CN107290391B - 一种基于线性半导体的油气探测器及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性半导体的油气探测器，该油气探测器包括中央处理模块，电源转换模块，与中央处理模块相连的信号调理模块、人机接口模块、模拟信号输出模块、数字信号输出模块以及与信号调理模块相连的线性半导体传感器；电源转换模块为油气探测器的其它模块供电；半导体传感器将油气浓度转换成电压信号，输送给信号调理模块；中央处理模块用于接收其它模块输入的模拟、数字信号，输出模拟、数字信号，并控制人机接口模块。本发明以低廉的成本实现对原油挥发物的快速检测，灵敏度达到1ppm，寿命比传统进口的光离子探测器提高3倍，成本仅为光离子探测器的62.5%。

Description

一种基于线性半导体的油气探测器及探测方法

技术领域

本发明涉及一种油气探测器，可应用于中石化、中石油、中海油及地方性和民营石油企业的油田、油库、输油管线、炼化厂，快速检测原油和成品油的泄漏，替代现有的催化燃烧式、半导体式、红外线式、光离子式可燃气体探测器。

背景技术

在油田、油库、输油管线、炼化厂等场所使用的进口探测器有催化燃烧式可燃气体探测器、NDIR非色散红外线式可燃气体探测器、光离子式可燃气体探测器，这些原理的探测器对原油、汽油、柴油挥发物灵敏度太低，不能及时探测到原油、汽油、柴油的泄漏。国外的代表厂家有德国德尔格公司、美国霍尼韦尔科技集团公司、美国英思科公司。

现有技术情况：

1> 半导体传感器对目标气体的检测稳定性较差，零点漂移量大，容易在洁净空气中误报警，所以目前市场上没有采用半导体传感器测量油气的探测器。

2> 半导体传感器输出信号承抛物线性质，并且个体差异大，抛物线参数不固定。

发明内容

在油田、油库、输油管线、炼化厂等场所使用的进口、国产探测器，对原油、汽油、柴油等挥发物反应不灵敏，不能有效检测原油和成品油的泄漏，虽然计量检测合格，但是安装在现场不起任何作用，属于无效投资。

本发明采用线性半导体传感器技术，开发了一种对原油、汽油、柴油挥发物具有高灵敏度的探测器，解决传统探测器不能有效、快速发现原油及成品油泄漏的问题，该发明与传统的进口产品相比具有灵敏度高、寿命长、成本低等优势。

本发明按以下技术方案实现：

一种基于线性半导体的油气探测器，该油气探测器包括中央处理模块，电源转换模块，与中央处理模块相连的信号调理模块、人机接口模块、模拟信号输出模块、数字信号输出模块以及与信号调理模块相连的线性半导体传感器；所述电源转换模块为油气探测器的其它模块供电；所述半导体传感器将油气浓度转换成电压信号，输送给信号调理模块；所述中央处理模块用于接收其它模块输入的模拟、数字信号，输出模拟、数字信号，并控制人机接口模块。

优选的是，所述电源转换模块由一个开关型电压转换芯片U1和一个线性稳压芯片U2组成，将输入的DC24V电源转换成DC5V和DC3.3V；U1的2脚为接地脚，连接到逻辑地GND，U1的5脚为输入脚，连接24V电源，U1的5脚为使能脚，当该脚连接高点平时，芯片开始电压转换；U1的6脚为输出脚，输出一个脉宽调制电压，经过电感L1和电容C5的滤波，脉宽电压变成稳定的电压，U1的3脚为反馈脚，接收电阻R1和电阻R2的分压，用于控制输出电压稳定在5V；U2的1脚为接地脚，连接到逻辑地GND，U2的3脚为输入脚，连接DC5V电源，U2的2脚为输出脚，连接3.3V电源。

优选的是，所述中央处理模块由单片机U3和其最小系统电路组成。

优选的是，所述信号调理模块包括用作电压跟随器的运算放大器U4A和用作V/I转换器的运算放大器U4B，U4A和U4B的4脚均连接GND，U4A和U4B的8脚均连接24V，传感器的电压SI经过电阻R8和电容C13滤波，在U4A的3脚形成稳定的电压信号，U4A的2脚和1脚连在一起，用于跟随3脚的电压信号，电压信号再经过电阻R7和电容C12滤波，连接至U3的第15脚；U3的第14脚输出电压信号DAC1通过R10连接至U4B的5脚，经过运算放大后施加在电阻R15的两端，控制经过D2输出的电流信号S在4-20mA之间。

优选的是，所述线性半导体传感器包括传感器CGQ，CGQ的1脚接5V，CGQ的3脚接GND，CGQ的2脚为信号输出，通过电阻R8和电容C13组成的滤波器连接到U4A的3脚。

优选的是，所述数字信号输出模块包括RS485收发芯片U5，U5的连接逻辑地GND，U5的8脚连接5V，U5的1脚通过电阻R16连接U3的第31脚，U5的2脚和3脚为收发控制脚，通过电阻R17连接至u3的第29脚，U5的4脚连接U3的第30脚，U5的6脚为RS485的A+信号，通过电阻R20和保险丝PTC2连接到RS485总线的A，U5的7脚为RS485的B-信号，通过电阻R19和保险丝PTC3连接到RS485总线的B。

优选的是，所述人机接口模块包括用于连接显示器件的连接件JP5、发光二极管LED1、LED2、LED3；JP5的第3、4、5、6脚组合在一起用作SPI总线，连接到U3的第25、26、27、28脚；发光二极管LED1、LED2、LED3分别指示油气探测器的电源、报警、故障状态，且分别连接到U3的第45、18、46脚，当油气浓度大于设定的报警阈值时，LED2常亮；当油气浓度小于设定的报警阈值时，LED2常灭，当油气探测器的传感器有故障时，LED3常亮，当油气探测器的传感器无故障时，LED3常灭。

优选的是，所述人机接口模块还包括用于连接声光报警器的连接器SG1，SG1通过三极管Q1进行控制，SG1的2脚连接24V，SG1的1脚连接Q1的集电极，Q1的发射极连接逻辑地，Q1的基极连接U3的11脚；当油气浓度大于设定的报警阈值时，SG1发出报警音，当油气浓度小于设定的报警阈值时，SG1无报警音；所述人机接口模块还包括用于接收遥控器的信号，并按编码规则将遥控信号传送给U3的红外线接收器U6，U6的1脚连接3.3V，U6的2脚连接GND，U6的3脚为输出脚，连接U3的第38脚。

一种基于线性半导体的油气探测器的探测方法，该方法包括以下步骤：步骤一：中央处理模块对零点附近的线性半导体传感器信号变化求时间的微分，微分算法直接调用c语言math.h中的库函数；步骤二：中央处理模块对线性半导体传感器输出的抛物线信号进行线性化计算，将抛物线信号转换成直线型信号。

优选的是，步骤一具体为：对微分设一个阈值，微分值大于该阈值的信号，进行浓度计算，微分值小于该阈值的信号，浓度值直接赋值为0，同时零点值调整到当前的信号值，从而保证在线性半导体传感器的信号不稳定的前提下，油气探测器零点自动跟踪漂移，保持零点稳定；步骤二具体为：将抛物线分成两部分，第一部分近似线性，通过查表法将其转换成线性信号，查表法是通过在一个数组中列出第一部分的所有数值，将取得的原始数值作为索引值，通过索引值获得数组中的真实值；第二部分为积分曲线，通过计算信号对时间的积分转换成线性信号，积分算法直接调用c语言math.h中的库函数。

本发明有益效果：

本发明突破性的将半导体传感器技术进行了线性化，形成了国内领先的线性半导体技术，代替压力突变检测和人工巡检的检测方法，对容易泄漏的管道、储罐等设备进行实时检测，以低廉的成本实现对原油挥发物的快速检测，灵敏度达到1ppm。寿命比传统进口的光离子探测器提高3倍，成本仅为光离子探测器的62.5%。

附图说明

图1为本发明的控制原理框图；

图2为本发明的电源转换模块电路图；

图3为本发明的中央处理模块电路图；

图4为本发明的信号调理模块中的U4A电路图；

图5为本发明的信号调理模块中的U4B电路图；

图6为本发明的数字信号输出模块电路图；

图7为本发明的人机接口模块中的连接件JP5电路图；

图8为本发明的人机接口模块中的发光二极管电路图；

图9为本发明的人机接口模块中的声光报警器的连接器SG1电路图；

图10为本发明的人机接口模块中的红外线接收器电路图。

图11为本发明的零点跟踪的微分算法流程图；

图12为本发明的抛物线线性化算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于线性半导体的油气探测器，该油气探测器包括中央处理模块30，电源转换模块70，与中央处理模块30相连的信号调理模块20、人机接口模块40、模拟信号输出模块50、数字信号输出模块60以及与信号调理模块20相连的线性半导体传感器10。

电源转换模块，由一个开关型电压转换芯片U1和一个线性稳压芯片U2组成，将输入的DC24V电源转换成DC5V和DC3.3V，为油气探测器的其它模块供电。

中央处理模块，由一个单片机U3和其最小系统电路组成。是基于线性半导体传感器技术的油气探测器的核心模块，用于接收其他模块输入的模拟、数字信号，输出模拟、数字信号，并控制人机接口模块。中央处理模块负责对半导体传感器信号的线性化处理和零点跟随处理，中央处理模块通过信号分段算法、查表算法和积分算法将半导体传感器的信号进行线性化处理，中央处理模块通过微分算法对半导体传感器的零点进行动态跟随。

线性半导体传感器，将油气浓度转换成电压信号，输送给信号调理模块。

信号调理模块，包含一个运算放大器U4A、运算放大器U4B和外围电路，U4A用作电压跟随器，U4 A和U4B的4脚连接GND，U4 A和U4B的8脚连接24V，传感器的电压SI经过电阻R8和电容C13滤波，滤除15Hz以上的噪声信号，在U4的3脚形成稳定的电压信号，U4A的2脚和1脚连在一起，用于跟随3脚的电压信号，以增大信号的驱动能力，防止受ADC的影响导致传感器零点不稳定，电压信号再经过电阻R7和电容C12滤波，连接至U3的第15脚。

人机接口模块，输出部分包含3个发光二极管LED1、LED2、LED3和一个点阵OLED，用于显示油气的浓度和报警、故障等信息，还用于显示菜单和操作提示。输入部分是一个红外遥控芯片U6，接收遥控器信号并编码发送给中央处理模块。

模拟输出模块，将油气探测器检测到的油气浓度转换成对应的电流进行输出。

数字输出模块，包含RS485处理芯片U5和外围电路，将TTL信号和RS485信号相互转换，用于连接中央处理模块和外部设备。

如图2所示，电源转换模块，芯片U1是电源转换芯片，采用LV2842型芯片，其作用是将DC24V电源转换成DC5V电源，U1的2脚为接地脚，连接到逻辑地GND，U1的5脚为输入脚，连接24V电源，U1的5脚为使能脚，当该脚连接高点平时，芯片开始电压转换。U1的6脚为输出脚，输出一个脉宽调制电压，经过L1和C5的滤波，脉宽电压变成稳定的电压，U1的3脚为反馈脚，接收电阻R1和R2的分压，用于控制输出电压稳定在5V。芯片U2是线性稳压电源，采用LM1117-3.3型芯片，其作用是将DC5V电源转换成DC3.3V电源，U2的1脚为接地脚，连接到逻辑地GND，U2的3脚为输入脚，连接DC5V电源，U2的2脚为输出脚，连接3.3V电源。

如图3所示，中央处理模块，芯片U3采用STM32F051C8T6型芯片，接收输入的数字和模拟信号，输出数字和模拟信号，驱动LED和OLED显示油气探测器的状态。

如图4、图5所示，线性半导体传感器，CGQ的1脚接5V，CGQ的3脚接GND，CGQ的2脚为信号输出，通过电阻R8和电容C13组成的滤波器连接到U4A的3脚。

信号调理模块，U4是MCP6042型运算放大器，共有2组放大通道，包括用作电压跟随器的运算放大器U4A和用作V/I转换器的运算放大器U4B，U4A和U4B的4脚均连接GND，U4A和U4B的8脚均连接24V，传感器的电压SI经过电阻R8和电容C13滤波，在U4A的3脚形成稳定的电压信号，U4A的2脚和1脚连在一起，用于跟随3脚的电压信号，电压信号再经过电阻R7和电容C12滤波，连接至U3的第15脚。

模拟信号输出模块，U3的第14脚输出电压信号DAC1通过R10连接至U4B的5脚，经过运算放大后施加在电阻R15的两端，控制经过D2输出的电流信号S在4-20mA之间。

如图6所示，数字信号输出模块，芯片U5是RS485收发芯片，其型号为SN65HVD3082，用于接收来自外部的RS485信号，转换成TTL信号给U3，并且能够将U3输出的TTL信号转换成RS485信号输出的探测器外部。U5的连接逻辑地GND，U5的8脚连接5V，U5的1脚通过电阻R16连接U3的第31脚，U5的2脚和3脚为收发控制脚，通过电阻R17连接至u3的第29脚，U5的4脚连接U3的第30脚，U5的6脚为RS485的A+信号，通过电阻R20和保险丝PTC2连接到RS485总线的A，U5的7脚为RS485的B-信号，通过电阻R19和保险丝PTC3连接到RS485总线的B。

如图7、图8、图9、图10所示，人机接口模块40包括用于连接显示器件的连接件JP5、发光二极管LED1、LED2、LED3；JP5的第3、4、5、6脚组合在一起用作SPI总线，连接到U3的第25、26、27、28脚；发光二极管LED1、LED2、LED3分别指示油气探测器的电源、报警、故障状态，且分别连接到U3的第45、18、46脚，当油气浓度大于设定的报警阈值时，LED2常亮；当油气浓度小于设定的报警阈值时，LED2常灭，当油气探测器的传感器有故障时，LED3常亮，当油气探测器的传感器无故障时，LED3常灭。人机接口模块40还包括用于连接声光报警器的连接器SG1，SG1通过三极管Q1进行控制，SG1的2脚连接24V，SG1的1脚连接Q1的集电极，Q1的发射极连接逻辑地，Q1的基极连接U3的11脚；当油气浓度大于设定的报警阈值时，SG1发出报警音，当油气浓度小于设定的报警阈值时，SG1无报警音；人机接口模块40还包括用于接收遥控器的信号，并按编码规则将遥控信号传送给U3的红外线接收器U6，芯片U6的型号为SM1838，

U6的1脚连接3.3V，U6的2脚连接GND，U6的3脚为输出脚，连接U3的第38脚。

基于线性半导体传感器技术的油气探测器，采用了独创的半导体线性化技术，实现了对油气的线性化检测。

对线性半导体传感器10输出的抛物线信号进行线性化计算，将抛物线信号转换成直线型信号。将抛物线分成两部分，第一部分近似线性，通过查表法将其转换成线性信号，查表法是通过在一个数组中列出第一部分的所有数值，将取得的原始数值作为索引值，通过索引值获得数组中的真实值；第二部分为积分曲线，通过计算信号对时间的积分转换成线性信号，积分算法直接调用c语言math.h中的库函数，如图12所示。

基于线性半导体传感器技术的油气探测器，解决了半导体传感器零点不稳定问题。

芯片U4是运算放大器，共有2组放大通道，其中U4A用作电压跟随器，U4的4脚连接GND，U4的8脚连接24V，传感器的电压SI经过电阻R8和电容C13滤波，滤除15Hz以上的噪声信号，在U4A的3脚形成稳定的电压信号，U4A的2脚和1脚连在一起，用于跟随3脚的电压信号，以增大信号的驱动能力，防止受ADC（模数转换器）的影响导致传感器零点不稳定，电压信号再经过电阻R7和电容C12滤波，连接至U3的第15脚。

对零点附近的传感器信号变化求时间的微分，微分算法直接调用c语言math.h中的库函数。对微分设一个阈值，微分值大于该阈值的信号，进行浓度计算，微分值小于该阈值的信号，浓度值直接赋值为0，同时零点值调整到当前的信号值，从而保证在半导体传感器的信号不稳定的前提下，油气探测器零点自动跟踪漂移，保持零点稳定，如图11所示。

本发明突破性的将半导体传感器技术进行了线性化，形成了国内领先的线性半导体技术，第一次将半导体传感器成功应用于对原油、成品油泄漏的连续在线检测，代替压力突变检测和人工巡检的检测方法，对容易泄漏的管道、储罐等设备进行实时检测，以低廉的成本实现对原油挥发物的快速检测，灵敏度达到1ppm，是传统催化燃烧式、非色散红外线式可燃气体探测器灵敏度的500倍，达到光离子探测器的水平。寿命长达5年，达到传统进口的光离子探测器的3倍，成本仅为光离子探测器的62.5%。在中国石化内部测试和现场试用过程中，检测效果良好。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于线性半导体的油气探测器，其特征在于：该油气探测器包括中央处理模块（30），电源转换模块（70），与中央处理模块（30）相连的信号调理模块（20）、人机接口模块（40）、模拟信号输出模块（50）、数字信号输出模块（60）以及与信号调理模块（20）相连的线性半导体传感器（10）；

所述电源转换模块（70）为油气探测器的其它模块供电；

所述线性半导体传感器（10）将油气浓度转换成电压信号，输送给信号调理模块（20）；

所述中央处理模块（30）用于接收其它模块输入的模拟、数字信号，输出模拟、数字信号，并控制人机接口模块（40）；

所述电源转换模块（70）由一个开关型电压转换芯片U1和一个线性稳压芯片U2组成，将输入的DC24V电源转换成DC5V和DC3.3V；

U1的2脚为接地脚，连接到逻辑地GND，U1的5脚为输入脚，连接24V电源，U1的5脚为使能脚，当该脚连接高电平时，芯片开始电压转换；U1的6脚为输出脚，输出一个脉宽调制电压，经过电感L1和电容C5的滤波，脉宽电压变成稳定的电压，U1的3脚为反馈脚，接收电阻R1和电阻R2的分压，用于控制输出电压稳定在5V；

U2的1脚为接地脚，连接到逻辑地GND，U2的3脚为输入脚，连接DC5V电源，U2的2脚为输出脚，连接3.3V电源；

所述中央处理模块（30）由单片机U3和其最小系统电路组成；

所述信号调理模块（20）包括双通道运算放大器芯片U4和外围电路，通道一U4A用作电压跟随器，通道二U4B用作V/I转换器，U4的4脚连接GND，U4的8脚连接24V，传感器的电压SI经过电阻R8和电容C13滤波，在U4A的3脚形成稳定的电压信号，U4A的2脚和1脚连在一起，用于跟随3脚的电压信号，电压信号再经过电阻R7和电容C12滤波，连接至U3的第15脚；

U3的第14脚输出电压信号DAC1通过R10连接至U4B的5脚，经过运算放大后施加在电阻R15的两端，控制经过D2输出的电流信号S在4-20mA之间；

所述线性半导体传感器（10）包括传感器CGQ，CGQ的1脚接5V，CGQ的3脚接GND，CGQ的2脚为信号输出，通过电阻R8和电容C13组成的滤波器连接到U4A的3脚；

所述数字信号输出模块（60）包括RS485收发芯片U5，U5的连接逻辑地GND，U5的8脚连接5V，U5的1脚通过电阻R16连接U3的第31脚，U5的2脚和3脚为收发控制脚，通过电阻R17连接至u3的第29脚，U5的4脚连接U3的第30脚，U5的6脚为RS485的A+信号，通过电阻R20和保险丝PTC2连接到RS485总线的A，U5的7脚为RS485的B-信号，通过电阻R19和保险丝PTC3连接到RS485总线的B；

所述人机接口模块（40）包括用于连接显示器件的连接件JP5、发光二极管LED1、LED2、LED3；

JP5的第3、4、5、6脚组合在一起用作SPI总线，连接到U3的第25、26、27、28脚；发光二极管LED1、LED2、LED3分别指示油气探测器的电源、报警、故障状态，且分别连接到U3的第45、18、46脚，当油气浓度大于设定的报警阈值时，LED2常亮；当油气浓度小于设定的报警阈值时，LED2常灭，当油气探测器的传感器有故障时，LED3常亮，当油气探测器的传感器无故障时，LED3常灭；

所述人机接口模块（40）还包括用于连接声光报警器的连接器SG1，SG1通过三极管Q1进行控制，SG1的2脚连接24V，SG1的1脚连接Q1的集电极，Q1的发射极连接逻辑地，Q1的基极连接U3的11脚；当油气浓度大于设定的报警阈值时，SG1发出报警音，当油气浓度小于设定的报警阈值时，SG1无报警音；

所述人机接口模块（40）还包括用于接收遥控器的信号，并按编码规则将遥控信号传送给U3的红外线接收器U6，U6的1脚连接3.3V，U6的2脚连接GND，U6的3脚为输出脚，连接U3的第38脚。

2.一种基于权利要求1所述的线性半导体的油气探测器的探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：中央处理模块（30）对零点附近的线性半导体传感器（10）信号变化求时间的微分，微分算法直接调用c语言math.h中的库函数；

步骤二：中央处理模块（30）对线性半导体传感器（10）输出的抛物线信号进行线性化计算，将抛物线信号转换成直线型信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于线性半导体的油气探测器的探测方法，其特征在于：

步骤一具体为：对微分设一个阈值，微分值大于该阈值的信号，进行浓度计算，微分值小于该阈值的信号，浓度值直接赋值为0，同时零点值调整到当前的信号值，从而保证在线性半导体传感器（10）的信号不稳定的前提下，油气探测器零点自动跟踪漂移，保持零点稳定；

步骤二具体为：将抛物线分成两部分，第一部分近似线性，通过查表法将其转换成线性信号，查表法是通过在一个数组中列出第一部分的所有数值，将取得的原始数值作为索引值，通过索引值获得数组中的真实值；第二部分为积分曲线，通过计算信号对时间的积分转换成线性信号，积分算法直接调用c语言math.h中的库函数。

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