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天然氣濃度檢測系統設計

更新時間:2014/8/8 來源:  [收藏此信息]

第1章 緒  論

 1.1 氣體甲烷濃度測試系統研究目的和意義

天然氣(主要成分甲烷)是大自然給予我們的巨大財富,它已日漸成為人們生產、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。由于管道設備的老化、地理、氣候條件的影響以及人為的破壞,經常會造成泄漏事故的發生。天然氣一旦泄漏,不僅會帶來經濟上的損失和環境污染,還會發生火災和爆炸,造成人員傷亡事故。因此,對天然氣儲存、輸送設備進行泄漏檢測,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、經濟、便于管理等多項優點。因此,在石油天然氣以及其他燃氣檢測中有著重要的地位。

 

1.2氣體巡檢在國內外的發展現狀

 

在應用方面,目前最廣泛的是基于單片機的可燃性氣體的巡檢,本設計所應用的是QM-N10型氣敏元件傳感器,已普及應用于氣體泄漏檢測和監控,從工廠企業到居民家庭,應用十分廣泛。僅以用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例,日本早在1980年1月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規,1986年5月日本通產省又實施了安全器具普及促進基本方針。美國目前已有6個州立法,規定家庭、公寓等都要安裝CO報警器。報警器種類也相當繁多,有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫院、學校、工廠的各種氣體報警器和系統,有單體分離型報警器、外部報警系統、集中監視系統、遮斷連動系統、防止中毒報警防護系統等。結構型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等;工業用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術與計算機技術相結合,實現了智能化、多功能化。美國工業科學公司(ISC)一臺攜帶式氣體監控儀可實現4種氣體監測,采用了統一的軟件,只需要換氣體傳感器,即可實現對特定氣體監測。美國國際傳感器技術(IST)公司應用一種"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。 
  國外氣體傳感器發展很快,一方面是由于人們安全意識增強,對環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的推動。因此,國外氣體傳感器技術得到了較快發展,據有關統計預測,美國1996年—2002年氣體傳感器年均增長率為(27~30)%。 
    目前,氣體傳感器的發展趨勢集中表現為: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,與應用整機相結合,這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費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(光化反應型)低功耗CO氣體傳感器等。二是增強可靠性,實現元件和應用電路集成化,多功能化,發展MEMS技術,發展現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和監視故障狀況功能,實現了智能化;還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的"MegaGas"傳感器實現了智能化、多功能化。

國內現狀與差距 :
  總的看來,我國氣敏元件傳感器及其應用于天然氣巡檢的技術有了較快進展,但與國外先進水平仍有較大的差距,主要是產品制造技術、產業化及應用等方面的差距,與日本比較仍要落后10年。 

目前,我國許多工礦企業,絕大多數的生產數據監測還是采用分散的模擬或數字儀表來進行計量與監測。常用的儀表如流量計,功率計,壓力表,溫度計,電壓表,等等,值班工人必須24小時不斷來回地巡視,記錄這些儀表的數值,這種人工巡視,記錄的管理方式,不僅勞動量大,有時還不精確。基于單片機的智能氣體巡檢裝置,是我國許多大,中型工礦企業步入生產自動化管理時必然要提出來研制的設備。隨著微電子技術的發展,特別是單片微型計算機的出現,對被測對象采用功能強、體積小、價格低的濃度在線巡測顯示裝置成為現實。

現代工業自動化不斷的發展,單片機廣泛用于工業控制中。單片機是將微處理器、存儲器、I/O接口和中斷系統集成在同一芯片上,具有完整功能的微型計算機,這塊芯片就是其硬件。軟件程序存放在片內或片外擴展的只讀存儲器內。

從應用規模上分,單片機應用系統可以分為簡單應用系統、常規應用系統和高級應用系統三類。簡單應用系統是指它在家用電器或儀器儀表中的應用,其特點是沒有人機對話,功能、程序和運行參數均可固化在ROM中;常規應用系統常用于過程控制,通常配有一個鍵盤和若干I/O端口,用以實現對被控對象進行監視和控制;高級應用系統是指單片機在分布式計算機系統或計算機網絡中的應用。在這類應用系統中,單片機通常用以做前置機,后臺機是一臺系統機或網絡工作站。

采用單片機來對它們進行控制,不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優點,而且可以大幅度的提高被控對象的技術指標。從而能夠大大提高產品的數量和質量。

本次設計就是選用性能/價格比較高的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。此巡測系統把天然氣的濃度通過氣敏傳感器轉換成電壓信號并顯示出來,如果濃度超過限度就報警,提示工作人員采取保護措施。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和存貯部門,對安全生產提出了嚴格的要求.本裝置是對2個貯氣罐,而每個罐有8個點需要對其泄漏的濃度進行在線巡測顯示,并且當濃度超限時報警,提醒工作人員采取措施.

 

1.3 氣體泄漏巡環檢測和定位的主要方法

 

管道泄漏檢測技術從不同的側重點出發可以有不同的分類方法:從測量方式可分為外部監測法和內部監測法;從監測是管道的運行狀態來看可分為靜態方法和動態方法;從采用的技術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進行分類評述。

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、聲學、化學等原理的儀器設備對管壁和管道周圍環境進行監測以實現泄漏檢測。根據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,輸送進管道之前要添加臭味劑以便及時發現其泄漏。臭味劑多為硫化物,其中四氫噻吩(THT)使用最為廣泛。人工巡視法的缺點是在于依賴檢測者的經驗,檢測速度慢,無法連續檢測,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,用儀器進行檢測,當空氣中泄漏氣體的濃度超過一定限度時就進行報警,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氣體監測器。

火焰電離檢測器(FID)通過計算烴類氣體在電場中灼燒產生的帶電碳原子數目來計算該氣體的濃度。其最大優點是靈敏度高,可燃氣體監測器是一類監測可燃氣體的獨立傳感器,它通過催化氧化原理產生與可燃氣體濃度超過預設定值時,由繼電器驅動信號進行報警。

空氣采樣法精度高、定位準確,但是無法實現連續檢測,而且設備昂貴,所以一般只作為輔助手段來使用。

c. 聲學檢測法   聲學檢測法依據下面的原理:發生泄漏的時候,流體經過漏點時會產生泄漏聲波。在輸氣管道中,該泄漏聲波在超聲波范圍內,以聲波向管道兩端傳播,可由相應的聲學傳感器檢測到。通過檢測泄漏聲波信號,尋找信號的最大點即可進行泄漏定位。這類方法的普遍缺點是不能連續檢測管道(聲波法出外),而實際管道發生泄漏是無法預知的,在每時刻管道的每一點都需要進行監測,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、流量等參數的變化,利用特定的算法來進行泄漏檢測和定位。隨著計算機技術的發展和SCADA系統在管線上的應用,泄漏檢測技術已成為SCADA系統的一個重要組成部分。SCADA系統實時采集管道流量、壓力等參數,并且使用各種算法進行實時分析處理,以此來進行泄漏監測和定位。基于軟件的方法一般都可以用于SCADA系統提供的平臺上,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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