一種新型車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)
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作者：鄭曉敏
天然氣管道泄漏的原因很多，生產(chǎn)制造、安裝施工、使用、安全管理等有所疏忽都會引起天然氣泄漏事故的發(fā)生。天然氣在送到最終用戶之前，為助于泄漏檢測，要用硫醇等給天然氣添加氣味。最原始的泄漏檢測方法就是“聞”，隨著科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的電子鼻——天然氣檢測儀，其原理各異。當(dāng)前城市管網(wǎng)主要以人工巡檢為主，管網(wǎng)密布，工作量大，在檢查出結(jié)果之前，可能事故已經(jīng)發(fā)生，所以迫切需要一種快速高效的檢測設(shè)備。車載燃?xì)鈾z測的模式有效地利用了設(shè)備的檢測靈敏度和汽車的機(jī)動性，解決了輸氣管道和配送管道的泄漏巡檢，檢測系統(tǒng)提供了泄漏早期預(yù)警的功能，可以與管網(wǎng)的GIS系統(tǒng)一起構(gòu)成早期預(yù)警系統(tǒng)。
1 TDLAS燃?xì)鈾z測技術(shù)的原理
TDLAS (Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜)技術(shù)是一種光譜吸收技術(shù)，是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄帶寬和波長隨注入電流改變的特性實(shí)現(xiàn)對分子的單個(gè)或幾個(gè)距離很難分辨的吸收線進(jìn)行測量。根據(jù)朗伯一比爾(Lambert-Beer)定律，可通過測量氣體對激光的衰減來確定氣體的濃度。采用TDLAS技術(shù)進(jìn)行氣體探測的主要特點(diǎn)是：①高選擇性、高分辨光譜技術(shù)，實(shí)用指標(biāo)可以達(dá)到ppm量級，即使路面上存在微量泄漏的燃?xì)庖材軝z測到；②對于所選用的工作波段，水分和其他氣體幾乎沒有吸收，使系統(tǒng)具有良好的選擇性，路面上的汽車尾氣等非甲烷碳?xì)浠衔飳y量不會產(chǎn)生干擾；③響應(yīng)速度快、靈敏度高，使得車載檢測技術(shù)成為氣體的實(shí)時(shí)測量和在線檢測技術(shù)，TDI．AS探測器的時(shí)間分辨率可以在ms量級，整個(gè)檢測系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為0.2 s；④穩(wěn)定性、重現(xiàn)性好，檢測結(jié)果是穩(wěn)態(tài)的，不是瞬時(shí)變化的，零點(diǎn)穩(wěn)定不漂移，便于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和分析處理；⑤安全性高，防爆性好，使用壽命長。
2車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際巡檢工作的需求，設(shè)計(jì)了車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的功能，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)電源來源于車輛自帶電源輸出或者蓄電池，TDLAS探測器安裝于車輛正前方，測量信息反饋到放置于車廂內(nèi)的控制箱，控制箱具有分析信息和手動配置系統(tǒng)參數(shù)的功能，并對測量信息進(jìn)行存儲；與控制箱電纜連接的顯示器可以顯示檢測結(jié)果和地理定位、車速等信息；如果天然氣濃度超標(biāo)，顯示器會發(fā)出報(bào)警，需要現(xiàn)場工作人員給予反饋；車載系統(tǒng)的行駛路線和檢測信息會通過遠(yuǎn)程傳輸模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)街锌厥业腉IS系統(tǒng)，現(xiàn)場濃度超限報(bào)警時(shí)GIS系統(tǒng)也會有相應(yīng)報(bào)警提示，直至工作人員做出反饋。
3 車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1 電氣部分的功能實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)選用國產(chǎn)的TDLAS傳感器，型號為CRP-1 000，甲烷的有效檢測濃度達(dá)10 ppm（本文中ppm均表示體積濃度比，lppm相當(dāng)于1 cm3／m3．下同）以上，響應(yīng)速度小于0.5 s。地理定位模塊選用市場上尺寸最小、完全國產(chǎn)化的北斗/GPS模塊UM220系列，集成度高、功耗低，定位精度可以達(dá)到2m。信息遠(yuǎn)程傳輸模塊采用GSM／GPRS通訊的方式，模塊主要由SIMCOM公司SIM900A芯片構(gòu)成，屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，工作頻率為GSM／GJPRS 850 MHz/900 MHz／1800 MHz/1 900MHz。現(xiàn)場信息顯示部分使用北京迪文的串口液晶屏DMT系列，使用DGUS來進(jìn)行開發(fā)，可以實(shí)時(shí)顯示甲烷濃度數(shù)據(jù)、歷史濃度曲線、光路衰減值等信息，工作人員通過觸摸屏幕進(jìn)行人機(jī)交互。CPU選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F105RCT6，具有高性能、低成本、低功耗的嵌入式程序應(yīng)用的ARM Cortex-M3內(nèi)核，64引腳LQFP封裝，256 kB的內(nèi)部FLASH，兩路支持同步／異步通訊的USART和三路同步通訊的UART。系統(tǒng)單片機(jī)采用keiluvision4平臺嵌入式程序開發(fā)，C語言編程，協(xié)調(diào)以上功能模塊工作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)功能設(shè)置、檢測信息處理、現(xiàn)場報(bào)警和信息存儲、顯示、回查、出示檢測報(bào)告等功能。車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的上位機(jī)是基于天然氣管網(wǎng)的GIS系統(tǒng)平臺開發(fā)的，可同時(shí)接受多個(gè)現(xiàn)場車輛位置信息、氣體濃度值和報(bào)警信息，GIS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、存儲，濃度超限后必須手動確定取消報(bào)警，系統(tǒng)提供檢測信息查詢功能。車載設(shè)備的電源電壓為DC12 V，通過供電系統(tǒng)模塊提供DC3.3 V、DC4 V等所需電壓。
3.2 結(jié)構(gòu)部分的功能實(shí)現(xiàn)
3.2.1 系統(tǒng)采樣方式的確定
一般采樣方式有泵吸式和擴(kuò)散式，前者是儀器帶有一個(gè)小型氣泵，對待測區(qū)域的氣體進(jìn)行抽氣采樣，將樣氣吸入特定檢測空間進(jìn)行檢測，此方式需要考慮泵的流量和車速，需要一定時(shí)間才能把取樣氣體吸入檢測空間；后者是被檢區(qū)域的氣體通過氣體的自然擴(kuò)散進(jìn)行檢測，傳感器需要置于空氣中有效距離內(nèi)感知到被測氣體，此方式檢測速度快，但是受環(huán)境溫度、風(fēng)速影響較大。由于車載式燃?xì)鈾z測系統(tǒng)移動速度較快的特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)選用擴(kuò)散式采樣。
3.2.2設(shè)備總體結(jié)構(gòu)
車載燃?xì)庑孤┰O(shè)備結(jié)構(gòu)圖框如圖2所示。
探測器及支撐結(jié)構(gòu)安裝于車前方，設(shè)計(jì)了適用于汽車和電動摩托車的兩種形式結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)構(gòu)類似但光程不同�？刂葡浜惋@示器放在車內(nèi)，相互之間使用電纜通訊，控制箱通過保護(hù)套管內(nèi)的光纖將激光信號傳到安裝于車前方的TDLAS探測器，探測器通過鏡頭發(fā)出激光，光路裸露在大氣環(huán)境里，直接采樣，支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)有探測器的防護(hù)裝置和光路的反射結(jié)構(gòu)，探測器鏡頭接受反射光，并轉(zhuǎn)化成反饋信號，通過保護(hù)套管內(nèi)的電纜傳給控制箱，控制箱實(shí)時(shí)處理信息。如果甲烷濃度超限則顯示器現(xiàn)場發(fā)出報(bào)警聲，工作人員操作按鈕或觸摸屏，反饋給系統(tǒng)信息。探測器通過壓環(huán)固定在安全防護(hù)裝置上，安全防護(hù)裝置與移動的車輛安裝為一體。如果工作時(shí)探測器鏡頭有灰塵或污漬，控制器中光路衰減值超標(biāo)，系統(tǒng)會提示吹掃，安裝于車廂內(nèi)的小型氣泵通過氣管吹掃探測器鏡頭，以達(dá)到清潔目的。
探測器及支撐結(jié)構(gòu)由防護(hù)套筒、TDLAS探測器安裝結(jié)構(gòu)、安裝壓環(huán)、電纜保護(hù)套、氣管與清潔泵組成，如圖3所示。整個(gè)設(shè)備安裝于車前保險(xiǎn)杠的前下方，探測器與支撐架另一端的反射鏡構(gòu)成光路，支撐架結(jié)構(gòu)牢固，具有防止撞擊、保護(hù)光路的作用。光路上方安裝有防護(hù)罩，防護(hù)罩兩端加橡膠墊安裝于支撐架上，并且探測器頭部和反射鏡外面分別安裝有防護(hù)套筒組件，使設(shè)備能夠適應(yīng)風(fēng)、雨雪和泥濘道路等多種場合作業(yè)。車廂內(nèi)的清潔泵通過氣管將空氣輸送到吹氣孔，吹氣孔位于鏡頭前方，正對鏡頭處。探測器鏡頭和發(fā)射鏡外部分別安裝有防護(hù)套筒，加強(qiáng)了設(shè)備的安全保護(hù)，也方便了車載設(shè)備的清洗；在檢測車開始巡檢前，需要旋動防護(hù)套筒組件上的鎖緊螺母，移動壓板到下限位，打開套筒；旋轉(zhuǎn)螺母進(jìn)入套筒底板的凹槽內(nèi)，然后旋緊鎖緊螺母，鎖定壓板位置。相應(yīng)地在探測器不工作時(shí)，需要移動壓板到上限位，旋動螺母鎖定其位置。
控制箱整體為便攜式設(shè)計(jì)，如圖4所示。其內(nèi)部器件位置合理、集中緊湊、接線方便、外形美觀；后面板和側(cè)壁設(shè)有通風(fēng)孔，保證散熱效果，底板設(shè)有固定孔，可安裝支撐腳也可用于固定。
顯示器設(shè)計(jì)簡單、安裝方便、小巧大方、耐用，可根據(jù)需要放置，工作人員在開車的同時(shí)可以清晰地看到監(jiān)測數(shù)據(jù)并與上位機(jī)通訊，進(jìn)行各項(xiàng)操作。如圖5所示，顯示器正面是觸摸屏和電源、網(wǎng)絡(luò)連接、報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警音量調(diào)節(jié)4個(gè)按鈕，可以方便地打開更換通訊卡或進(jìn)行其他操作。
4 車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的測試
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和第三方檢測機(jī)構(gòu)測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能快速發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境中存在的微量甲烷泄漏，并告知工作人員做出相應(yīng)處置。
4.1 車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的標(biāo)定
基于TDLAS原理的燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)屬于線性可燃?xì)怏w探測器，是實(shí)現(xiàn)長距離、開放空間泄漏探測的測量系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體環(huán)境條件，可調(diào)整監(jiān)測距離。用于開放空間的擴(kuò)散式采樣氣體檢測儀屬于非標(biāo)產(chǎn)品，它測量的是可燃?xì)怏w的濃度和擴(kuò)散范圍的綜合指標(biāo)，國家還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定其標(biāo)定方法。結(jié)合設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，北京東方計(jì)量測試研究所與項(xiàng)目組共同研究制定了標(biāo)定方案，設(shè)計(jì)了專用標(biāo)定系統(tǒng)，如圖6所示。系統(tǒng)主要對CH4含量為O ppm、10 ppm、1 000 ppm和10 000 ppm的4個(gè)體積濃度值進(jìn)行重點(diǎn)測試，以標(biāo)準(zhǔn)氣體和現(xiàn)場制備的標(biāo)定氣體作為系統(tǒng)的非電量輸入量，擴(kuò)散到測量容器內(nèi)，被探測器感知輸出系統(tǒng)測量結(jié)果，做出圖表，分析輸入、輸出量。基于設(shè)備的結(jié)構(gòu)，標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用的測量容器。
根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14070-1993《氣體分析校準(zhǔn)用混合氣體的制備壓力法》，采用靜態(tài)氣體配氣的方法制備標(biāo)定氣體。標(biāo)定結(jié)果表明，設(shè)備最大測量誤差在5%以內(nèi)，滿足使用要求。車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)屬于計(jì)量性質(zhì)的安全保障產(chǎn)品，根據(jù)《中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG693-2011》中《可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器》部分的規(guī)定，設(shè)備的檢定周期一般不超過1年。
4.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件測試
2014年9月4日至10日委托中科卓信軟件測評技術(shù)中心對系統(tǒng)軟件進(jìn)行功能測試，依據(jù)GB/T25000. 51- 2010《軟件工程軟件產(chǎn)品質(zhì)量要求和評價(jià)( SQuaRE)商業(yè)現(xiàn)貨(COTS)軟件產(chǎn)品的質(zhì)量要求和測試細(xì)則》，測試結(jié)果符合項(xiàng)目要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
5應(yīng)用實(shí)例
車載燃?xì)鈾z測系統(tǒng)于2014年10月份在中石化普光氣田301集氣站進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，在301集氣站口和6#閥室沿途管路試用3 d，未發(fā)現(xiàn)明顯的天然氣泄漏，與其他設(shè)備檢測的結(jié)果吻合。沿途人為釋放少量甲烷氣體，探測器及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了泄漏情況，濃度為33 ppm（報(bào)警闕值設(shè)置為10 ppm），現(xiàn)場報(bào)警并將信息無線傳輸?shù)竭_(dá)州基地的控制室。
系統(tǒng)于2015年初在北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)第二分公司試用，參加市區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)日常巡檢。4月14日在左家莊一社區(qū)內(nèi)，設(shè)備報(bào)警，顯示濃度110 ppm，與同時(shí)巡檢的德國某廠家設(shè)備數(shù)據(jù)一致，經(jīng)進(jìn)一步分析，為雨后污水散發(fā)出的氣體，非燃?xì)庑孤?月16日在望京醫(yī)院附近進(jìn)行泄漏檢測，設(shè)備顯示濃度20 ppm，發(fā)出報(bào)警，預(yù)判為燃?xì)庑孤�，采取了進(jìn)一步措施。
6摘要：通過分析燃?xì)馓匦�、使用現(xiàn)狀和燃?xì)夤镜膶?shí)際需求，根據(jù)TDLAS燃?xì)鈾z測技術(shù)原理，提出車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)施方法。研究了采用擴(kuò)散式采樣方式的氣體檢測設(shè)備的標(biāo)定方法，設(shè)計(jì)了設(shè)備的標(biāo)定系統(tǒng)，提出了擴(kuò)散式氣體檢測設(shè)備標(biāo)定規(guī)范的思想，并通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了車載燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的可行性。
