摘要：分析了氫火焰離子化檢測器(FID)的原理和技術(shù)要求，提出將FID技術(shù)與汽車結(jié)合的市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤z測的車載系統(tǒng)方案。通過實(shí)際應(yīng)用，研究了利用FID技術(shù)，在GIS、GSM和GPS平臺上建立市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤┰缙陬A(yù)警系統(tǒng)的可行性，提出了預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：氫火焰離子化檢測器；車載檢漏系統(tǒng)；燃?xì)庑孤?；市政管網(wǎng)；早期預(yù)警
Research on Early Warning System with Vehicle-mounted FID for Gas Leakage from Municipal Network
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
1 市政管網(wǎng)安全管理面臨的問題
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部大開發(fā)政策的實(shí)施，城市化進(jìn)程不斷加快，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的市政管網(wǎng)也迅速增加，在各個(gè)城市區(qū)域內(nèi)已初步形成大規(guī)模的錯(cuò)綜復(fù)雜的地下市政管網(wǎng)。在地下市政管網(wǎng)快速發(fā)展的同時(shí)，由于管網(wǎng)泄漏所發(fā)生的爆炸、中毒和地面塌陷而導(dǎo)致的次生災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生。因此，如何減少或避免此類次生災(zāi)害是市政管理部門面臨的挑戰(zhàn)之一。
當(dāng)前城市市政管網(wǎng)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(guān)儀進(jìn)行漏水檢測，而燃?xì)夤井?dāng)前主要采用燃?xì)夤芫W(wǎng)檢漏儀進(jìn)行日常的路面巡檢[1]。對于各類井室內(nèi)可燃?xì)怏w和有毒氣體，則使用手持式檢測儀。面對著整個(gè)城市數(shù)量巨大的市政管網(wǎng)和井室，當(dāng)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(diǎn)還沒有找到或有潛在危險(xiǎn)的井室還沒有檢查到，災(zāi)害事故就已經(jīng)發(fā)生了。因此，迫切需要應(yīng)用一種快速高效的檢測技術(shù)，以解決當(dāng)前市政管網(wǎng)安全管理工作量巨大的問題。車載FID檢測技術(shù)就是把FID檢測精度與汽車的機(jī)動(dòng)性結(jié)合起來，可以解決市政管網(wǎng)安全管理工作量巨大的問題，也可以用于市政管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)。
2 車載FID檢測技術(shù)
2.1 FID的原理
Harley等人于1958年研制成功氫火焰離子化檢測器(Hydrogen Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID)[2]。它的基本原理是以氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚庠诳諝庵腥紵傻幕鹧鏋槟茉矗?dāng)碳?xì)溆袡C(jī)化合物進(jìn)入氫氣和氧氣燃燒室的火焰中時(shí)，在高溫的作用下，產(chǎn)生化學(xué)電離反應(yīng)，電離產(chǎn)生比基流高幾個(gè)數(shù)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(chǎn)生與進(jìn)入火焰的碳?xì)溆袡C(jī)化合物量成正比的電流信號，因而電流信號與被測碳?xì)溆袡C(jī)化合物(如甲烷CH4)的體積分?jǐn)?shù)成正比，體積分?jǐn)?shù)為1×10-6所對應(yīng)的電流約為500fA。經(jīng)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?jǐn)?shù)。FID結(jié)構(gòu)原理見圖1。
FID的優(yōu)點(diǎn)是對揮發(fā)性的碳?xì)溆袡C(jī)化合物(烴類)均能有很好的測量響應(yīng)[3]，對所有烴類化合物(碳原子數(shù)≥3)的相對響應(yīng)值幾乎相等，對含雜原子的烴類有機(jī)物中的同系物(碳原子數(shù)≥3)的相對響應(yīng)值也幾乎相等，這給碳?xì)溆袡C(jī)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(yīng)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(shù)日新月異，但是FID主體結(jié)構(gòu)仍并無實(shí)質(zhì)性的變化。由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用作大型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室用氣相色譜檢測器應(yīng)用到市政管網(wǎng)檢測的車載系統(tǒng)上，還是面臨著許多技術(shù)難題。主要表現(xiàn)在：不同于實(shí)驗(yàn)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(yù)處理、數(shù)據(jù)記錄等都有特殊要求。
2.2 車載FID檢測系統(tǒng)的技術(shù)要求
① 靈敏度要足夠高[4]。能夠?qū)w積分?jǐn)?shù)為1×10-6的燃?xì)庥蟹磻?yīng)，因此即使路面上存在微量的燃?xì)庖材軝z測到。
② 響應(yīng)時(shí)間要足夠短。車載FID檢測系統(tǒng)是在行駛中進(jìn)行檢測，因此必須要求有足夠短的響應(yīng)時(shí)間。FID在全量程內(nèi)響應(yīng)時(shí)間都很短，檢測器主機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為1ms，加上整個(gè)氣路后的響應(yīng)時(shí)間約5s。
③ 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好。穩(wěn)定性是指檢測結(jié)果是相對穩(wěn)態(tài)，而不是瞬時(shí)變化的，零點(diǎn)穩(wěn)定不飄移。重現(xiàn)性是指本次測量和下次測量的結(jié)果一致。只有穩(wěn)定的和可重現(xiàn)的測量結(jié)果，才可能進(jìn)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(dá)0～10000×10-6，在全量程內(nèi)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(gè)可移動(dòng)泵吸采樣探頭安裝在車外，通過一個(gè)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(gè)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(jìn)行預(yù)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?xì)浠衔?，我們在車載系統(tǒng)中采用高溫氧化過濾技術(shù)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(jī)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(dòng)或下車忘記關(guān)閉儀器，汽車電源將受到保護(hù)，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(jī)軟件，將車速與檢測結(jié)果記錄到本機(jī)數(shù)據(jù)庫，或通過GSM把檢測到的預(yù)警數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)以短信的方式發(fā)送到指揮中心。以此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可以建立基于車載FID檢測技術(shù)的市政管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)。
3 車載FID檢測系統(tǒng)的構(gòu)成與工作模式
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?jǐn)?shù)為40%的氫氣和60%的氮?dú)獾幕旌蠚怏w，燃料氣進(jìn)入FID的燃燒室，通過點(diǎn)火開關(guān)自動(dòng)點(diǎn)火，產(chǎn)生測量能源；②標(biāo)準(zhǔn)氣氣路，自動(dòng)或隨時(shí)待命標(biāo)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(jīng)過流量計(jì)，進(jìn)入氧化室，最后進(jìn)入FID燃燒室，進(jìn)行燃?xì)庑孤舛鹊臏y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(gòu)成與工作模式見圖2。
4 車載FID檢測系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例分析
我們將以上車載FID檢測系統(tǒng)于2004年1月2日實(shí)際應(yīng)用到內(nèi)蒙古呼和浩特市新安南路和新建西街的市政管網(wǎng)(排水管網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng))檢測，取得 了令人滿意的效果。
4.1 對排水井的檢測
采用車載FID檢測系統(tǒng)對排水井可燃?xì)怏w(沼氣)檢測曲線見圖3。
當(dāng)時(shí)車載FID檢測系統(tǒng)在呼和浩特市新安南路巡檢排水管時(shí)，產(chǎn)生如圖3中藍(lán)色曲線的3個(gè)峰值，在行駛到離出發(fā)點(diǎn)約1000m處：發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為3×10-6可燃?xì)怏w顯示峰值，在約1150m處發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為5×10-6的可燃?xì)怏w顯示峰值，在約1500m處，又發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為2×10-6的可燃?xì)怏w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(gè)排水井而顯示的沼氣體積分?jǐn)?shù)，其結(jié)果表明此體積分?jǐn)?shù)并沒有超過設(shè)定的預(yù)警值。
4.2 對燃?xì)夤芫W(wǎng)的巡檢
2004年元月2日，對呼和浩特市新建西街的燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行檢漏，當(dāng)車行駛在新建西街上，報(bào)警聲響起，電腦屏幕立即顯示，發(fā)現(xiàn)了有燃?xì)庑孤┑牡胤?。圖4是燃?xì)夤艿缹?shí)際泄漏檢測數(shù)據(jù)表。為了真實(shí)還原這次燃?xì)庑孤z查的全過程，從實(shí)際記錄的預(yù)覽檢測圖中，可以看到該次檢測的檢測結(jié)果和其他信息。圖5是燃?xì)夤艿缹?shí)際泄漏檢測曲線。
在圖5的上部記錄了檢漏車當(dāng)班的操作者姓名、檢漏車當(dāng)時(shí)巡檢的道路名稱、檢漏車巡檢的日期和時(shí)間。
在圖5的右側(cè)記錄了上次標(biāo)準(zhǔn)氣標(biāo)定的時(shí)間和結(jié)果；記錄了檢漏車本次巡檢結(jié)果，在新建西街共檢查道路2128m，發(fā)現(xiàn)了6個(gè)漏點(diǎn)。
在圖5的中部，藍(lán)色曲線表示泄漏燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)。檢漏車在新建西街的571～600m處發(fā)現(xiàn)有燃?xì)庑孤c(diǎn)，首先出現(xiàn)的泄漏燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)峰值為16×10-6，緊接著是12×10-6，最后到十字路口，泄漏燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值38×10-6。
圖5中的黑橫線，是我們當(dāng)時(shí)對路上達(dá)到預(yù)警值的位置(疑似漏點(diǎn))所作的注釋，在上面注釋“十字路口”4個(gè)字，以方便巡檢后再次察看。
圖5中綠色曲線為車的行駛速度，檢漏車一般以15～30km/h的速度行駛，這樣車載系統(tǒng)可以記錄行駛里程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似漏點(diǎn)時(shí)，就可以標(biāo)注泄漏位置，保證巡檢的質(zhì)量。紅色直線表示當(dāng)時(shí)巡檢設(shè)置的燃?xì)庑孤┑念A(yù)警值體積分?jǐn)?shù)為8×10-6。圖4是測量曲線以表格形式儲存的結(jié)果數(shù)據(jù)，以表格的形式儲存在本機(jī)數(shù)據(jù)庫里。
通過對測量結(jié)果的評估，我們認(rèn)為：在新建西街的571～600m處有燃?xì)庑孤┛梢牲c(diǎn)。第2天上午通過核查，判斷在馬路一側(cè)的人行道上存在燃?xì)夤艿佬孤Ｍㄟ^現(xiàn)場開挖確認(rèn)，立即組織搶修作業(yè)，避免了可能發(fā)生的次生災(zāi)害。
5 市政管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)
基于車載FID檢測技術(shù)雖然可以大幅度地提高檢測效率，檢測結(jié)果可以和筆記本電腦的GIS整合到一起，結(jié)果儲存到當(dāng)?shù)氐臄?shù)據(jù)庫中，但是這只能做到局部區(qū)域管網(wǎng)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)管理。當(dāng)需要建立整個(gè)城市的管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，車載FID檢測系統(tǒng)則只能作為整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵信息節(jié)點(diǎn)。將車載FID檢測技術(shù)通過GSM/GPS與GIS平臺結(jié)合起來[5]，才能構(gòu)筑起整個(gè)城市的管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)。市政管網(wǎng)泄漏早期預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系見圖6。
市政管網(wǎng)GIS系統(tǒng)，一般大中城市都已經(jīng)建立，主要提供城市道路、管網(wǎng)地鯉坐標(biāo)和管網(wǎng)特征屬性等基礎(chǔ)信息和起到基礎(chǔ)平臺作用。
決策知識庫是最重要的部分，因?yàn)檫@是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評估、應(yīng)急預(yù)案實(shí)施的依據(jù)。它主要包括預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，一方面是對可能引發(fā)災(zāi)害的參數(shù)的直接判斷；另一方面是管理規(guī)則，包括系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則、設(shè)備使用規(guī)則、人員培訓(xùn)規(guī)則等。例如，對管網(wǎng)的最大移動(dòng)巡檢周期，德國DVGW的技術(shù)規(guī)范G4651作出表1規(guī)定[6]。
除此之外，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，還要考慮已使用年限、管材、施工工藝、埋設(shè)地段、周圍環(huán)境等參數(shù)。
經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，我們得出：表征泄漏危險(xiǎn)程度的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是泄漏燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)和爆炸極限。因此，分別給出了針對路面巡檢(車載巡檢和人工巡檢)與固定點(diǎn)檢測的管道泄漏預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，見表2。我們把檢測結(jié)果與緊急預(yù)案按照慣例用色標(biāo)表示，分4級，分別用綠色、黃色、橙色、紅色表示。
表1 管網(wǎng)最大巡檢周期
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每1 km管道的漏點(diǎn)檢出率/個(gè)
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＜0.1
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＜0.5
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＜1.0
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管網(wǎng)巡檢周期/年
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管網(wǎng)運(yùn)行壓力＜0.1MPa
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6.0①
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4.0
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2.0
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管網(wǎng)運(yùn)行壓力=0.01～0.10MPa
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4.0①
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2.0
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1.0
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管網(wǎng)運(yùn)行壓力1.0MPa
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2.0①
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1.0
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0.5
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注：①只適合PE管和有陰極保護(hù)的鋼管。
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表2 市政管網(wǎng)泄漏預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)
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路面巡檢
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車載FID巡檢泄漏燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)/10-6
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[0，2]
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[2，5]
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[5，10]
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[10，∞]
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人工巡檢泄漏燃?xì)獾捏w積分
數(shù)/10-6
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[0，5]
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[5，10]
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[10，20]
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[20，∞]
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判斷
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地下管道基本正常
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地下管道很可能泄漏
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地下管道基本上有泄漏，要查明
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地下管道有泄漏，要查明
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固定點(diǎn)檢測
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泄漏燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)與爆炸下限(體積分?jǐn)?shù))之比
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[0，0.2]
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[0.2，0.5]
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[0.5，0.7]
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[0.7，1.0]
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判斷
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井中基本安全
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井中很可能有泄漏，要引起注意
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有泄漏，可能發(fā)生危險(xiǎn)
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很危險(xiǎn)，要采取措施
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緊急預(yù)案色標(biāo)
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綠色
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黃色
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橙色
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紅色
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緊急預(yù)案內(nèi)容
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正常運(yùn)行
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可能有問題
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有問題，要搶修
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要搶修，疏散人員
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6 結(jié)論
① 通過理論分析和實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)室大型色譜分析FID檢測器采取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用到市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤z測是可行的。目前車載FID檢測技術(shù)是市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤z測可行和可靠的檢測方法之一。
② 提出了以車載FID檢測技術(shù)為信息節(jié)點(diǎn)，在GIS、GSM和GPS平臺上建立市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤┰缙陬A(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架的可行性。
③ 提出了市政管網(wǎng)燃?xì)庑孤┰缙陬A(yù)警的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 高順利，顏丹平，于燕平，等.綜合檢測儀在天然氣管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2008，28(9)：B33-B36。
[2] MCWILLIAM I G. The origin of the flame ionization detector[J].Chromatographia，1983，17(5)：241-243.
[3] 封躍鵬，丘赫男.填充柱使用尾吹氣對FID檢測器靈敏度的影響[J].現(xiàn)代儀器，2005，(4)：42-43.
[4] 葉滿英，朱濟(jì)洲.氫火焰離子化檢測器的靈敏度、穩(wěn)定性與線性[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，1996，(2)：58-59.
[5] 尹貽林，林廣利.基于GIS天津市燃?xì)夤芫W(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(6)：104-108.
[6] G4651，DVGW Technical Rules on Gas Pipeline Inspection(2000)[S].
(本文作者：孫立國1 周玉文1 部敬孝2 1.北京工業(yè)大學(xué) 北京 100022；2.呼和浩特中燃城市燃?xì)獍l(fā)展有限公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000)
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