吳忠,褚成浩

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波315812）

燃氣是我國重要能源之一，當其發(fā)生泄漏時，容易帶來爆炸與火災，對人類生命和財產(chǎn)造成了嚴重威脅[1]。所以，如何防止燃氣泄漏成為了當前重點解決問題。目前，油庫中油罐、管道、控制閥門、各個儲油區(qū)連接處發(fā)生油品泄漏情況比較多，主要原因包括設備密封性能較差、錯誤操作等[2，3]。為了及時發(fā)現(xiàn)油品泄漏問題，采取有效處理，需要在容易發(fā)生油品泄漏位置安裝監(jiān)測裝置，起到實施監(jiān)測作用，本文著重探究監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器節(jié)點設計方案。

1 油庫油品泄漏監(jiān)測集氣裝置結(jié)構設計及傳感器模塊配置

1.1 傳感器模塊需求分析及傳感器模塊配置

本研究以航空燃油油品為例，探究油氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器節(jié)點布設方案。由于此類油品中由多種氣體組成，以芳香烴類物質(zhì)為主，所以本研究選取PID探測器作為監(jiān)測裝置。該裝置支持芳香烴有機物電離，作業(yè)期間兩個電極產(chǎn)生電流，其他惰性氣體、CO2、O2不會受環(huán)境影響發(fā)生電離。其作業(yè)原理是將信號采取放大處理，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理輸出的數(shù)據(jù)與濃度相關，利用單片機對輸出數(shù)據(jù)進行二次處理，從而獲取油品泄漏濃度值[4]。在PID檢測裝置的作用下，能夠在不破壞氣體的情況下獲取原有氣體濃度信息[5]。所以，PID探測器比較適合應用于油品泄漏監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)中。

由于探測器需要準確檢測有機混合物，從功耗、靈敏度、檢測范圍等多項指標綜合考慮，選取型號為APP6018001裝置作為探測器。該裝置作業(yè)電流范圍20～40mA，電壓范圍3.2～10V，輸出模擬信號0.05～2.5V，3s內(nèi)完成響應。其中，模擬信號將輸送到單片機中，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊處理，得到數(shù)據(jù)信號，作為油品泄漏判斷依據(jù)[6]。

1.2 油庫油品泄漏監(jiān)測集氣裝置結(jié)構

當油氣處于露天環(huán)境時，油氣擴散方向及程度容易受環(huán)境氣候影響，不利于油品泄漏監(jiān)測，油氣泄漏不嚴重情況下監(jiān)測結(jié)果不準確[7]。為了提高裝置監(jiān)測靈敏度，需要添加一套高效氣體收集裝置，對該裝置的探測器配置要求較高，利用探測器主動采集油氣泄漏信息。按照此設計要求，本研究選取PID探測器作為監(jiān)測裝置，設計了一套漏斗形集氣裝置（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)集氣裝置

圖1中，系統(tǒng)集氣裝置由集氣罩、傳感器、氣泵、罩殼、太陽面板4部分組成，選取ZPP6018001型號PID探測器作為監(jiān)測工具，安裝于氣泵與漏斗之間。

該設計方案中集氣裝置存在以下三個特點，能夠彰顯出本裝置設計方案優(yōu)勢：1）以漏斗形裝置布設，可以大大提高氣體匯入性能；2）該裝置采用微型氣泵作為氣體匯入控制裝置，功耗較低，吸入氣體作業(yè)效率較高，測量穩(wěn)定性較強；3）裝置管道以變截面為主，通過控制氣壓，使得氣體在檢測室快速擴散，以此提高裝置檢測靈敏度。

關于集氣裝置氣泵的選取，以功耗、外形體積、作業(yè)電壓、負載電流等作為裝置選取參考依據(jù)。綜合各項需求，選取型號為GminniP-4裝置作為微型泵配備材料，其作業(yè)功率為150mW，電壓3V，負載電流50mA?？紤]到本裝置在露天環(huán)境下溫度變化范圍比較大，為了避免溫度對檢測精準度造成影響，本研究選取DS18B20作為溫度測量儀器，該儀器測量精度為0.5℃，與現(xiàn)場溫度測量需求相符。

2 傳感器節(jié)點結(jié)構設計及工作原理

傳感器節(jié)點結(jié)構以單片機作為控制中心，通過對無線收發(fā)模塊、電源模塊、傳感器模塊進行有效控制，從而實現(xiàn)油庫環(huán)境中油品泄漏監(jiān)測。為傳感器節(jié)點結(jié)構設計方案（見圖2）。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構設計方案

圖2中，該結(jié)構的核心控制器為MSP430F2618單片機，在單片機的控制下，使得各個模塊有序作業(yè)。另外，選取CC2520模塊作為信息發(fā)送和接收裝置，以無線通信技術作為模塊開發(fā)工具，以此減少節(jié)點信息發(fā)送與接收受環(huán)境的約束。傳感器模塊是節(jié)點結(jié)構的數(shù)據(jù)來源，利用PID控制器采集環(huán)境油品泄漏信息，為了避免數(shù)據(jù)精準度受環(huán)境影響，添加了溫度補償處理，以DS18B20采集到的溫度信息作為補償計算依據(jù)。結(jié)構中各個模塊作業(yè)均依靠電源模塊提供電能，根據(jù)設備作業(yè)供電電壓需求不同，利用電壓裝換裝置調(diào)節(jié)供電電壓。

本設計方案采用周期循環(huán)作業(yè)管理模式，對油庫環(huán)境中油品泄漏情況進行實時監(jiān)測。工作原理為：在單片機作用下，開啟氣泵作業(yè)模式，而后下達傳感器作業(yè)命令，利用PID傳感器采集環(huán)境中的油品氣體信息，利用溫度傳感器采集環(huán)境溫度信息，利用后者采集到的信息，對前者氣體檢測結(jié)果進行溫度補償處理，在A/D轉(zhuǎn)換作用下得到數(shù)據(jù)信號。將此數(shù)據(jù)與設定閾值范圍進行對比，如果超出范圍，則油品異常，反之，油品正常。如果檢測結(jié)果為異常，關閉氣泵，向管理中心發(fā)送油品異常信號，等待處理命令的下達。如果檢測結(jié)果為正常，同樣關閉氣泵，向管理中心發(fā)送油品正常信號，結(jié)束本次監(jiān)測操作，開啟下一時段油品監(jiān)測。按照此作業(yè)過程循環(huán)監(jiān)測，從而實現(xiàn)油庫現(xiàn)場油品泄漏實時監(jiān)測。

3 單片機控制系統(tǒng)與傳感器節(jié)點設計

3.1 單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)選取MSP430F2618單片機作為核心控制器，該裝置支持4種工作模式，功耗較低，可以在1之內(nèi)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入作業(yè)狀態(tài)，具有極強的環(huán)境時應能力，滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。為單片機最小系統(tǒng)（見圖3）。

圖3 單片機最小系統(tǒng)

圖3中，ADG821模擬控制開關與單片機P1.5接口和P1.6接口連接，作為作業(yè)模式模擬控制信號輸入端，通過P3.4、UTXD0與PID控制器端口連接，實現(xiàn)油品環(huán)境信息采集。將單片機P2.0接口與DS18B20建立連接，為溫度補償處理提供數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊進行處理，從無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至油庫管理中心。其中，無線模塊通信端口與單片機P3和P4接口連接。

3.2 信息采集

本研究方案利用單片機控制傳感器作業(yè)狀態(tài)，所以信息采集模塊時在單片機的控制下進行作業(yè)，切換溫度傳感器和PID傳感器作業(yè)狀態(tài)，使得兩種信號從模擬輸入端進入單片機，完成信息采集。其中，開啟氣泵和傳感器的控制開關為ADG821，當此開關從斷開狀態(tài)切入到閉合狀態(tài)時，傳感器開始作業(yè)。由于傳感器輸出信號的電壓與A/D轉(zhuǎn)換模塊作業(yè)電壓相同，所以省去了信號放大處理環(huán)節(jié)。

3.3 傳感器測量溫度補償

依據(jù)PID傳感器信號輸出精度與環(huán)境溫度之間的關系，設定傳感器溫度標定點為20℃。開啟溫度傳感器作業(yè)模式后，采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)會返回單片機，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到溫度數(shù)據(jù)。單片機程序運行下，自動計算此部分溫度數(shù)據(jù)和標定溫度的差值，從而推理出溫度與PID傳感器數(shù)據(jù)精度關系，依據(jù)溫差修正PID輸出數(shù)據(jù)，得到修正值。其中，PID數(shù)據(jù)修正處理是以軟件程序控制的方式，完成了數(shù)據(jù)補償處理。

3.4 無線通信設計

由于傳感器布設節(jié)點數(shù)量較多，并且距離監(jiān)控管理中心比較遠，如果采用有線通信模式，不僅會加大通信成本，而且增加維護工作量。因此，本監(jiān)控系統(tǒng)采用無線通信模式傳輸油品狀態(tài)信息?？紤]到油庫環(huán)境較為特殊，容易受大風等天氣影響，所以對無線通信裝置的作業(yè)性能要求極高。另外，為了全面監(jiān)測油庫油品狀態(tài)，所以需要大面積布設傳感器節(jié)點，采用組建基站的模式，建立節(jié)點網(wǎng)狀結(jié)構。綜合考慮這些需求，本研究方案選取CC2520芯片作為控制裝置，設定作業(yè)頻率為2.4GHz。該作業(yè)頻率滿足IEEE802.15.4通信協(xié)議，能夠搭建無線射頻信息發(fā)送與接收鏈路。其中，單片機與CC2520芯片的SPI接口連接，實現(xiàn)信號傳送連接。

3.5 系統(tǒng)供電設計

由于油氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對供電裝置的穩(wěn)定性、安全性要求較高，所以本研究方案選取鋰電池作為供電模塊設計材料。目前，我國倡導節(jié)能，希望多項操作都可以利用可再生能源供電。因此，本系統(tǒng)供電模塊利用太陽能電池板作為供電裝置，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。為了充分利用能源，本設計方案添加了充放電控制器，在滿足系統(tǒng)裝置供電需求的同時，將多余的電量存儲在鋰電池中。當太陽能不充足時，利用存儲的電能供電，以保證系統(tǒng)可以在無陽光或者沒有陽光的情況下長時間持續(xù)作業(yè)。

本供電模塊選取TPS63031芯片作為供電狀態(tài)控制芯片，用于切換模塊充放電作業(yè)狀態(tài)。其中，芯片的作業(yè)效率為96%，能夠在-40～50℃環(huán)境下正常作業(yè)，輸入電壓范圍1.8～5.5V，輸出恒定電壓為3.3V，電容為0.4F。為了盡可能減少能量損失，本設計方案添加了2CK9型號開關二極管，支持反向擊穿電壓、正向降壓功能，以此避免能量損失過多。

4 性能測試分析

4.1 信息采集測試

本研究節(jié)點設計方案采集信息包括環(huán)境溫度信息、PID傳感器油氣濃度信息，后者以經(jīng)過溫度補償處理后的數(shù)據(jù)為準，通過對比實際數(shù)值和測量數(shù)據(jù)精準程度，從而判斷本方案信息采集性能是否可靠。本次實驗組織3次測試（見表1）。其中，溫度數(shù)據(jù)測量精準度不得低于97%，油氣濃度測試精準度不得低于96%。

表1 信息采集測試結(jié)果

表1中測試結(jié)果顯示：本設計方案可以準確采集溫度信息和油氣泄漏濃度信息，精準度皆在97%以上。所以，利用本方案采集到的數(shù)據(jù)信息可以作為油氣泄漏判斷依據(jù)。

4.2 信息傳輸測試

無線通信模塊作為節(jié)點信息傳輸工具，實現(xiàn)了信息采集的價值，即將油氣泄漏信息從現(xiàn)場發(fā)送至監(jiān)管中心，為油庫油品管理提供可靠信息，從而實現(xiàn)本方案的應用價值。其中，通信模塊信息傳輸準確性是實現(xiàn)應用價值的關鍵，本次測試對信息傳輸精準度進行測試（見表2）。

表2 信息傳輸測試結(jié)果

表2中，3組測試結(jié)果均顯示無線信息傳輸模塊設計方案可靠，利用該模塊可以準確傳輸油氣泄漏相關信息。

4.3 系統(tǒng)供電穩(wěn)定性測試

系統(tǒng)供電裝置作為節(jié)點架構中各個設備作業(yè)能源供應控制器，其供電穩(wěn)定性對節(jié)點作業(yè)影響較大。本次測試以3個連續(xù)陰雨天氣作為測試環(huán)境，檢驗該裝置是否可以滿足此條件下的系統(tǒng)供電需求（見表3）。

表3 系統(tǒng)供電穩(wěn)定性測試結(jié)果

表3中測試結(jié)果顯示：本供電方案支持連續(xù)3天陰雨天氣供電，供電穩(wěn)定性較高。

本文以油庫油品泄漏問題處理作為研究切入點，提出油氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點設計，根據(jù)監(jiān)測功能、作業(yè)環(huán)境等需求，合理選取硬件設備，搭建系統(tǒng)節(jié)點框架結(jié)構。在MSP430F2618單片機控制下，通過PID傳感器和DS18B20傳感器采集數(shù)據(jù)信息，作為油氣泄漏判斷依據(jù)。測試結(jié)果表明，本設計方案能夠精準采集數(shù)據(jù)信息，傳輸期間可以抵御環(huán)境干擾，支持長期陰雨天連續(xù)作業(yè)。