一种便携式四氢噻吩检测系统的研究与开发

2020-10-09卓勇刘宏伍淑辉刘楚茹杜志波母小琳葛亮

石油工业技术监督 2020年5期

卓勇，刘宏，伍淑辉，刘楚茹，杜志波，母小琳，葛亮

1.中国石油天然气股份有限公司西南油气田燃气分公司（四川成都 610031）2.西南石油大学（四川成都 610500）

0 引言

查阅相关资料显示，我国2018年发生燃气爆炸事故814起，其中室内540起，室外274起。天然气无色无明显气味，极易引发爆燃爆炸事故，在使用或检测不当时容易发生窒息、中毒致死亡事件。为能够及时发现天然气泄漏，国内外普遍采用加注四氢噻吩加臭剂，保证燃气内四氢噻吩的浓度符合国家标准，对于天然气在发生泄漏时能够快速、准确地检测到具有重要的作用。

城市燃气中四氢噻吩的浓度是天然气在发生泄漏过程能够被快速发现的重要保证，许多成熟的检测产品如气相色谱仪、加臭剂检测系统等已经在国外大量应用[1-4]。气相色谱仪对四氢噻吩这种加臭剂具有很高的测量精度，但是这种仪器价格昂贵，每台的价格在五六十万左右[5-6]，同时配件复杂，难以移动，不利于便携使用。加臭剂检测系统一般是多台组合成加臭剂在线检测平台共同使用，组成一个传感网，该平台可实现整个管网整体加臭剂浓度数据的实时监测，但是操作比较繁琐，需要搭建整个检测系统，无法快速、便捷地检测城市燃气中的四氢噻吩浓度。便携式检测系统因其仪器体积小、检测方便快捷、价格经济实惠等优点，能够在一线生产现场独立地完成四氢噻吩浓度的检测，方便、快捷地完成加臭剂浓度检查，保障用户的用气安全，因此研制一种检测城市燃气四氢噻吩浓度便携式系统具有十分重要的意义。

1 城市燃气四氢噻吩的特点及监测系统结构

1.1 四氢噻吩的检测特点

国内外对于天然气加臭剂的选择，因含硫加臭剂具有强烈的刺激性气味，能够快速被人体器官发觉所以被广泛采用。早期国内外大量使用乙硫醇作为天然气首选加臭剂，因其具有毒性并且经济成本较高，后来采用四氢噻吩（Tetrahydrothiophene，缩写THT）取代乙硫醇，成为目前世界范围内使用最广泛的燃气加臭剂。相对于乙硫醇，THT具有一系列优点，在终端燃气加臭领域广泛使用，具体表现为化学稳定性高、常温下以液相存在。THT不溶于水、损耗较低不会造成水体污染，具有浓烈的刺激性气味和明显的指示作用。THT化学性质比较稳定，抗氧化物反应强，不会与运输材料中的塑料、薄膜和管道中的氧化物质发生反应，损耗率低。THT虽然也具有强烈的刺激性气味，但是毒性低，对人危害小[7-9]。

1.2 监测系统结构

气体传感器输出4～20 mA标准信号，通过标准250 Ω采样电阻转化为相应的1～5 V电压信号，处理器的10位A/D通道采集处理并显示，最后DTU将串口数据转换为IP数据，通过无线通讯网络发送至上位机。硬件总体示意图如图1所示。

图1 四氢噻吩监测系统框图

2 便携式四氢噻吩检测系统的硬件设计

2.1 电源电路设计

在电气化仪器快速发展的今天，仪器电路根据功能、性质等因素发展为多种多样的电路，但是这些电路都需要电源电路提供电能以保证整体系统能够正常运转，完成电路的功能任务。电路中包含模拟信号的采集和数字信号的处理，因此要设计稳定的电源供电系统来提高系统的稳定性。整个硬件系统需要单极性电源24 V、5 V和3.3 V供电，包括传感器、LPC1758处理器、LED、max485、DTU等。WB_S_系列DC-DC电源拥有宽电压输入、短路过流保护，隔离保护电压约为1 500 V，最佳使用温度范围-40～85℃，特别设计了低压时空保护和输出可自由开闭等功能。为了降低输入输出纹波所带来的的干扰，在输入输出端分别添加LC滤波网络，如图2所示。

2.2 LPC1758最小系统设计

图2 220 V转24 V、5 V、3.3 V电源电路图

本系统采用LPC1758芯片，该芯片采用性能较高的ARM Cortex-M3 32位的ISC内核，采用100 MHz的工作频率。该芯片能够内置高速存储器以快速准确地完成数据存储任务，解决生产现场的条件限制。该芯片包含8通道12位的模数转换电路和10位的数模转换电路，能够完成本仪器的数据处理任务。该芯片内置4个通用16位定时器，电机控制PWM接口能够保证设置自动采集数据的程序，实现自动测量功能。该芯片包含多种通信接口，如3个I2C、SPI、2个I2S、1个SDIO、4个USART、1个USB Host/Device/OTG接口和2个CAN、Ethernet MIC接口、Quadrature Encoder interface，能够与市场上绝大多数的通信方式配合，完成下步深入的开发。其最小系统电路如图3所示。

图3 LPC1758最小系统外部晶振电路与复位电路

2.3 A/D转换设计

LPC1758自带12位高精度A/D转换接口，不需要额外的外部A/D转换芯片，简化了系统电路设计。气体传感器输出标准4～20 mA电流，由于A/D采集接口只能采集电压，因此经由250 Ω采样电阻转换为1～5 V电压，电路如图4所示。

图4 A/D转换电路设计

2.4 RS485串口通讯

本仪器的设计采用RS485的通讯方式，使用本通讯方式中差分信号输入的功能特点降低信号传输过程中的共模干扰。根据了解，天然气检测现场环境一般比较复杂，干扰的因素较多，采用此通信方式有助于提高通信的可靠性，利于检测数据的存储和后续处理与分析。串口通讯电路设计如图5所示。

图5 RS485串口通讯电路设计

3 便携式四氢噻吩检测系统的软件设计

3.1 仪器检测流程设计

检测软件设计流程大致如下：首先经过服务器配置模块，对相应的通信参数进行配置，如映射串口通道配置，波特率配置等相关参数的配置。在参数配置完成并确认配置无误之后由指令发送模块进行数据查询指令的发送。此时远程端下位机接收到数据查询指令后，将实时的加臭剂浓度传输回上位机端，由上位机确认接收到下位机传回的包含实时数据信息的有用字符串后，进行数据提取、数据数值显示，并配合第三方数据库相关操作，对实时采集的数据进行存储。另外设计程序可实现根据需要对历史数据进行实时查询与调用。

3.2 整体框架设计

软件部分设计主要分为服务器配置模块、指令发送模块，数据字符接收模块、有用信号提取模块、数据数值和波形显示模块、数据实时存储与查询模块等。程序首先通过服务器配置模块配置远程通信协议，选定对应的映射串口以及数据传输波特率，完成相应的配置工作之后，进行数据指令的发送，远程接收到数据发送指令时将数据以无线传输的方式，通过网络发送回上位机以便在完成测量后能够对数据进行进一步的操作与处理。数据接收完成后，通过程序对上传接收到的包含数据信息的字符串进行转换与提取，提取出的有用信号进行实时数值显示，并通过波形显示数据的实时趋势。使用数据库相关操作控件，设计搭建完成数据库的数据存储功能，以便进行历史数据的随时查询。设计历史数据库查询程序，实现历史数据的实时查询。其具体框架设计如图6所示。

图6 便携式四氢噻吩检测系统软件框架设计

3.3 检测结果提取及显示软件设计

上位机软件经过无线网路传输后接收到的数据为包含实际有用信息的字符串。要进行后续的数据实时显示与处理，首先需要将有用数据从包含该有用数据的字符串中提取出来，完成准确提取的前提下可进行后续处理。在数据提取部分首先将字符串转换为数组类型数据，提取数组中有用数据，并按十进制还原数据。数据还原完成后，由数值显示控件对所得结果进行数值显示，并将同类数据进行捆绑，由波形图表进行数据曲线的实时显示。两路数据对比观测，趋势走向清晰，对比明显。注意在波形图绘制时应将时间匹配为实际数据采集的时间。至此，检测结果提取及显示程序设计完成。

4 系统实验测试与分析

4.1 四氢噻吩标定实验

为了验证便携式四氢噻吩检测系统的测量精度，对该检测系统进行标定，标定测试所用的四氢噻吩标气瓶浓度为19.8 mg/m3。同时为了和国外精准的色谱仪进行对比，将西南油气田分公司的气相色谱仪也加入标定测试实验。将标气瓶分别与本装置和气相色谱仪相连进行标定测试，测试结果见表1。通过分析可得该传感器具有较高的测量精度，与气相色谱仪相比差异很小，标定效果较好。

表1 便携式四氢噻吩检测系统标定实验数据

4.2 仪器整机测试实验

标定实验验证了该四氢噻吩传感器具有较高的测量精度，因此可用于用户端天然气中四氢噻吩含量的实测。表2为西南油气田分公司的现场实测数据，在计算机上可实时监测该出口端的四氢噻吩浓度。四氢噻吩传感器的测试结果平均值为45.42 mg/m3，气相色谱仪测试平均值为43.73 mg/m3，其中检测系统的相对误差为3.86%。

表2 便携式四氢噻吩检测系统整机测试实验数据

4.3 测试结果分析

便携式四氢噻吩检测系统进行四氢噻吩标定实验、多次系统整机测试实验、仪器现场应用测试等循序渐进的测试，通过与检测精度非常高的气相色谱仪对比，本仪器具有较好的四氢噻吩检测准确性，在整体在线检测时具有较高的稳定性，能够较为稳定地测出天然气中的加臭剂四氢噻吩含量。本仪器具有较好的测量效果和较高的实用价值，在石油天然气泄漏检测、四氢噻吩浓度检测行业具有较大的应用空间。