天然气浓度检测系统设计.docx
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天然气浓度检测系统设计
天然气浓度检测系统设计
第1章绪论
1.1气体甲烷浓度测试系统研究目的和意义
天然气（主要成分甲烷）是大自然给予我们的巨大财富，它已日渐成为人们生产、生活中不可缺少的能源。
人类在利用天然气的过程中也尝到了它的苦头。
由于管道设备的老化、地理、气候条件的影响以及人为的破坏，经常会造成泄漏事故的发生。
天然气一旦泄漏，不仅会带来经济上的损失和环境污染，还会发生火灾和爆炸，造成人员伤亡事故。
因此，对天然气储存、输送设备进行泄漏检测，保障其安全性和可靠性是十分必要的。
气体浓度检测是一种常见的检测气体泄漏的方法，具有高效、经济、便于管理等多项优点。
因此，在石油天然气以及其他燃气检测中有着重要的地位。
1.2气体巡检在国内外的发展现状
在应用方面，目前最广泛的是基于单片机的可燃性气体的巡检，本设计所应用的是QM-N10型气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。
仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。
美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。
报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。
结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。
气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。
美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。
美国国际传感器技术（IST）公司应用一种"MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其"气体检索"功能扫描，能很快确定是哪一种气体。
国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。
目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：
一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测（01～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。
二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的"MegaGas"传感器实现了智能化、多功能化。
国内现状与差距：
总的看来，我国气敏元件传感器及其应用于天然气巡检的技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。
目前，我国许多工矿企业，绝大多数的生产数据监测还是采用分散的模拟或数字仪表来进行计量与监测。
常用的仪表如流量计，功率计，压力表，温度计，电压表，等等，值班工人必须24小时不断来回地巡视，记录这些仪表的数值，这种人工巡视，记录的管理方式，不仅劳动量大，有时还不精确。
基于单片机的智能气体巡检装置，是我国许多大，中型工矿企业步入生产自动化管理时必然要提出来研制的设备。
随着微电子技术的发展，特别是单片微型计算机的出现，对被测对象采用功能强、体积小、价格低的浓度在线巡测显示装置成为现实。
现代工业自动化不断的发展，单片机广泛用于工业控制中。
单片机是将微处理器、存储器、I/O接口和中断系统集成在同一芯片上，具有完整功能的微型计算机，这块芯片就是其硬件。
软件程序存放在片内或片外扩展的只读存储器内。
从应用规模上分，单片机应用系统可以分为简单应用系统、常规应用系统和高级应用系统三类。
简单应用系统是指它在家用电器或仪器仪表中的应用，其特点是没有人机对话，功能、程序和运行参数均可固化在ROM中；常规应用系统常用于过程控制，通常配有一个键盘和若干I/O端口，用以实现对被控对象进行监视和控制；高级应用系统是指单片机在分布式计算机系统或计算机网络中的应用。
在这类应用系统中，单片机通常用以做前置机，后台机是一台系统机或网络工作站。
采用单片机来对它们进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度的提高被控对象的技术指标。
从而能够大大提高产品的数量和质量。
本次设计就是选用性能/价格比较高的AT89C51作为微控制器的核心，气敏传感器为检测元件的浓度巡测系统。
此巡测系统把天然气的浓度通过气敏传感器转换成电压信号并显示出来，如果浓度超过限度就报警,提示工作人员采取保护措施。
从传感器出来的气体浓度的检测范围是2000—25000PPM，工作电压是VH-工作电压为20V；VD—灯丝的加热电压为5V±0.2V；RL=2K；精度可达万分之一；检测范围是500-20000PPM。
天然气的使用给人们的生活带来了极大的方便,但作为天然气的生产和存贮部门,对安全生产提出了严格的要求.本装置是对2个贮气罐,而每个罐有8个点需要对其泄漏的浓度进行在线巡测显示,并且当浓度超限时报警,提醒工作人员采取措施.
1.3 气体泄漏巡环检测和定位的主要方法
管道泄漏检测技术从不同的侧重点出发可以有不同的分类方法：
从测量方式可分为外部监测法和内部监测法；从监测是管道的运行状态来看可分为静态方法和动态方法；从采用的技术来看可以分为基于硬件的方法和基于软件的方法。
本文使用基于硬件和软件编程的分类方法对输气管道的泄漏检测技术进行分类评述。
基于硬件的方法:
这类方法主要依靠的是人工巡视或者各种基于光学、声学、化学等原理的仪器设备对管壁和管道周围环境进行监测以实现泄漏检测。
根据其原理可以分为以下几种。
a.人工巡视法
早期的管道大多采用人工分段巡视的方法。
天然气无色无味，输送进管道之前要添加臭味剂以便及时发现其泄漏。
臭味剂多为硫化物，其中四氢噻吩（THT）使用最为广泛。
人工巡视法的缺点是在于依赖检测者的经验，检测速度慢，无法连续检测，目前已基于被其他方法所取代。
b.空气采样法
从空气中采样，用仪器进行检测，当空气中泄漏气体的浓度超过一定限度时就进行报警，这就是空气采样法的基本原理。
检测器主要有火焰电离检测器和可燃气体监测器。
火焰电离检测器（FID）通过计算烃类气体在电场中灼烧产生的带电碳原子数目来计算该气体的浓度。
其最大优点是灵敏度高，可燃气体监测器是一类监测可燃气体的独立传感器，它通过催化氧化原理产生与可燃气体浓度超过预设定值时，由继电器驱动信号进行报警。
空气采样法精度高、定位准确，但是无法实现连续检测，而且设备昂贵，所以一般只作为辅助手段来使用。
c.声学检测法声学检测法依据下面的原理：
发生泄漏的时候，流体经过漏点时会产生泄漏声波。
在输气管道中，该泄漏声波在超声波范围内，以声波向管道两端传播，可由相应的声学传感器检测到。
通过检测泄漏声波信号，寻找信号的最大点即可进行泄漏定位。
这类方法的普遍缺点是不能连续检测管道（声波法出外），而实际管道发生泄漏是无法预知的，在每时刻管道的每一点都需要进行监测，所以它们一般不作为主要管道的检测手段。
基于软件的方法：
这种方法主要依靠的是检测泄漏引起的压力、流量等参数的变化，利用特定的算法来进行泄漏检测和定位。
随着计算机技术的发展和SCADA系统在管线上的应用，泄漏检测技术已成为SCADA系统的一个重要组成部分。
SCADA系统实时采集管道流量、压力等参数，并且使用各种算法进行实时分析处理，以此来进行泄漏监测和定位。
基于软件的方法一般都可以用于SCADA系统提供的平台上，这类方法逐步成为目前泄漏检测和定位方乏的主流。
以上方法的原理简单，但由于误报警率高，而且无法定位，所以不能作为主要的检测方法。
1.4 拟定总体方案
根据生产实际要求，本设计对两个储气罐的16个点进行在线巡回检测，并且当浓度超限时报警，提醒工作人员采取措施。
本设计有信号采集系统、A/D转换装置，CPU控制单元、显示单元、报警装置等几部分组成。
图1.1为装置硬件设计：
其中：
1为气敏传感器及测量电路;2为多路开关；3为放大电路；4为控制电路；5为A/D转换；6为接口电路；7为CPU；8位显示电路；9为报警电路。
由图可知，当某点有漏气时，便将气敏传感器采集的信号经测量电路、多路选择开关分时输至信号放大器，再经A/D转换转变为数字量送至微机进行处理，其结果由LED显示，超过一定限度由报警装置报警，提醒工作人员采取措施。
图1.1装置硬件设计图
本设计采用美国ATMEL公司生产的8位高性能单片机AT89C51，它与工业标准MCS-51系列单片机的指令组和引脚是兼容的，因而可以替代MCS-51系列单片机使用。
AT89C51单片机的主要技术优势是内部含有可编程Flash存储器，用户可以很方便地进行程序的擦写操作，在嵌入式控制领域中被广泛的应用。
由于本装置需要检测2个存气罐，而每个存气罐上有8个浓度监测点，因此要对16个点采集信号，所以本装置选用多路模拟开关CD4051。
多路开关的作用主要是用于切换信号，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其他路断开，达到切换信号的目的。
CD4051为单端8通道低价格模拟开关，性能稳定，它与地址锁存器74LS373和译码器74LS138组成采集电路用于对16个检测点进行信号采集。
运算放大电路采用斩波稳零运算放大器ICL7650，其特点是超低失调和超低漂移，高增益、高输入阻抗，其放大倍数在100倍以内。
本次设计中采用逐次逼近型A/D转换器AD574A。
AD574A是美国模拟器件公司（AnalogDevices）生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器。
它的转换速度最大为35us，转换精度≤0.05%，是目前我国市场应用最广泛、价格适中的A/D转换器。
AD574A片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器连接，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电平兼容。
由于AD574A片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它不在需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D转换功能，应用非常方便。
浓度显示部分采用LED显示，自动显示16个采样点的浓度信息。
LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。
本设计需要6位共阴极LED显示，所以采用动态显示方式，通过扩展I/O接口芯片8255A来实现6位LED显示接口电路。
另外，控制系统浓度采样周期是1S，采用中值滤波方法去控制现场对采样值的干扰。
第2章方案论证
系统的配置方案：
根据被测信号的路数以及信号变化快慢等的不同，数据采集系统由多种配置方案，多路数据采集采用无采集保持器的多通道共享ADC多路框图,如图2.1：
X1
X2多ADC接CPU
……路
开
Xn关口
图2.1ADC多路框图
前向通道为由传感器，放大测量电路以及AD574组成，后向通道由8255、键盘组成，最后由LED显示，存储器用6264，作为89C51的外扩存储器。
本设计信号调理部分在软件部分实现，在设计中报警部分选了个使用而又简单
的蜂鸣报警程序。
当浓度超限时蜂鸣报警，以便工作人员采取措施以防损失。
2.1传感器的选择
天然气的主要成分是CH4，属于可燃性气体，所以本设计选择电阻式气敏传感器QM-N10来检测气体。
电阻式气敏传感器的敏感元件多采用半导体材料如SnO2，当这种半导体材料表面吸附某些气体时，其电导率将随气体浓度的变化而发生变化。
SnO2是由许多晶粒组成的N型多晶体，其内部的电阻值可以等效为三种：
晶粒与晶粒之间的晶间电阻Rn、单个晶粒的表面电阻Rs和单个晶粒的体电阻Rb，三类等效电阻串联连接；其中体电阻不受吸附气体的影响，而表面电阻Rs和晶间电阻Rn的阻值则随吸附气体的浓度而变化。
又由于Rn≥Rs，故晶体电阻以晶间电阻Rn等效。
晶粒与晶粒相互接触的表面（即晶界）存在着势垒，当其表面吸附还原性气体时，还原性气体（如CO或H2）就与晶粒所吸附的氧发生反应，把其电子给予半导体，进入到N型半导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，是空穴与电子的复合率降低。
结果加强了自由电子形成电流的能力，因而元件材料的电导率提高、电阻率减小，电阻也减小；与此相反，若N型半导体元件吸附氧化性气体（如O2），这些吸附态的氧化性气体从晶粒表面俘获电子，增大了材料表面的电子势垒，结果使导带电子数目减少，材料导电率降低、电阻率升高，电阻也增加。
电阻式气敏传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点。
但是，其选择性和稳定性存在一定问题，温度、湿度对其特性都有较大的影响。
2.2放大电路的选择
本设计放大电路采用高精度、低温漂的运放ICL7650。
ICL7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式.图2.3所示是最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列图.
2.2.1引脚的功能说明
图2.3ICL7650引脚排列图
图2.4工作原理图
2.2.1引脚的功能说明
CEXTB:
外接电容；CEXTA:
外接电容；-IN:
反相输入端；+IN:
同相输入端；
V-:
负电源端；
CRETN:
CEXTA和CEXTB的公共端；
OUTCLAMP:
箝位端；
OUTPU:
输出端；
V+:
正电源端；
INTCLKOUT:
时钟输出端；
NT/EXT:
时钟控制端；
EXTCLKIN:
时钟输入端
可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟.当选择外部时钟时.该端接负电源端V-,并在时钟输入端（EXTCLKIN）引入外部时钟信号.当该端开路或接V+时.电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。
2.2.2工作原理
ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移.从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚,克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点.ICL7650的工作原理如图2-3所示,.图中MAIN是主放大器（CMOS运算放大器）,NULL是调零放大器
（CMOS高增益运算放大器）.电路通过电子开关的转换来进行两个阶段工作.第一是在内部时钟（OSC）的上半周期.电子开关A和B导通.,A-和C断开.电路处于误差检测和寄存阶段.第二是在内部时钟的下半周期,电子开关A-和C导通,A和B断开.电路处于动态校零和放大阶段.由于ICL7650中的NULL运算放大器的增益AIN一般设计在100dB左右.因此,即使主运放MAIN的失调电压VOSN达到100mV整个电路的失调电压也仅为1μv.由于以上两个阶段不断交替进行.电容CN和CM将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MAIN,NULL的调零端.这使得图2.4所示电路几乎不存在失调和漂移.可见ICL7650是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大器.
2.3数据采集系统的选择
2.3.1CD4051的介绍
本设计共有16路漏点信号，为满足要求需采用CD4051为扩展电路组成数据采集电路。
74LS373用于锁存由AT89C51P0输出的多路开关选通信号。
低位开关片内的译码信号，高位经译码器74LS138作为开关选通信号。
其中INH为禁止端，当INH为高电平时，八个通道全部禁止；当INH为低电平时，由A、B、C决定选通的通道，COM为公共端，真值表如表2-1所示。
[4]
表2-1CD4051通道
2.3.2地址锁存器74LS373
地址锁存器74LS373是一种三态门的8D锁存器，其引脚如图2.5所示。
表2-274L373功能表
OE
LE
D
Q
L
L
L
H
H
H
L
X
H
L
X
X
H
L
QD
HZ
图2.574LS373引脚
其引脚的功能如下：
D7—D0：
8位数据输入线。
Q7—Q0：
8位数据输出线。
LE：
数据输入锁存选通信号，高电平有效。
当该信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据存到锁存器中。
OE：
数据输出允许信号，低电平有效。
当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。
当该信号为高电平时，输出线为高阻态。
74LS373功能表见表2-2所示。
2.4CPU的选择
本设计采用美国ATMEL公司生产的8位高性能单片机AT89C51。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。
片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51单片机的主要技术优势是内部含有可编程Flash存储器，用户可以很方便地进行程序的擦写操作，在嵌入式控制领域中被广泛的应用。
AT89C51单片机与工业标准MCS-51系列单片机的指令组和引脚是兼容的，因而可以替代MCS-51系列单片机使用。
2.5A/D转换器的选择
本次设计中采用逐次逼近型A/D转换器AD574A。
AD574A是美国模拟器件公司（AnalogDevices）生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器。
它的转换速度最大为35us，转换精度≤0.05%，是目前我国市场应用最广泛、价格适中的A/D转换器。
AD574A片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器连接，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电平兼容。
由于AD574A片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它不在需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D转换功能，应用非常方便。
2.6显示电路选择
浓度显示部分采用LED显示，自动显示16个采样点的浓度信息。
LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。
本设计需要6位共阴极LED显示，所以采用动态显示方式，通过扩展I/O接口芯片8255A来实现6位LED显示接口电路。
2.7单频音报警接口方案
实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3~5V的直流电压，就能产生3KHZ左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣结构简单，耗电少，且更适合于在单片机系统之中应用。
压电式蜂鸣器，约需10MA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体管三级管驱动。
2.6蜂鸣报警器图
选用价格便宜的蜂鸣报警器，可以节省资源。
2.8译码器的选择方案
译码法就是使用译码器对AT89C51的高位地址进行译码，译码器的译码输出作为存储器芯片的片选信号。
由于这是一种常用的存储器地址分配的方法，它能有效地利用存储器的空间，适用于大容量的多芯片的存储器扩展。
译码电路可以使用现成的译码器芯片。
最常用的译码芯片是74LS138（3-8译码器）；由于使用灵活，完全可根据设计者的要求来组合译码，产生片选信号。
2.9静态数据存储器扩展的选择方案
AT89C51单片机内部有128个字节RAM。
因为在实际气体巡检系统中，仅靠片内的RAM往往不够用，必须扩展外部数据存储器。
在此系统中，外扩的数据存储器都采用静态数据存储器。
所扩展的数据存储器空间地址，由P2口提供高8位的地址，P0口分时提供低8位地址和用作8位的双向数据总线，片外数据存储器RAM的读和写有AT89C51的（P3.7）和（P3.6）信号控制，而片外程序存储器EPROM的输出允许端，由读选通信号控制，尽管与EPROM共处同一个地址空间，但由于控制信号不同，不会发生总线冲突。
单片机系统中常用的SRAM芯片的典型型号有：
6116（2K×8），6264（8K×8），它们都用单一+5V电源供电，双列直插封装，6116为24引脚封装，6264为28引脚封装，本设计采用6264。
第3章硬件电路设计
3.1气敏传感器
气敏传感器实现检测气体的机理有多种。
可利用待检测气体的物理吸附作用，如湿度传感器利用吸附水的传导作用引起表面电导率变化，获得电信号；或是由吸附水引起电容变化，由静电电容的变化取得电信号；利用待测气体的化学吸附与反应引起表面附近的电子或空穴浓度变化而使表面电导率变化，这类敏感元件有Zn、SnO2等，用于检测可燃气、CO2、N2类等;利用气体成分的反应性如催化燃烧式可燃性气体传感器利用可燃性气体在元件表面催化燃烧是因升温而引起的铂丝电阻变化，测出可燃性气体的浓度，利用待测气体对固体的分配平衡，如半导体氧敏元件和体电导体半导体可燃性气敏元件，属于这类的有TiO、CoO等，可用于氧气、煤气、液化气、酒精等的检测；还可利用气体成分的选择性透过，如固体电解氧敏元件，当元件两侧的氧浓度不同时，形成浓差电池电动势也不同，这就是可用来检测氧浓度的变化，这类有ZrO2-CaO、ZrO2-Y2O3、ZrO2-MgO、TrO2-Y2O3等。
以氧化物半导体为基质材料的气敏元件，已发展为包括烧结型、厚模型、薄膜型、集成型等多种气敏元件。
除半导体表面吸附气体发生电子传递的表面型气敏半导体外，还发现了半导体吸附气体后与体内发生电子传递的体电导气敏半导体和气体分子在金属半导体接触面上产生电子传递的结型气敏半导体。
在本次设计中，从检测对象来看，天然气的主要成份是CH4，所以选用QM-N10气敏传感器。
QM-N10型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
它适合检测天然气，煤气，液化石油气，氢气，一氧化碳，烷类气体，烯类气体，汽油，煤油，柴油，乙炔，氨类蒸汽，醚蒸汽及烟雾等。
它具有以下几个特点。
1、用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）；2灵敏度高；3、响应速度快；4、输出信号大；5、寿命长，工作稳定可靠。
表3-2QM-N10型气敏传感器的参数
型号
标定气体中电压
响应时间t1
恢复时间t2
最佳工作条件
允许工作条件
测量回路电压Uc
加热电压Uf
负载电阻RL
测量回路电压Uc
加热电压Uf
负载电阻RL
QM-N10
≥2V
≤10s
≤30s
10V
5V
2kΩ
5-15V
4.5-5.5V
0.5-2.2kΩ
测试条件
0.1%丁烷
清净空气
清洁空气中电阻（Ra）
≤2000kΩ
U0=10VUf=5VRL=2kΩ
检测范围
500-20000ppm
元件工耗
≤0.7W
灵敏度（S=Ra/Rdg）
≥4
QM-N10气敏传感器，以电压采样方式，原理如图3.1所示。
V1随气体浓度变化，其关系为：
V1=F（c）≈VHRLCm∕10n
其中：
C为气体浓度；
m、n—由传感器及气体决定的常数，且m<1；
VH—工作电压；
VD—灯丝加热电压。
[11]
图3
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