卓勇，劉宏，伍淑輝，劉楚茹，杜志波，母小琳，葛亮

1.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田燃?xì)夥止?（四川 成都 610031）2.西南石油大學(xué) （四川 成都 610500）

0 引言

查閱相關(guān)資料顯示，我國2018年發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?14起，其中室內(nèi)540起，室外274起。天然氣無色無明顯氣味，極易引發(fā)爆燃爆炸事故，在使用或檢測不當(dāng)時容易發(fā)生窒息、中毒致死亡事件。為能夠及時發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏，國內(nèi)外普遍采用加注四氫噻吩加臭劑，保證燃?xì)鈨?nèi)四氫噻吩的濃度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，對于天然氣在發(fā)生泄漏時能夠快速、準(zhǔn)確地檢測到具有重要的作用。

城市燃?xì)庵兴臍溧绶缘臐舛仁翘烊粴庠诎l(fā)生泄漏過程能夠被快速發(fā)現(xiàn)的重要保證，許多成熟的檢測產(chǎn)品如氣相色譜儀、加臭劑檢測系統(tǒng)等已經(jīng)在國外大量應(yīng)用[1-4]。氣相色譜儀對四氫噻吩這種加臭劑具有很高的測量精度，但是這種儀器價格昂貴，每臺的價格在五六十萬左右[5-6]，同時配件復(fù)雜，難以移動，不利于便攜使用。加臭劑檢測系統(tǒng)一般是多臺組合成加臭劑在線檢測平臺共同使用，組成一個傳感網(wǎng)，該平臺可實現(xiàn)整個管網(wǎng)整體加臭劑濃度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，但是操作比較繁瑣，需要搭建整個檢測系統(tǒng)，無法快速、便捷地檢測城市燃?xì)庵械乃臍溧绶詽舛?。便攜式檢測系統(tǒng)因其儀器體積小、檢測方便快捷、價格經(jīng)濟(jì)實惠等優(yōu)點，能夠在一線生產(chǎn)現(xiàn)場獨立地完成四氫噻吩濃度的檢測，方便、快捷地完成加臭劑濃度檢查，保障用戶的用氣安全，因此研制一種檢測城市燃?xì)馑臍溧绶詽舛缺銛y式系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 城市燃?xì)馑臍溧绶缘奶攸c及監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 四氫噻吩的檢測特點

國內(nèi)外對于天然氣加臭劑的選擇，因含硫加臭劑具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，能夠快速被人體器官發(fā)覺所以被廣泛采用。早期國內(nèi)外大量使用乙硫醇作為天然氣首選加臭劑，因其具有毒性并且經(jīng)濟(jì)成本較高，后來采用四氫噻吩（Tetrahydrothiophene，縮寫THT）取代乙硫醇，成為目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的燃?xì)饧映魟?。相對于乙硫醇，THT具有一系列優(yōu)點，在終端燃?xì)饧映纛I(lǐng)域廣泛使用，具體表現(xiàn)為化學(xué)穩(wěn)定性高、常溫下以液相存在。THT不溶于水、損耗較低不會造成水體污染，具有濃烈的刺激性氣味和明顯的指示作用。THT化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，抗氧化物反應(yīng)強(qiáng)，不會與運輸材料中的塑料、薄膜和管道中的氧化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，損耗率低。THT雖然也具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，但是毒性低，對人危害小[7-9]。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣體傳感器輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號，通過標(biāo)準(zhǔn)250 Ω采樣電阻轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的1～5 V電壓信號，處理器的10位A/D通道采集處理并顯示，最后DTU將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。硬件總體示意圖如圖1所示。

圖1 四氫噻吩監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

在電氣化儀器快速發(fā)展的今天，儀器電路根據(jù)功能、性質(zhì)等因素發(fā)展為多種多樣的電路，但是這些電路都需要電源電路提供電能以保證整體系統(tǒng)能夠正常運轉(zhuǎn)，完成電路的功能任務(wù)。電路中包含模擬信號的采集和數(shù)字信號的處理，因此要設(shè)計穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個硬件系統(tǒng)需要單極性電源24 V、5 V和3.3 V供電，包括傳感器、LPC1758處理器、LED、max485、DTU等。WB_S_系列DC-DC電源擁有寬電壓輸入、短路過流保護(hù)，隔離保護(hù)電壓約為1 500 V，最佳使用溫度范圍-40～85℃，特別設(shè)計了低壓時空保護(hù)和輸出可自由開閉等功能。為了降低輸入輸出紋波所帶來的的干擾，在輸入輸出端分別添加LC濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

2.2 LPC1758最小系統(tǒng)設(shè)計

圖2 220 V轉(zhuǎn)24 V、5 V、3.3 V電源電路圖

本系統(tǒng)采用LPC1758芯片，該芯片采用性能較高的ARM Cortex-M3 32位的ISC內(nèi)核，采用100 MHz的工作頻率。該芯片能夠內(nèi)置高速存儲器以快速準(zhǔn)確地完成數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，解決生產(chǎn)現(xiàn)場的條件限制。該芯片包含8通道12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，能夠完成本儀器的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。該芯片內(nèi)置4個通用16位定時器，電機(jī)控制PWM接口能夠保證設(shè)置自動采集數(shù)據(jù)的程序，實現(xiàn)自動測量功能。該芯片包含多種通信接口，如3個I2C、SPI、2個I2S、1個SDIO、4個USART、1個USB Host/Device/OTG接口和2個CAN、Ethernet MIC接口、Quadrature Encoder interface，能夠與市場上絕大多數(shù)的通信方式配合，完成下步深入的開發(fā)。其最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 LPC1758最小系統(tǒng)外部晶振電路與復(fù)位電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計

LPC1758自帶12位高精度A/D轉(zhuǎn)換接口，不需要額外的外部A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡化了系統(tǒng)電路設(shè)計。氣體傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流，由于A/D采集接口只能采集電壓，因此經(jīng)由250 Ω采樣電阻轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓，電路如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

2.4 RS485串口通訊

本儀器的設(shè)計采用RS485的通訊方式，使用本通訊方式中差分信號輸入的功能特點降低信號傳輸過程中的共模干擾。根據(jù)了解，天然氣檢測現(xiàn)場環(huán)境一般比較復(fù)雜，干擾的因素較多，采用此通信方式有助于提高通信的可靠性，利于檢測數(shù)據(jù)的存儲和后續(xù)處理與分析。串口通訊電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 RS485串口通訊電路設(shè)計

3 便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 儀器檢測流程設(shè)計

檢測軟件設(shè)計流程大致如下：首先經(jīng)過服務(wù)器配置模塊，對相應(yīng)的通信參數(shù)進(jìn)行配置，如映射串口通道配置，波特率配置等相關(guān)參數(shù)的配置。在參數(shù)配置完成并確認(rèn)配置無誤之后由指令發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢指令的發(fā)送。此時遠(yuǎn)程端下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)查詢指令后，將實時的加臭劑濃度傳輸回上位機(jī)端，由上位機(jī)確認(rèn)接收到下位機(jī)傳回的包含實時數(shù)據(jù)信息的有用字符串后，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)數(shù)值顯示，并配合第三方數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作，對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。另外設(shè)計程序可實現(xiàn)根據(jù)需要對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查詢與調(diào)用。

3.2 整體框架設(shè)計

軟件部分設(shè)計主要分為服務(wù)器配置模塊、指令發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)字符接收模塊、有用信號提取模塊、數(shù)據(jù)數(shù)值和波形顯示模塊、數(shù)據(jù)實時存儲與查詢模塊等。程序首先通過服務(wù)器配置模塊配置遠(yuǎn)程通信協(xié)議，選定對應(yīng)的映射串口以及數(shù)據(jù)傳輸波特率，完成相應(yīng)的配置工作之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)指令的發(fā)送，遠(yuǎn)程接收到數(shù)據(jù)發(fā)送指令時將數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞?，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回上位機(jī)以便在完成測量后能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的操作與處理。數(shù)據(jù)接收完成后，通過程序?qū)ι蟼鹘邮盏降陌瑪?shù)據(jù)信息的字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換與提取，提取出的有用信號進(jìn)行實時數(shù)值顯示，并通過波形顯示數(shù)據(jù)的實時趨勢。使用數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作控件，設(shè)計搭建完成數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲功能，以便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的隨時查詢。設(shè)計歷史數(shù)據(jù)庫查詢程序，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的實時查詢。其具體框架設(shè)計如圖6所示。

圖6 便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

3.3 檢測結(jié)果提取及顯示軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件經(jīng)過無線網(wǎng)路傳輸后接收到的數(shù)據(jù)為包含實際有用信息的字符串。要進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)實時顯示與處理，首先需要將有用數(shù)據(jù)從包含該有用數(shù)據(jù)的字符串中提取出來，完成準(zhǔn)確提取的前提下可進(jìn)行后續(xù)處理。在數(shù)據(jù)提取部分首先將字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)組類型數(shù)據(jù)，提取數(shù)組中有用數(shù)據(jù)，并按十進(jìn)制還原數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)還原完成后，由數(shù)值顯示控件對所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)值顯示，并將同類數(shù)據(jù)進(jìn)行捆綁，由波形圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線的實時顯示。兩路數(shù)據(jù)對比觀測，趨勢走向清晰，對比明顯。注意在波形圖繪制時應(yīng)將時間匹配為實際數(shù)據(jù)采集的時間。至此，檢測結(jié)果提取及顯示程序設(shè)計完成。

4 系統(tǒng)實驗測試與分析

4.1 四氫噻吩標(biāo)定實驗

為了驗證便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)的測量精度，對該檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定測試所用的四氫噻吩標(biāo)氣瓶濃度為19.8 mg/m3。同時為了和國外精準(zhǔn)的色譜儀進(jìn)行對比，將西南油氣田分公司的氣相色譜儀也加入標(biāo)定測試實驗。將標(biāo)氣瓶分別與本裝置和氣相色譜儀相連進(jìn)行標(biāo)定測試，測試結(jié)果見表1。通過分析可得該傳感器具有較高的測量精度，與氣相色譜儀相比差異很小，標(biāo)定效果較好。

表1 便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

4.2 儀器整機(jī)測試實驗

標(biāo)定實驗驗證了該四氫噻吩傳感器具有較高的測量精度，因此可用于用戶端天然氣中四氫噻吩含量的實測。表2為西南油氣田分公司的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上可實時監(jiān)測該出口端的四氫噻吩濃度。四氫噻吩傳感器的測試結(jié)果平均值為45.42 mg/m3，氣相色譜儀測試平均值為43.73 mg/m3，其中檢測系統(tǒng)的相對誤差為3.86%。

表2 便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)整機(jī)測試實驗數(shù)據(jù)

4.3 測試結(jié)果分析

便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)進(jìn)行四氫噻吩標(biāo)定實驗、多次系統(tǒng)整機(jī)測試實驗、儀器現(xiàn)場應(yīng)用測試等循序漸進(jìn)的測試，通過與檢測精度非常高的氣相色譜儀對比，本儀器具有較好的四氫噻吩檢測準(zhǔn)確性，在整體在線檢測時具有較高的穩(wěn)定性，能夠較為穩(wěn)定地測出天然氣中的加臭劑四氫噻吩含量。本儀器具有較好的測量效果和較高的實用價值，在石油天然氣泄漏檢測、四氫噻吩濃度檢測行業(yè)具有較大的應(yīng)用空間。

5 結(jié)束語

設(shè)計的便攜式四氫噻吩檢測系統(tǒng)體積小、使用便捷，測試實驗表明本儀器具有較好的測量精度和測量效果，與氣相色譜儀相比差距較小，標(biāo)定效果較好，能夠有效幫助燃?xì)夤緶?zhǔn)確監(jiān)測天然氣中四氫噻吩的濃度變化，保障安全生產(chǎn)。該設(shè)計方案對未來城市燃?xì)庥眯滦捅銛y式、微型化、高精度加臭劑檢測設(shè)備的研發(fā)具有一定的參考價值。