基于LabVIEW的管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁淇德，韓向軍，雷欣濤，牛長(zhǎng)軍，王立志

(1.國(guó)電投周口燃?xì)鉄犭娪邢薰?，河?周口 456000； 2.鄭州海為電子科技有限公司，河南 鄭州 450000)

城市污水管道作為城市基礎(chǔ)建設(shè)的關(guān)鍵成員，其運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性直接影響著人們的日常生活。國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市容量的逐步增加，使城市污水管道規(guī)模不斷擴(kuò)大[1-2]，其內(nèi)因淤泥和工業(yè)廢料等形成的硫化氫、氨氣以及甲烷等有害氣體濃度日益升高，給人們生活帶來(lái)極大的安全隱患[3]。其中甲烷氣體的危害性極強(qiáng)，濃度較高的甲烷氣體能使人瞬間窒息，且該氣體具有可燃性，如果在管道中碰見(jiàn)明火極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故[4-5]，因此監(jiān)測(cè)管道甲烷氣體狀況變得尤為重要。

當(dāng)前，廣泛使用的監(jiān)測(cè)方法主要有化學(xué)方法、傳感器檢測(cè)法等，但存在監(jiān)測(cè)范圍小、無(wú)法連續(xù)監(jiān)測(cè)等弊端[6]，在此條件下研究智能化的管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為相關(guān)科研人員的重要使命。很多學(xué)者均在此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中取得杰出成就，例如周言文等[7]利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜和小波去噪相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的維護(hù)難度和維護(hù)費(fèi)用較低，但存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象；王彪等[8]利用VCSEL激光光源設(shè)計(jì)管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性優(yōu)良，且靈敏度較高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用戶界面的讀數(shù)不夠直觀。

LabVIEW作為一種調(diào)試簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性優(yōu)良且功能全面的軟件程序，能很好地結(jié)合通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，因此本文設(shè)計(jì)基于LabVIEW的管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期為相關(guān)工作人員實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)管道甲烷氣體狀況提供有效途徑。

1 總體結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW的管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由內(nèi)嵌LabVIEW程序的上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)構(gòu)成。使用下位機(jī)子系統(tǒng)的紅外光電傳感器采集管道甲烷氣體信號(hào)數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)絊TM8處理器進(jìn)行處理，將處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳遞到上位機(jī)子系統(tǒng)，其通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)的串口程序聯(lián)合下位機(jī)子系統(tǒng)共同完成整個(gè)系統(tǒng)的通信，以及對(duì)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)的處理。上位機(jī)子系統(tǒng)接收到網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳遞的管道甲烷氣體信號(hào)數(shù)據(jù)后，運(yùn)用串行初始化與數(shù)據(jù)接收模塊將信號(hào)數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊采用小波變換方法消除信號(hào)數(shù)據(jù)中的噪聲，根據(jù)除噪后的信號(hào)數(shù)據(jù)，管道甲烷氣體濃度檢測(cè)模塊采用基于諧波檢測(cè)的管道甲烷氣體濃度檢測(cè)方法獲取管道甲烷氣體濃度信息，利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊保存獲取的信息，并使用數(shù)據(jù)顯示模塊將保存的管道甲烷氣體濃度信息呈現(xiàn)給相關(guān)工作人員，從而使其能夠及時(shí)全面掌握管道甲烷氣體狀況?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of pipeline methane gas monitoring system

2 總體硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。通過(guò)紅外光電傳感器將采集的管道甲烷氣體信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，選用信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的濾波與放大處理[9-10]，使用A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化所得處理結(jié)果，使其變?yōu)閿?shù)字量，在此基礎(chǔ)上利用STM8處理器對(duì)數(shù)字量實(shí)施數(shù)據(jù)采集與處理，并運(yùn)用液晶屏呈現(xiàn)管道甲烷氣體的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)將其采用網(wǎng)絡(luò)通信模塊反饋到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)[11]，以供相關(guān)工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道甲烷氣體情況。

圖2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall hardware structure of the system

2.2 通信模塊

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的有線傳輸形式，進(jìn)行下位機(jī)子系統(tǒng)和上位機(jī)子系統(tǒng)之間的管道甲烷氣體信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸。串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)形式采用USR-TCP232-S2聯(lián)網(wǎng)模塊，該模塊供選擇的工作模式具體如圖3所示。

圖3 USR-TCP232-S2聯(lián)網(wǎng)模塊的工作模式Fig.3 Working mode of USR-TCP232-S2 networking module

該模塊包含功耗低、運(yùn)行效率高以及兼容性優(yōu)良等特點(diǎn)[12-14]，不僅能夠雙向透?jìng)鞴艿兰淄闅怏w信號(hào)數(shù)據(jù)，還具備自動(dòng)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能，且數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)端的表現(xiàn)形式為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。USR-TCP232-S2聯(lián)網(wǎng)模塊可以外接10/100 M以太網(wǎng)物理接口[15]，需要在使用前設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸形式、端口號(hào)等相關(guān)參數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件流程，軟件以LabVIEW作為編程軟件，通過(guò)VISA函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)串口通信，通過(guò)諧波檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)管道甲烷氣體濃度檢測(cè)。具體甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程如下。

3.1 管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)LabVIEW串口通信

LabVIEW可以為系統(tǒng)提供功能強(qiáng)大，且用于控制程序之間相互通信的VISA函數(shù)庫(kù)，能夠與各種標(biāo)準(zhǔn)不同的輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行連接[16-17]。LabVIEW與串口通信流程具體如圖4所示。

圖4 LabVIEW與串口通信流程Fig.4 Flow chart of communication between LabVIEW and serial port

下述為VISA函數(shù)庫(kù)包含的幾個(gè)主要函數(shù)。

(1)VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位以及校驗(yàn)位等串口參數(shù)，其中波特率和數(shù)據(jù)位的默認(rèn)值分別為9600、8，且該節(jié)點(diǎn)包含于儀器輸入/輸出面板的Serial內(nèi)。

(2)VISA Write節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)的職責(zé)為將輸出緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到特定串口中。

(3)VISA Bytes at Serial Port節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)位于以上節(jié)點(diǎn)之后，可用于獲取特定串口接收緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)[18]。

(4)使用VISA Set I/O Buffer Size可以在特殊場(chǎng)景中設(shè)定串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的規(guī)模，緩沖區(qū)的清空可利用VISA Flush I/O Buffer實(shí)現(xiàn)，當(dāng)串口停用時(shí)，可通過(guò)VISA Close函數(shù)終止與指定串口的對(duì)話。

3.2 基于諧波檢測(cè)的管道甲烷氣體濃度檢測(cè)

根據(jù)紅外光電傳感器采集的管道甲烷氣體信號(hào)，引入諧波檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)管道甲烷氣體濃度檢測(cè)。由比爾—朗伯定律可知，在波長(zhǎng)固定的入射光照射到管道甲烷氣體的情況下，氣體吸收入射光的前提為入射光和吸收帶存在光譜重疊現(xiàn)象，從而使入射光呈衰減狀態(tài)[19-20]，且管道甲烷氣體濃度與其吸收強(qiáng)度之間呈正比。

使用諧波檢測(cè)調(diào)制光源信號(hào)，使其變?yōu)檎倚盘?hào)，以消除實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中各類噪聲對(duì)管道甲烷氣體信號(hào)的影響。當(dāng)管道甲烷氣體吸收入射光后，需要利用探測(cè)器檢測(cè)相應(yīng)的諧波分量，采用公式(1)描述光源信號(hào)調(diào)制后的結(jié)果：

I(λ)=I0(1+msinω)exp(-αλPc)

(1)

式中，I(λ)為透射光強(qiáng)；m為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)；I0為直流偏量的入射光強(qiáng)；ω為角頻率；P為有效吸收光程；c為管道甲烷氣體濃度；αλ為管道甲烷氣體的吸收系數(shù)；λ為光源的輸出波長(zhǎng)。

當(dāng)滿足時(shí)，可得到，同時(shí)在不考慮高階項(xiàng)的情況下，可將式(1)轉(zhuǎn)化為式(2)所示形式：

I(λ)=I0(1-αλPc+msinωt)

(2)

光源輸出波長(zhǎng)λ計(jì)算過(guò)程用式(3)描述：

λ=λ0s+nmI0sinωt

(3)

式中，λ0s為處于靜態(tài)工作點(diǎn)的條件下，光源位置的波長(zhǎng)；且n=ρε，其中ε為光強(qiáng)與調(diào)制電流比例常數(shù)；ρ為電流調(diào)制率。

假設(shè)中心波長(zhǎng)用λ0s描述，當(dāng)光源在λ0周?chē)霈F(xiàn)小幅度變化時(shí)，吸收系數(shù)αλ也會(huì)隨之變化，具體見(jiàn)式(4)：

(4)

式中，Δλ為管道甲烷氣體分子吸收譜半寬度。

將式(3)、式(4)代入式(2)，能夠獲得式(5)所示結(jié)果：

(5)

式中，Δλ0為λ0s和λ0的差值。

通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分解上式，可獲得式(6)、式(7)描述的一次諧波系數(shù)和二次諧波系數(shù)表達(dá)式：

Aω=mI0

(6)

A2ω=-kα0cPI0

(7)

將以上2個(gè)公式相比可得到式(8)所示結(jié)果：

(8)

由式(8)可知，入射光強(qiáng)已被抵消，不會(huì)對(duì)管道甲烷氣體濃度檢測(cè)效果產(chǎn)生影響。光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)m和吸收系數(shù)αλ均為固定值，且光程P可經(jīng)過(guò)測(cè)量得到，因此使用式(8)即可求得管道甲烷氣體濃度。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

以某城市某污水管道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將本文設(shè)計(jì)的管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投放到該管道進(jìn)行測(cè)試，將紅外光電傳感器布設(shè)于管道合適的位置上，用于采集甲烷氣體信號(hào)數(shù)據(jù)，并使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過(guò)零點(diǎn)標(biāo)定驗(yàn)證本文系統(tǒng)的紅外光電傳感器的穩(wěn)定性，采集某3日內(nèi)8:00—17:00的傳感器輸出響應(yīng)值，所得零點(diǎn)響應(yīng)變化曲線如圖5所示。從圖5可知，紅外光電傳感器在3日中不同時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓變化幅度極小，表明選用的紅外光電傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定性較優(yōu)異，有助于提升管道甲烷氣體信號(hào)數(shù)據(jù)采集效果。將紅外光電傳感器采集的管道甲烷氣體信號(hào)原始光譜圖和本文系統(tǒng)完成去噪后的光譜圖作比較，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的管道甲烷氣體信號(hào)去噪能力(圖6)。

圖5 紅外光電傳感器的零點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果Fig.5 Zero response result of infrared photoelectric sensor

圖6 管道甲烷氣體信號(hào)原始與去噪后光譜Fig.6 Original and denoised spectrum of methane gas signal in pipeline

分析圖6可以看出，由于噪聲干擾，管道甲烷氣體信號(hào)原始光譜圖的相對(duì)光強(qiáng)度信號(hào)存在大量毛刺，使用本文系統(tǒng)完成去噪處理后，所得管道甲烷氣體光譜圖的相對(duì)光強(qiáng)度信號(hào)變得十分光滑。表明本文系統(tǒng)具有較理想的管道甲烷氣體信號(hào)去噪效果，可為后續(xù)甲烷氣體濃度檢測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

從管道所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中隨機(jī)選取10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行甲烷氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體濃度實(shí)際結(jié)果與本文系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，以及絕對(duì)誤差結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體濃度結(jié)果Tab.1 Methane gas concentration results at different monitoring points

分析表1可以看出，使用本文系統(tǒng)獲取的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體濃度檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為接近，其中甲烷氣體濃度檢測(cè)絕對(duì)誤差最大值為1.45%，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為D，J監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體濃度檢測(cè)絕對(duì)誤差最小，僅為0.13%；全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，E、D兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體濃度較高，分別為756×10-6和731×10-6。因此，需要重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體狀況。

綜上所述，本文系統(tǒng)的甲烷氣體濃度檢測(cè)性能較優(yōu)良，可為相關(guān)工作人員監(jiān)測(cè)管道甲烷氣體狀況以及制定相應(yīng)的處理方案提供有效參考。

5 結(jié)論

在管道安全事故頻發(fā)的背景下，實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)管道甲烷氣體對(duì)保障人們的正常生活和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具有重大意義，因此本文設(shè)計(jì)包含上位機(jī)和下位機(jī)2個(gè)子系統(tǒng)的基于LabVIEW的管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以LabVIEW軟件程序?yàn)楹诵?，通過(guò)2個(gè)子系統(tǒng)的相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)管道甲烷氣體監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)選用的傳感器具有良好的零點(diǎn)穩(wěn)定性，且能顯著改善采集的管道甲烷氣體信號(hào)質(zhì)量，將其內(nèi)包含的噪聲消除，同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)管道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷氣體濃度檢測(cè)準(zhǔn)確性均保持在較高水平。