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 1.1 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(cái)富，它已日漸成為人們生產(chǎn)、生活中不可缺少的能源。人類在利用天然氣的過程中也嘗到了它的苦頭。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。天然氣一旦泄漏，不僅會(huì)帶來經(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。因此，對天然氣儲(chǔ)存、輸送設(shè)備進(jìn)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(jīng)濟(jì)、便于管理等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。因此，在石油天然氣以及其他燃?xì)鈾z測中有著重要的地位。

1.2氣體巡檢在國內(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QM-N10型氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。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。美國目前已有6個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO報(bào)警器。報(bào)警器種類也相當(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。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。氣體檢測技術(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。美國工業(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，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(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(shí)增強(qiáng)，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(dòng)。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，美國1996年—2002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(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)。如日本費(fèi)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(dá)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(yīng)型）低功耗CO氣體傳感器等。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(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。

國內(nèi)現(xiàn)狀與差距 ：
　　總的看來，我國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。 

目前，我國許多工礦企業(yè)，絕大多數(shù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測還是采用分散的模擬或數(shù)字儀表來進(jìn)行計(jì)量與監(jiān)測。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�；�于單片機(jī)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(chǎn)自動(dòng)化管理時(shí)必然要提出來研制的設(shè)備。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)，對被測對象采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的濃度在線巡測顯示裝置成為現(xiàn)實(shí)。

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。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。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)。

從應(yīng)用規(guī)模上分，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以分為簡單應(yīng)用系統(tǒng)、常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)三類。簡單應(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)是沒有人機(jī)對話，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)常用于過程控制，通常配有一個(gè)鍵盤和若干I/O端口，用以實(shí)現(xiàn)對被控對象進(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。在這類應(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。

采用單片機(jī)來對它們進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度的提高被控對象的技術(shù)指標(biāo)。從而能夠大大提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。

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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并顯示出來，如果濃度超過限度就報(bào)警,提示工作人員采取保護(hù)措施。從傳感器出來的氣體濃度的檢測范圍是2000—25000PPM，工作電壓是VH-工作電壓為20V；VD—燈絲的加熱電壓為5V±0.2V；RL=2K ；精度可達(dá)萬分之一；檢測范圍是500-20000PPM。

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(chǎn)和存貯部門,對安全生產(chǎn)提出了嚴(yán)格的要求.本裝置是對2個(gè)貯氣罐,而每個(gè)罐有8個(gè)點(diǎn)需要對其泄漏的濃度進(jìn)行在線巡測顯示,并且當(dāng)濃度超限時(shí)報(bào)警,提醒工作人員采取措施.

1.3 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(shù)從不同的側(cè)重點(diǎn)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(nèi)部監(jiān)測法；從監(jiān)測是管道的運(yùn)行狀態(tài)來看可分為靜態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法；從采用的技術(shù)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(shù)進(jìn)行分類評(píng)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(xué)、聲學(xué)、化學(xué)等原理的儀器設(shè)備對管壁和管道周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)泄漏檢測。根據(jù)其原理可以分為以下幾種。

a.人工巡視法

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(jìn)管道之前要添加臭味劑以便及時(shí)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(diǎn)是在于依賴檢測者的經(jīng)驗(yàn)，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。

b.空氣采樣法

從空氣中采樣，用儀器進(jìn)行檢測，當(dāng)空氣中泄漏氣體的濃度超過一定限度時(shí)就進(jìn)行報(bào)警，這就是空氣采樣法的基本原理。檢測器主要有火焰電離檢測器和可燃?xì)怏w監(jiān)測器。

火焰電離檢測器（FID）通過計(jì)算烴類氣體在電場中灼燒產(chǎn)生的帶電碳原子數(shù)目來計(jì)算該氣體的濃度。其****優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可燃?xì)怏w監(jiān)測器是一類監(jiān)測可燃?xì)怏w的獨(dú)立傳感器，它通過催化氧化原理產(chǎn)生與可燃?xì)怏w濃度超過預(yù)設(shè)定值時(shí)，由繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。

空氣采樣法精度高、定位準(zhǔn)確，但是無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測，而且設(shè)備昂貴，所以一般只作為輔助手段來使用。

c. 聲學(xué)檢測法   聲學(xué)檢測法依據(jù)下面的原理：發(fā)生泄漏的時(shí)候，流體經(jīng)過漏點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生泄漏聲波。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)傳感器檢測到。通過檢測泄漏聲波信號(hào)，尋找信號(hào)的****點(diǎn)即可進(jìn)行泄漏定位。這類方法的普遍缺點(diǎn)是不能連續(xù)檢測管道（聲波法出外），而實(shí)際管道發(fā)生泄漏是無法預(yù)知的，在每時(shí)刻管道的每一點(diǎn)都需要進(jìn)行監(jiān)測，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(shù)的變化，利用特定的算法來進(jìn)行泄漏檢測和定位。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，泄漏檢測技術(shù)已成為SCADA系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。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，以此來進(jìn)行泄漏監(jiān)測和定位�；�于軟件的方法一般都可以用于SCADA系統(tǒng)提供的平臺(tái)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(bào)警率高，而且無法定位，所以不能作為主要的檢測方法。

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