【正文】 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 1 第 1 章 緒 論 氣體甲烷濃度測試系統(tǒng)研究 目的和意義 天然氣（主要成分甲烷）是大自然給予我們的巨大財富，它已日漸成為人們生產、生活中不可缺少的能源。人類在利用天然氣的過程中也嘗到了它的苦頭。由于管道設備的老化、地理、氣候條件的影響以及人為的破壞，經常會造成泄漏事故的發(fā)生。天然氣一旦泄漏，不僅會帶來經濟上的損失和環(huán)境污染，還會發(fā)生火災和爆炸，造成人員傷亡事故。因此，對天然氣儲存、輸送設備進行泄漏檢測，保障其安全性和可靠性是十分必要的。氣體濃度檢測是一種常見的檢測氣體泄漏的方法，具有高效、經濟、 便于管理等多項優(yōu)點。因此，在石油天然氣以及其他燃氣檢測中有著重要的地位。 氣體巡檢在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀 在應用方面，目前最廣泛的是基于單片機的可燃性氣體的巡檢，本設計所應用的是 QMN10 型氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應用十分廣泛。僅以用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規(guī)， 1986 年 5月日本通產省又實施了安全器具普及促進基本方針。美國目前已有 6 個州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 CO報警器。報警器 種類也相當繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學校、工廠的各種氣體報警器和系統(tǒng)，有單體分離型報警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護系統(tǒng)等。結構型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等；工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術與計算機技術相結合，實現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學公司（ ISC）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn) 4 種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術（ IST）公司應用一種 MegaCas傳感器和微程序控制單元，可檢測 100 種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其 氣體檢索 功能掃描，能很快確定是哪一種氣長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 2 體。 國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術得到了較快發(fā)展，據有關統(tǒng)計預測，美國 1996 年 — 2021年氣體傳感器年均增長率為（ 27～ 30）％。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路 ，與應用整機相結合，這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測（ 0 1～ 10） 10－ 6 硫化氫低功耗氣體傳感器，美國 IST 提供了壽命達 10 年以上的氣體傳感器，美國 FirstAlert 公司推出了生物模擬型（光化反應型）低功耗 CO 氣體傳感器等。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國 GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國 IST公司 的具有微處理器的 MegaGas傳感器實現(xiàn)了智能化、多功能化。 國內現(xiàn)狀與差距 ： 總的看來，我國氣敏元件傳感器及其應用于天然氣巡檢的技術有了較快進展，但與國外先進水平仍有較大的差距，主要是產品制造技術、產業(yè)化及應用等方面的差距，與日本比較仍要落后 10 年。 目前，我國許多工礦企業(yè)，絕大多數的生產數據監(jiān)測還是采用分散的模擬或數字儀表來進行計量與監(jiān)測。常用的儀表如流量計，功率計，壓力表，溫度計，電壓表，等等，值班工人必須 24 小時不斷來回地巡視，記錄這些儀表的數值，這種人工巡視，記錄的管理方式，不僅勞動量 大，有時還不精確?；趩纹瑱C的智能氣體巡檢裝置，是我國許多大，中型工礦企業(yè)步入生產自動化管理時必然要提出來研制的設備。隨著微電子技術的發(fā)展，特別是單片微型計算機的出現(xiàn)，對被測對象采用功能強、體積小、價格低的濃度在線巡測顯示裝置成為現(xiàn)實。 現(xiàn)代工業(yè)自動化不斷的發(fā)展，單片機廣泛用于工業(yè)控制中。單片機是將微處理器、存儲器、 I/O 接口和中斷系統(tǒng)集成在同一芯片上，具有完整功能的微型計算機，這塊芯片就是其硬件。軟件程序存放在片內或片外擴展的只讀存儲器內。 從應用規(guī)模上分，單片機應用系統(tǒng)可以分為簡單應用系統(tǒng)、常規(guī)應用系統(tǒng) 和長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 3 高級應用系統(tǒng)三類。簡單應用系統(tǒng)是指它在家用電器或儀器儀表中的應用，其特點是沒有人機對話，功能、程序和運行參數均可固化在 ROM 中；常規(guī)應用系統(tǒng)常用于過程控制，通常配有一個鍵盤和若干 I/O 端口，用以實現(xiàn)對被控對象進行監(jiān)視和控制；高級應用系統(tǒng)是指單片機在分布式計算機系統(tǒng)或計算機網絡中的應用。在這類應用系統(tǒng)中，單片機通常用以做前置機，后臺機是一臺系統(tǒng)機或網絡工作站。 采用單片機來對它們進行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度的提高被控對象的技術指標。從而能夠大大提高產品的數量和質量。 本次 設計就是選用性能 /價格比較高的 AT89C51 作為微控制器的核心，氣敏傳感器為檢測元件的濃度巡測系統(tǒng)。此巡測系統(tǒng)把天然氣的濃度通過氣敏傳感器轉換成電壓信號并顯示出來，如果濃度超過限度就報警 ,提示工作人員采取保護措施。從傳感器出來的氣體濃度的檢測范圍是 2021— 25000PPM，工作電壓是 VH工作電壓為 20V； VD— 燈絲的加熱電壓為 5V177。 ； RL=2K ；精度可達萬分之一；檢測范圍是 50020210PPM。 天然氣的使用給人們的生活帶來了極大的方便 ,但作為天然氣的生產和存貯部門 ,對安全生產提出了嚴格的 要求 .本裝置是對 2 個貯氣罐 ,而每個罐有 8 個點需要對其泄漏的濃度進行在線巡測顯示 ,并且當濃度超限時報警 ,提醒工作人員采取措施 . 氣體泄漏巡環(huán)檢測和定位的主要方法 管道泄漏檢測技術從不同的側重點出發(fā)可以有不同的分類方法：從測量方式可分為外部監(jiān)測法和內部監(jiān)測法；從監(jiān)測是管 道的運行狀態(tài)來看可分為靜態(tài)方法和動態(tài)方法；從采用的技術來看可以分為基于硬件的方法和基于軟件的方法。本文使用基于硬件和軟件編程的分類方法對輸氣管道的泄漏檢測技術進行分類評述。 基于硬件的方法 : 這類方法主要依靠的是人工巡視或者各種基于光 學、聲學、化學等原理的儀器設備對管壁和管道周圍環(huán)境進行監(jiān)測以實現(xiàn)泄漏檢測。根據其原理可以分為以下幾種。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 4 早期的管道大多采用人工分段巡視的方法。天然氣無色無味，輸送進管道之前要添加臭味劑以便及時發(fā)現(xiàn)其泄漏。臭味劑多為硫化物，其中四氫噻吩（ THT）使用最為廣泛。人工巡視法的缺點是在于依賴檢測者的經驗，檢測速度慢，無法連續(xù)檢測，目前已基于被其他方法所取代。 從空氣中采樣，用儀器進行檢測，當空氣中泄漏氣體的濃度超過一定限度時就進行報警，這就是空氣采樣法的基本原理。檢測器主要有火焰電離 檢測器和可燃氣體監(jiān)測器。 火焰電離檢測器（ FID）通過計算烴類氣體在電場中灼燒產生的帶電碳原子數目來計算該氣體的濃度。其最大優(yōu)點是靈敏度高，可燃氣體監(jiān)測器是一類監(jiān)測可燃氣體的獨立傳感器，它通過催化氧化 原理產生與可燃氣體濃度超過預設定值時，由繼電器驅動信號進行報警。 空氣采樣法精度高、定位準確，但是無法實現(xiàn)連續(xù)檢測，而且設備昂貴，所以一般只作為輔助手段來使用。 c. 聲學檢測法 聲學檢測法依據下面的原理：發(fā)生泄漏的時候，流體經過漏點時會產生泄漏聲波。在輸氣管道中，該泄漏聲波在超聲波范圍內，以聲波向管道兩端 傳播，可由相應的聲學傳感器檢測到。通過檢測泄漏聲波信號，尋找信號的最大點即可進行泄漏定位。這類方法的普遍缺點是不能連續(xù)檢測管道（聲波法出外），而實際管道發(fā)生泄漏是無法預知的，在每時刻管道的每一點都需要進行監(jiān)測，所以它們一般不作為主要管道的檢測手段。 基于軟件的方法： 這種方法主要依靠的是檢測泄漏引起的壓力、流量等參數的變化，利用特定的算法來進行泄漏檢測和定位。隨著計算機技術的發(fā)展和 SCADA 系統(tǒng)在管線上的應用，泄漏檢測技術已成為 SCADA 系統(tǒng)的一個重要組成部分。 SCADA 系統(tǒng)實時采集管道流量、壓力等參數 ，并且使用各種算法進行實時分析處理，以此來進行泄漏監(jiān)測和定位?；谲浖姆椒ㄒ话愣伎梢杂糜?SCADA 系統(tǒng)提供的平臺上，這類方法逐步成為目前泄漏檢測和定位方乏的主流。 以上方法的原理簡單，但由于誤報警率高，而且無法定位，所以不能作為主長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 5 要的檢測方法。 擬定總體方案 根據生產實際要求，本設計對兩個儲氣罐的 16 個點進行在線巡回檢測，并且當濃度超限時報警，提醒工作人員采取措施。本設計有信號采集系統(tǒng)、 A/D 轉換裝置， CPU 控制單元、顯示單元、報警裝置等幾部分組成。圖 ： 其中： 1 為氣敏 傳感器及測量電路 。2 為多路開關； 3 為放大電路； 4 為控制電路； 5 為 A/D 轉換； 6為接口電路； 7為 CPU； 8 位顯示電路； 9 為報警電路。 由圖可知，當某點有漏氣時，便將氣敏傳感器采集的信號經測量電路、多路選擇開關分時輸至信號放大器，再經 A/D 轉換轉變?yōu)閿底至克椭廖C進行處理，其結果由 LED 顯示，超過一定限度由報警裝置報警，提醒工作人員采取措施。 圖 本設計采用美國 ATMEL 公司生產的 8 位高性能單片機 AT89C51，它與工業(yè)標準MCS51系列單片機的指令組和引腳 是兼容的，因而可以替代 MCS51系列單片機使用。 AT89C51 單片機的主要技術優(yōu)勢是內部含有可編程 Flash 存儲器，用戶可以很方便地進行程序的擦寫操作，在嵌入式控制領域中被廣泛的應用。由于本裝置需要檢測 2個存氣罐，而每個存氣罐上有 8個濃度監(jiān)測點，因此要對 16 個點采集信號，所以本裝置選用多路模擬開關 CD4051。多路開關的作用主要是用于切換信號，如1 （2CH≠（2DH）？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 6 在某一時刻接通某一路，讓該路信號輸入而讓其他路斷開，達到切換信號的目的。CD4051 為單端 8 通道低價格模擬開關，性能穩(wěn)定，它與地址鎖存器 74LS373 和譯碼器 74LS138 組成采集電路用于對 16 個檢測點進行信號采集。運算放大電路采用斬波穩(wěn)零運算放大器 ICL7650，其特點是超低失調和超低漂移，高增益、高輸入阻抗，其放大倍數在 100 倍以內。 本次設計中采用逐次逼近型 A/D 轉換器 AD574A。 AD574A 是美國模擬器件公司（ Analog Devices）生產的 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉換器。它的轉換速度最大為 35us，轉換精度≤ %，是目前我國市場應用最廣泛、價格適中的 A/D 轉換器。AD574A 片內配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的 8 位或 16 位的微處理 器連接，而無須附加邏輯接口電路，且能與 CMOS 及 TTL 電平兼容。由于 AD574A片內包含高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它不在需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切 A/D 轉換功能，應用非常方便。 濃度顯示部分采用 LED 顯示，自動顯示 16 個采樣點的濃度信息。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本設計需要 6位共陰極 LED 顯示，所以采用動態(tài)顯示方式，通過擴展 I/O 接口芯片 8255A 來實現(xiàn) 6位 LED 顯示接口電路。 另外，控制系統(tǒng)濃度采樣周期是 1S，采用中值濾波方法去控制現(xiàn)場對采樣值的干擾。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 7 第 2 章 方案論證 系統(tǒng)的配置方案：根據被測信號的路數以及信號變化快慢等的不同，數據采集系統(tǒng)由多種配置方案，多路數據采集采用無采集保持器的多通道共享 ADC 多路框圖 ,如圖 ： X1 X2 多 ADC 接 CPU ?? 路 開 Xn 關 口 圖 ADC多路框圖