一種便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

卓勇，劉宏，伍淑輝，劉楚茹，杜志波，母小琳，葛亮

1.中國(guó)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(guó)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(wú)色無(wú)明顯氣味，極易引發(fā)爆燃爆炸事故，在使用或檢測(cè)不當(dāng)時(shí)容易發(fā)生窒息、中毒致死亡事件。為能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏，國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于天然氣在發(fā)生泄漏時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)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(guò)程能夠被快速發(fā)現(xiàn)的重要保證，許多成熟的檢測(cè)產(chǎn)品如氣相色譜儀、加臭劑檢測(cè)系統(tǒng)等已經(jīng)在國(guó)外大量應(yīng)用[1-4]。氣相色譜儀對(duì)四氫噻吩這種加臭劑具有很高的測(cè)量精度，但是這種儀器價(jià)格昂貴，每臺(tái)的價(jià)格在五六十萬(wàn)左右[5-6]，同時(shí)配件復(fù)雜，難以移動(dòng)，不利于便攜使用。加臭劑檢測(cè)系統(tǒng)一般是多臺(tái)組合成加臭劑在線檢測(cè)平臺(tái)共同使用，組成一個(gè)傳感網(wǎng)，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)管網(wǎng)整體加臭劑濃度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是操作比較繁瑣，需要搭建整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，無(wú)法快速、便捷地檢測(cè)城市燃?xì)庵械乃臍溧绶詽舛?。便攜式檢測(cè)系統(tǒng)因其儀器體積小、檢測(cè)方便快捷、價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，能夠在一線生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立地完成四氫噻吩濃度的檢測(cè)，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(cè)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(diǎn)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 四氫噻吩的檢測(cè)特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(guó)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(lái)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?duì)于乙硫醇，THT具有一系列優(yōu)點(diǎn)，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(huì)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(huì)與運(yùn)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(duì)人危害小[7-9]。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣體傳感器輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)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(hào)，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(guò)無(wú)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(cè)系統(tǒng)框圖

2 便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

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(yùn)轉(zhuǎn)，完成電路的功能任務(wù)。電路中包含模擬信號(hào)的采集和數(shù)字信號(hào)的處理，因此要設(shè)計(jì)穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個(gè)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(guò)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(jì)了低壓時(shí)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(lái)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(jì)

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(chǔ)器以快速準(zhǔn)確地完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)通用16位定時(shí)器，電機(jī)控制PWM接口能夠保證設(shè)置自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能。該芯片包含多種通信接口，如3個(gè)I2C、SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、4個(gè)USART、1個(gè)USB Host/Device/OTG接口和2個(gè)CAN、Ethernet MIC接口、Quadrature Encoder interface，能夠與市場(chǎng)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(jì)

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(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。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(jì)

2.4 RS485串口通訊

本儀器的設(shè)計(jì)采用RS485的通訊方式，使用本通訊方式中差分信號(hào)輸入的功能特點(diǎn)降低信號(hào)傳輸過(guò)程中的共模干擾。根據(jù)了解，天然氣檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和后續(xù)處理與分析。串口通訊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 RS485串口通訊電路設(shè)計(jì)

3 便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 儀器檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程大致如下：首先經(jīng)過(guò)服務(wù)器配置模塊，對(duì)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(wú)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(shí)遠(yuǎn)程端下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)查詢指令后，將實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(kù)相關(guān)操作，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。另外設(shè)計(jì)程序可實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢與調(diào)用。

3.2 整體框架設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)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(hào)提取模塊、數(shù)據(jù)數(shù)值和波形顯示模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與查詢模塊等。程序首先通過(guò)服務(wù)器配置模塊配置遠(yuǎn)程通信協(xié)議，選定對(duì)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(shí)將數(shù)據(jù)以無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回上位機(jī)以便在完成測(cè)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(guò)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(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，并通過(guò)波形顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)。使用數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)操作控件，設(shè)計(jì)搭建完成數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，以便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的隨時(shí)查詢。設(shè)計(jì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢程序，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢。其具體框架設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

3.3 檢測(cè)結(jié)果提取及顯示軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)路傳輸后接收到的數(shù)據(jù)為包含實(shí)際有用信息的字符串。要進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(lái)，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(duì)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(shí)時(shí)顯示。兩路數(shù)據(jù)對(duì)比觀測(cè)，趨勢(shì)走向清晰，對(duì)比明顯。注意在波形圖繪制時(shí)應(yīng)將時(shí)間匹配為實(shí)際數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。至此，檢測(cè)結(jié)果提取及顯示程序設(shè)計(jì)完成。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 四氫噻吩標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)該檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定測(cè)試所用的四氫噻吩標(biāo)氣瓶濃度為19.8 mg/m3。同時(shí)為了和國(guó)外精準(zhǔn)的色譜儀進(jìn)行對(duì)比，將西南油氣田分公司的氣相色譜儀也加入標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)。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(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。通過(guò)分析可得該傳感器具有較高的測(cè)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(cè)系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 儀器整機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該四氫噻吩傳感器具有較高的測(cè)量精度，因此可用于用戶端天然氣中四氫噻吩含量的實(shí)測(cè)。表2為西南油氣田分公司的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該出口端的四氫噻吩濃度。四氫噻吩傳感器的測(cè)試結(jié)果平均值為45.42 mg/m3，氣相色譜儀測(cè)試平均值為43.73 mg/m3，其中檢測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)誤差為3.86%。

表2 便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行四氫噻吩標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、多次系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試等循序漸進(jìn)的測(cè)試，通過(guò)與檢測(cè)精度非常高的氣相色譜儀對(duì)比，本儀器具有較好的四氫噻吩檢測(cè)準(zhǔn)確性，在整體在線檢測(cè)時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，能夠較為穩(wěn)定地測(cè)出天然氣中的加臭劑四氫噻吩含量。本儀器具有較好的測(cè)量效果和較高的實(shí)用價(jià)值，在石油天然氣泄漏檢測(cè)、四氫噻吩濃度檢測(cè)行業(yè)具有較大的應(yīng)用空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的便攜式四氫噻吩檢測(cè)系統(tǒng)體積小、使用便捷，測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明本儀器具有較好的測(cè)量精度和測(cè)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(cè)天然氣中四氫噻吩的濃度變化，保障安全生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)方案對(duì)未來(lái)城市燃?xì)庥眯滦捅銛y式、微型化、高精度加臭劑檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。