关CO分析仪自92年投放市场至今，在卫生防疫部门仍占90%以上的市场份额。仪器的长期稳定性也是一个重要指标，CO2气调库的特殊性不允许经常到现场去调整仪器的零点，所以至少要保证仪器一周的零点漂移不大于百分之二，因此仪器必须整机恒温，并做到外界温度变化几十度时仪器光学部件的温度变化不大于±2℃。

　　通过在绵阳库的运行，不断总结完善，使整个系统的性能达到了令人满意的效果，并得出对CO2分析器的要求是：

　　①必须用响应时间快的主动式红外线CO2分析器；

　　②取样系统的大流量抽气泵与仪器内置小流量抽气泵配合使用；

　　③CO2分析器要具有良好的线性度，重复性和长期稳定性（即必须用在线式并整机恒温控制的仪器）；

　　④CO2分析器要有恒流输出及电源、泵开关控制接口以便于计算机远程控制。

　　4.结论和展望通过绵阳气调示范库的建设成功，证明了该项技术在我国的实施应用是可行的，示范库中采用的GXH-3010D型（流程式）主动式不分光红外线CO2分析仪极好地解决了气调仓中CO2浓度的自动监测问题，对示范的成功起到了关键作用。随着我国经济的迅速发展和人们物质文化生活水平的日益提高，对粮油食品的卫生、质量要求越来越高，对生态环境保护也越来越重视；我国即将加入WTO，粮食参与全球化市场贸易竞争也迫在眉睫，优质、新鲜、无污染、无公害的绿色产品将是未来粮食市场发展的必然趋势。而“绿色粮库”的概念也必将被广大人们所接受。中央储备粮绵阳直属库建成的CO2气调库只是一个示范，气调储粮这一国际先进技术还正在我国处在推广阶段，今年在国家2001年200亿斤国家粮库建设中，经过专家多次论证和国家粮食局领导审批，通过了扩大5个CO2气调试点库建设的项目。我们认为绵阳库的示范的成功必将在全国范围内获得推广，并为我国带来积极的社会效应和巨大的经济效益。