1.1 氣體甲烷濃度測(cè)試系統(tǒng)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(cái)富，它已日漸成為人們生產(chǎn)、生活中不可缺少的能源。人類在利用天然氣的過(guò)程中也嘗到了它的苦頭。由于管道設(shè)備的老化、地理、氣候條件的影響以及人為的破壞，經(jīng)常會(huì)造成泄漏事故的發(fā)生。天然氣一旦泄漏，不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失和環(huán)境污染，還會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成人員傷亡事故。因此，對(duì)天然氣儲(chǔ)存、輸送設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè)，保障其安全性和可靠性是十分必要的。氣體濃度檢測(cè)是一種常見的檢測(cè)氣體泄漏的方法，具有高效、經(jīng)濟(jì)、便于管理等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。因此，在石油天然氣以及其他燃?xì)鈾z測(cè)中有著重要的地位。
1.2氣體巡檢在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是基于單片機(jī)的可燃性氣體的巡檢，本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的是QM-N10型氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在1980年1月開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)，1986年5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國(guó)目前已有6個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO報(bào)警器。報(bào)警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有壁掛式、臺(tái)放式、單臺(tái)監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。美國(guó)工業(yè)科學(xué)公司（ISC）一臺(tái)攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn)4種氣體監(jiān)測(cè)，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體監(jiān)測(cè)。美國(guó)國(guó)際傳感器技術(shù)（IST）公司應(yīng)用一種"MegaCas"傳感器和微程序控制單元，可檢測(cè)100種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過(guò)其"氣體檢索"功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。
國(guó)外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)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(chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。因此，國(guó)外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，美國(guó)1996年—2002年氣體傳感器年均增長(zhǎng)率為（27～30）％。
目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)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(jiǎn)化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測(cè)（01～10）×10－6硫化氫低功耗氣體傳感器，美國(guó)IST提供了壽命達(dá)10年以上的氣體傳感器，美國(guó)FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗CO氣體傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器。如美國(guó)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(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國(guó)IST公司的具有微處理器的"MegaGas"傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與差距 ：
總的看來(lái)，我國(guó)氣敏元件傳感器及其應(yīng)用于天然氣巡檢的技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年。
目前，我國(guó)許多工礦企業(yè)，絕大多數(shù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)還是采用分散的模擬或數(shù)字儀表來(lái)進(jìn)行計(jì)量與監(jiān)測(cè)。常用的儀表如流量計(jì)，功率計(jì)，壓力表，溫度計(jì)，電壓表，等等，值班工人必須24小時(shí)不斷來(lái)回地巡視，記錄這些儀表的數(shù)值，這種人工巡視，記錄的管理方式，不僅勞動(dòng)量大，有時(shí)還不精確。基于單片機(jī)的智能氣體巡檢裝置，是我國(guó)許多大，中型工礦企業(yè)步入生產(chǎn)自動(dòng)化管理時(shí)必然要提出來(lái)研制的設(shè)備。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)被測(cè)對(duì)象采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的濃度在線巡測(cè)顯示裝置成為現(xiàn)實(shí)。
現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化不斷的發(fā)展，單片機(jī)廣泛用于工業(yè)控制中。單片機(jī)是將微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口和中斷系統(tǒng)集成在同一芯片上，具有完整功能的微型計(jì)算機(jī)，這塊芯片就是其硬件。軟件程序存放在片內(nèi)或片外擴(kuò)展的只讀存儲(chǔ)器內(nèi)。
從應(yīng)用規(guī)模上分，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可以分為簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)、常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)三類。簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)是指它在家用電器或儀器儀表中的應(yīng)用，其特點(diǎn)是沒有人機(jī)對(duì)話，功能、程序和運(yùn)行參數(shù)均可固化在ROM中；常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)常用于過(guò)程控制，通常配有一個(gè)鍵盤和若干I/O端口，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視和控制；高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)是指單片機(jī)在分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在這類應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)通常用以做前置機(jī)，后臺(tái)機(jī)是一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)或網(wǎng)絡(luò)工作站。
采用單片機(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度的提高被控對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)。從而能夠大大提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。
本次設(shè)計(jì)就是選用性能/價(jià)格比較高的AT89C51作為微控制器的核心，氣敏傳感器為檢測(cè)元件的濃度巡測(cè)系統(tǒng)。此巡測(cè)系統(tǒng)把天然氣的濃度通過(guò)氣敏傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并顯示出來(lái)，如果濃度超過(guò)限度就報(bào)警,提示工作人員采取保護(hù)措施。從傳感器出來(lái)的氣體濃度的檢測(cè)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(dá)萬(wàn)分之一；檢測(cè)范圍是500-20000PPM。
天然氣的使用給人們的生活帶來(lái)了極大的方便,但作為天然氣的生產(chǎn)和存貯部門,對(duì)安全生產(chǎn)提出了嚴(yán)格的要求.本裝置是對(duì)2個(gè)貯氣罐,而每個(gè)罐有8個(gè)點(diǎn)需要對(duì)其泄漏的濃度進(jìn)行在線巡測(cè)顯示,并且當(dāng)濃度超限時(shí)報(bào)警,提醒工作人員采取措施.
1.3 氣體泄漏巡環(huán)檢測(cè)和定位的主要方法
管道泄漏檢測(cè)技術(shù)從不同的側(cè)重點(diǎn)出發(fā)可以有不同的分類方法：從測(cè)量方式可分為外部監(jiān)測(cè)法和內(nèi)部監(jiān)測(cè)法；從監(jiān)測(cè)是管道的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看可分為靜態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法；從采用的技術(shù)來(lái)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(duì)輸氣管道的泄漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類評(píng)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(xué)、聲學(xué)、化學(xué)等原理的儀器設(shè)備對(duì)管壁和管道周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)。根據(jù)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(wú)色無(wú)味，輸送進(jìn)管道之前要添加臭味劑以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(diǎn)是在于依賴檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)速度慢，無(wú)法連續(xù)檢測(cè)，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(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)空氣中泄漏氣體的濃度超過(guò)一定限度時(shí)就進(jìn)行報(bào)警，這就是空氣采樣法的基本原理。檢測(cè)器主要有火焰電離檢測(cè)器和可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)器。
火焰電離檢測(cè)器（FID）通過(guò)計(jì)算烴類氣體在電場(chǎng)中灼燒產(chǎn)生的帶電碳原子數(shù)目來(lái)計(jì)算該氣體的濃度。其最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)器是一類監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w的獨(dú)立傳感器，它通過(guò)催化氧化原理產(chǎn)生與可燃?xì)怏w濃度超過(guò)預(yù)設(shè)定值時(shí)，由繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。
空氣采樣法精度高、定位準(zhǔn)確，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，而且設(shè)備昂貴，所以一般只作為輔助手段來(lái)使用。
c. 聲學(xué)檢測(cè)法 聲學(xué)檢測(cè)法依據(jù)下面的原理：發(fā)生泄漏的時(shí)候，流體經(jīng)過(guò)漏點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生泄漏聲波。在輸氣管道中，該泄漏聲波在超聲波范圍內(nèi)，以聲波向管道兩端傳播，可由相應(yīng)的聲學(xué)傳感器檢測(cè)到。通過(guò)檢測(cè)泄漏聲波信號(hào)，尋找信號(hào)的最大點(diǎn)即可進(jìn)行泄漏定位。這類方法的普遍缺點(diǎn)是不能連續(xù)檢測(cè)管道（聲波法出外），而實(shí)際管道發(fā)生泄漏是無(wú)法預(yù)知的，在每時(shí)刻管道的每一點(diǎn)都需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以它們一般不作為主要管道的檢測(cè)手段。
