【正文】 工作人員采取措施。圖 ： 其中： 1 為氣敏 傳感器及測(cè)量電路 。 擬定總體方案 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)對(duì)兩個(gè)儲(chǔ)氣罐的 16 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行在線巡回檢測(cè)，并且當(dāng)濃度超限時(shí)報(bào)警，提醒工作人員采取措施?；谲浖姆椒ㄒ话愣伎梢杂糜?SCADA 系統(tǒng)提供的平臺(tái)上，這類(lèi)方法逐步成為目前泄漏檢測(cè)和定位方乏的主流。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和 SCADA 系統(tǒng)在管線上的應(yīng)用，泄漏檢測(cè)技術(shù)已成為 SCADA 系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。這類(lèi)方法的普遍缺點(diǎn)是不能連續(xù)檢測(cè)管道（聲波法出外），而實(shí)際管道發(fā)生泄漏是無(wú)法預(yù)知的，在每時(shí)刻管道的每一點(diǎn)都需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以它們一般不作為主要管道的檢測(cè)手段。在輸氣管道中，該泄漏聲波在超聲波范圍內(nèi)，以聲波向管道兩端 傳播，可由相應(yīng)的聲學(xué)傳感器檢測(cè)到。 空氣采樣法精度高、定位準(zhǔn)確，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，而且設(shè)備昂貴，所以一般只作為輔助手段來(lái)使用。 火焰電離檢測(cè)器（ FID）通過(guò)計(jì)算烴類(lèi)氣體在電場(chǎng)中灼燒產(chǎn)生的帶電碳原子數(shù)目來(lái)計(jì)算該氣體的濃度。 從空氣中采樣，用儀器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)空氣中泄漏氣體的濃度超過(guò)一定限度時(shí)就進(jìn)行報(bào)警，這就是空氣采樣法的基本原理。臭味劑多為硫化物，其中四氫噻吩（ THT）使用最為廣泛。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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。 基于硬件的方法 : 這類(lèi)方法主要依靠的是人工巡視或者各種基于光 學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)等原理的儀器設(shè)備對(duì)管壁和管道周?chē)h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)。 天然氣的使用給人們的生活帶來(lái)了極大的方便 ,但作為天然氣的生產(chǎn)和存貯部門(mén) ,對(duì)安全生產(chǎn)提出了嚴(yán)格的 要求 .本裝置是對(duì) 2 個(gè)貯氣罐 ,而每個(gè)罐有 8 個(gè)點(diǎn)需要對(duì)其泄漏的濃度進(jìn)行在線巡測(cè)顯示 ,并且當(dāng)濃度超限時(shí)報(bào)警 ,提醒工作人員采取措施 . 氣體泄漏巡環(huán)檢測(cè)和定位的主要方法 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)從不同的側(cè)重點(diǎn)出發(fā)可以有不同的分類(lèi)方法：從測(cè)量方式可分為外部監(jiān)測(cè)法和內(nèi)部監(jiān)測(cè)法；從監(jiān)測(cè)是管 道的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看可分為靜態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法；從采用的技術(shù)來(lái)看可以分為基于硬件的方法和基于軟件的方法。從傳感器出來(lái)的氣體濃度的檢測(cè)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。 本次 設(shè)計(jì)就是選用性能 /價(jià)格比較高的 AT89C51 作為微控制器的核心，氣敏傳感器為檢測(cè)元件的濃度巡測(cè)系統(tǒng)。 采用單片機(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度的提高被控對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)。簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)是指它在家用電器或儀器儀表中的應(yīng)用，其特點(diǎn)是沒(méi)有人機(jī)對(duì)話，功能、程序和運(yùn)行參數(shù)均可固化在 ROM 中；常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)常用于過(guò)程控制，通常配有一個(gè)鍵盤(pán)和若干 I/O 端口，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視和控制；高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)是指單片機(jī)在分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。軟件程序存放在片內(nèi)或片外擴(kuò)展的只讀存儲(chǔ)器內(nèi)。 現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化不斷的發(fā)展，單片機(jī)廣泛用于工業(yè)控制中?；趩纹瑱C(jī)的智能氣體巡檢裝置，是我國(guó)許多大，中型工礦企業(yè)步入生產(chǎn)自動(dòng)化管理時(shí)必然要提出來(lái)研制的設(shè)備。 目前，我國(guó)許多工礦企業(yè)，絕大多數(shù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)還是采用分散的模擬或數(shù)字儀表來(lái)進(jìn)行計(jì)量與監(jiān)測(cè)。如美國(guó) 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(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國(guó) IST公司 的具有微處理器的 MegaGas傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測(cè)（ 0 1～ 10） 10－ 6 硫化氫低功耗氣體傳感器，美國(guó) IST 提供了壽命達(dá) 10 年以上的氣體傳感器，美國(guó) FirstAlert 公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗 CO 氣體傳感器等。因此，國(guó)外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，美國(guó) 1996 年 — 2021年氣體傳感器年均增長(zhǎng)率為（ 27～ 30）％。美國(guó)國(guó)際傳感器技術(shù)（ IST）公司應(yīng)用一種 MegaCas傳感器和微程序控制單元，可檢測(cè) 100 種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過(guò)其 氣體檢索 功能掃描，能很快確定是哪一種氣長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 2 體。氣體檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。報(bào)警器 種類(lèi)也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在 1980 年 1 月開(kāi)始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)， 1986 年 5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。因此，在石油天然氣以及其他燃?xì)鈾z測(cè)中有著重要的地位。因此，對(duì)天然氣儲(chǔ)存、輸送設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè)，保障其安全性和可靠性是十分必要的。由于管道設(shè)備的老化、地理、氣候條件的影響以及人為的破壞，經(jīng)常會(huì)造成泄漏事故的發(fā)生。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 1 第 1 章 緒 論 氣體甲烷濃度測(cè)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(cái)富，它已日漸成為人們生產(chǎn)、生活中不可缺少的能源。人類(lèi)在利用天然氣的過(guò)程中也嘗到了它的苦頭。天然氣一旦泄漏，不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失和環(huán)境污染，還會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成人員傷亡事故。氣體濃度檢測(cè)是一種常見(jiàn)的檢測(cè)氣體泄漏的方法，具有高效、經(jīng)濟(jì)、 便于管理等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 氣體巡檢在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是基于單片機(jī)的可燃性氣體的巡檢，本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的是 QMN10 型氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。美國(guó)目前已有 6 個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 CO報(bào)警器。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有壁掛式、臺(tái)放式、單臺(tái)監(jiān)控式、多路巡檢式等。美國(guó)工業(yè)科學(xué)公司（ ISC）一臺(tái)攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn) 4 種氣體監(jiān)測(cè)，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體監(jiān)測(cè)。 國(guó)外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)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(chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)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(jiǎn)化電路 ，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與差距 ： 總的看來(lái)，我國(guó)氣敏元件傳感器及其應(yīng)用于天然氣巡檢的技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后 10 年。常用的儀表如流量計(jì)，功率計(jì)，壓力表，溫度計(jì)，電壓表，等等，值班工人必須 24 小時(shí)不斷來(lái)回地巡視，記錄這些儀表的數(shù)值，這種人工巡視，記錄的管理方式，不僅勞動(dòng)量 大，有時(shí)還不精確。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)被測(cè)對(duì)象采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的濃度在線巡測(cè)顯示裝置成為現(xiàn)實(shí)。單片機(jī)是將微處理器、存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)，這塊芯片就是其硬件。 從應(yīng)用規(guī)模上分，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以分為簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)、常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng) 和長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 3 高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)三類(lèi)。在這類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)通常用以做前置機(jī)，后臺(tái)機(jī)是一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)或網(wǎng)絡(luò)工作站。從而能夠大大提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。此巡測(cè)系統(tǒng)把天然氣的濃度通過(guò)氣敏傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并顯示出來(lái)，如果濃度超過(guò)限度就報(bào)警 ,提示工作人員采取保護(hù)措施。 ； RL=2K ；精度可達(dá)萬(wàn)分之一；檢測(cè)范圍是 50020210PPM。本文使用基于硬件和軟件編程的分類(lèi)方法對(duì)輸氣管道的泄漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)評(píng)述。根據(jù)其原理可以分為以下幾種。天然氣無(wú)色無(wú)味，輸送進(jìn)管道之前要添加臭味劑以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)其泄漏。人工巡視法的缺點(diǎn)是在于依賴(lài)檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)速度慢，無(wú)法連續(xù)檢測(cè)，目前已基于被其他方法所取代。檢測(cè)器主要有火焰電離 檢測(cè)器和可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)器。其最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)器是一類(lèi)監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w的獨(dú)立傳感器，它通過(guò)催化氧化 原理產(chǎn)生與可燃?xì)怏w濃度超過(guò)預(yù)設(shè)定值時(shí)，由繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。 c. 聲學(xué)檢測(cè)法 聲學(xué)檢測(cè)法依據(jù)下面的原理：發(fā)生泄漏的時(shí)候，流體經(jīng)過(guò)漏點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生泄漏聲波。通過(guò)檢測(cè)泄漏聲波信號(hào)，尋找信號(hào)的最大點(diǎn)即可進(jìn)行泄漏定位。 基于軟件的方法： 這種方法主要依靠的是檢測(cè)泄漏引起的壓力、流量等參數(shù)的變化，利用特定的算法來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。 SCADA 系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管道流量、壓力等參數(shù) ，并且使用各種算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，以此來(lái)進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)和定位。 以上方法的原理簡(jiǎn)單，但由于誤報(bào)警率高，而且無(wú)法定位，所以不能作為主長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 5 要的檢測(cè)方法。本設(shè)計(jì)有信號(hào)采集系統(tǒng)、 A/D 轉(zhuǎn)換裝置， CPU 控制單元、顯示單元、報(bào)警裝置等幾部分組成。2 為多路開(kāi)關(guān)； 3 為放大電路； 4 為控制電路； 5 為 A/D 轉(zhuǎn)換； 6為接口電路； 7為 CPU； 8 位顯示電路； 9 為報(bào)警電路。 圖 本設(shè)計(jì)采用美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位高性能單片機(jī) AT89C51，它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51系列單片機(jī)的指令組和引腳 是兼容的，因而可以替代 MCS51系列單片機(jī)使用。由于本裝置需要檢測(cè) 2個(gè)存氣罐，而每個(gè)存氣罐上有 8個(gè)濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此要對(duì) 16 個(gè)點(diǎn)采集信號(hào)，所以本裝置選用多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051。CD4051 為單端 8 通道低價(jià)格模擬開(kāi)關(guān)，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(duì) 16 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集。 本次設(shè)計(jì)中采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A。它的轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，轉(zhuǎn)換精度≤ %，是目前我國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛、價(jià)格適中的 A/D 轉(zhuǎn)換器。由于 AD574A片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，這使它不在需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。 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(chǎng)對(duì)采樣值的干擾。 本設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理部分在軟件部分實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中報(bào)警部分選了個(gè)使用而又簡(jiǎn)單 的蜂鳴報(bào)警程序。 傳感器的選擇 天然氣的主要成分是 CH4，屬于可燃性氣體，所以本設(shè)計(jì)選擇電阻式氣敏傳感器 QMN10 來(lái)檢測(cè)氣體。 SnO2 是由許多晶粒組成的 N 型多晶體，其內(nèi)部的電阻值可以等效為三種：晶粒與晶粒之間的 晶間電阻 Rn 、單個(gè)晶粒的表面電阻 Rs 和單個(gè)晶粒的體電阻 Rb ，三類(lèi)等效電阻串聯(lián)連接；其中體電阻不受吸附氣體的影響，而表面電阻 Rs 和晶間電阻 Rn 的阻值則隨吸附氣體的濃度而變化。 晶粒與晶粒相互接觸的表面（即晶界）存在著勢(shì)壘，當(dāng)其表面吸附還原性氣長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 電子信息系 8 體時(shí)，還原性氣體（如 CO 或 H2 ）就與晶粒所吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，把其電子給予半導(dǎo)體，進(jìn)入到 N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子，束縛其少數(shù)載流子的空穴，是空穴與電子的復(fù)合率降低。 電阻式氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 放大電路的選擇 本設(shè)計(jì)放大電路采用高精度、低溫漂的運(yùn)放 ICL7650。 工作原理 ICL7650 利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)消除了 CMOS 器件固有的失調(diào)和漂移 . 從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛 ,克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點(diǎn) .ICL7650 的工作原理如圖 23 所示 ,.圖中 MAIN 是主放大器 (CMOS 運(yùn)算放大器 ),NULL 是調(diào)零放大器 (CMOS 高增益運(yùn)算放大器 ). 電路通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行兩個(gè)階段工作 . 第一是在內(nèi)部時(shí)鐘 (OSC) 的上半周期 .電子開(kāi)關(guān) A 和 B 導(dǎo)通 .,A 和 C 斷開(kāi) . 電路處于誤差檢測(cè)和寄存階段 .第二是在內(nèi)部時(shí)鐘的下半周期 ,電子開(kāi)關(guān) A和 C 導(dǎo)通 ,A 和 B斷開(kāi) .電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段 .由于 ICL7650 中的 NULL 運(yùn)算放大器的增益AIN 一般設(shè)計(jì)在 100dB 左右 .因此 ,即使 主運(yùn)放 MAIN 的失調(diào)電壓 VOSN 達(dá)到 100mV 整個(gè)電路的失調(diào)電壓也僅為 1μv .由于以上兩個(gè)階段不斷交替進(jìn)行 . 電容 CN和