CN111045460A

CN111045460A - 远程自动控制系统

Info

Publication number: CN111045460A
Application number: CN201911415403.1A
Authority: CN
Inventors: 方剑锋; 李伟; 罗利; 李世万
Original assignee: Yuzesen Investment Co Ltd
Current assignee: Yuzesen Investment Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-04-21

Abstract

本发明涉及燃气远程监控技术领域，具体涉及一种远程自动控制系统，包括：检测模块，用于通过超声波技术检测空气中天然气的浓度；判断模块，用于判断所检测到的空气中天然气的浓度是否大于爆炸浓度下限；报警模块，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时进行报警，并将报警信息发送到远程模块；云摄像机，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时开始拍摄视频，并将拍摄的视频发送到远程模块；远程模块，用于实时监控加气站。本发明通过超声速技术计算出的空气中天然气的浓度精度高、误差小，能够提供精确的报警数据。

Description

远程自动控制系统

技术领域

本发明涉及燃气远程监控技术领域，具体涉及一种远程自动控制系统。

背景技术

天然气加气站是指以压缩天然气形式向天然气汽车提供燃料的场所，即使是一般的小型天然气加气站，也有几十吨的屯量。天然气的主要成分是甲烷，其燃点低、热值高、爆炸浓度下限低，当天然气发生泄露且遇到明火时，极易发生爆炸。因此，对加气站的天然气浓度进行实时检测，并在浓度超过阈值时报警就显得尤为重要了。

文件CN102426220B公开了一种气体浓度检测方法和移动终端，所述气体浓度检测方法包括：移动终端对所述移动终端当前所处环境的气体浓度进行检测，并根据检测到的气体浓度生成模拟信号；所述移动终端将所述模拟信号转换为数字信号；当所述数字信号的幅值大于预先设定的第一报警阈值时，所述移动终端根据所述数字信号的幅值显示所述气体浓度，并根据所述数字信号的幅值进行报警。该发明可以方便快捷地对气体浓度进行检测，进而可以根据检测到的气体浓度进行报警，确保安全。

天然气极易泄露，爆炸浓度下限很低(在环境压强为1atm、温度300K时约为5％)，只要空气中天然气的浓度超过5％且遭遇明火或者放电，就会发生爆炸。可见，对加气站空气中天然气的浓度进行实时、精确地检测，在天然气浓度超过阈值时就进行报警就显得至关重要。但是，目前的气体浓度检测技术要么是直接采用传感器，要么基于流体力学中的皮托管原理，这样测出的浓度误差较大。因此，根据传感器或者皮托管原理测出的天然气浓度进行报警，既不准确，更不可靠。

发明内容

本发明提供一种远程自动控制系统，采用超声技术测量加气站空气中天然气的浓度，从而在空气中天然气浓度超过阈值时进行报警；解决了现有的加气站监控系统不能精确地测定加气站空气中天然气的浓度，从而导致报警不可靠的技术问题。

本发明提供的基础方案为：远程自动控制系统，包括：检测模块，用于通过超声波技术检测空气中天然气的浓度；判断模块，用于判断所检测到的空气中天然气的浓度是否大于爆炸浓度下限；报警模块，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时进行报警，并将报警信息发送到远程模块；云摄像机，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时开始拍摄视频，并将拍摄的视频发送到远程模块；远程模块，用于实时监控加气站。

本发明的工作原理在于：当天然气泄漏，与空气形成二元混合气体。根据《气体动力学》可知，当混合气体中的两种气体分子量相差较大时，声速会随着气体浓度比例的不同而发生变化。也就是说，该混合气体的声速C与温度T和其中一种成分的浓度β存在确定的隐函数关系；测出了声速C和温度T，就可通过该隐函数计算出成分的浓度β。本发明的优点在于：通过该方式计算出的空气中天然气的浓度精度高、误差小，能够提供精确的报警数据。

本发明远程自动控制系统测量浓度的精度高、误差小。由于天然气的爆炸浓度极低，就算是很小的误差也会导致不能准确报警，从而会造成事故。而本发明检测的浓度误差在10^-3以内，极大地避免了这样的问题。

进一步，检测模块还用于检测加气站中空气的温度。根据《燃烧与爆炸理论》可知，天然气的爆炸浓度下限与温度成反比，温度升高爆炸浓度下限降低。也就是说，当环境中温度升高时，天然气的爆炸浓度下限会低于5％，在空气中的天然浓度低于5％(比如4.5％)时就会发生爆炸事故。因此，有必要实时检测环境温度的变化。

进一步，检测模块还用于检测加气站中空气的压强。同理，根据《燃烧与爆炸理论》可知，天然气的爆炸浓度下限与压强成反比，压强升高爆炸浓度下限降低，但降低的幅度很小。当环境中压强升高时，天然气的爆炸浓度下限也会低于5％，在空气中的天然浓度低于5％(比如4.9％)时就会发生爆炸事故。因此，为了保险起见，也有必要实时检测环境温度的变化。

进一步，判断模块还包括温度单元，用于修正环境温度变化对爆炸浓度下限的影响。如前所述，温度升高爆炸浓度下限降低。当环境温度变化时，若还以5％的浓度标准进行判断，会使报警为时已晚。比如环境温度升高5K到305K，这时天然气的爆炸浓度下限应为4.8％；若测得空气中天然气的浓度为4.9％，按照5％的标准就不会报警，而按照4.8％的标准就应该报警。因此，修正后的爆炸浓度下限更具有符合物理规律。

进一步，判断模块还包括压强单元，用于修正环境压强变化对爆炸浓度下限的影响。同理，如前所述，压强升高爆炸浓度下限降低。当环境压强变化时，若还以5％的浓度标准进行判断，同样会使报警为时已晚。比如环境压强升高0.01atm到1.01atm，这时天然气的爆炸浓度下限应为4.95％；若测得空气中天然气的浓度为4.98％，按照5％的标准就不会报警，而按照4.95％的标准就应该报警。因此，修正后的爆炸浓度下限更具有符合物理规律。

进一步，报警模块还包括声光单元，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时，开启提醒语音播放。通过语音播放，可以快速提醒和引起工作人员注意。

进一步，报警模块还包括紧急单元，用于设置系统急停开关以及照明开关。方便现场调试时系统急停，也方便夜间操作照明。

进一步，报警模块还包括通风单元，用于增大空气对流。通过增大空气对流，稀释空气中天然气的浓度；既可以降低发生爆炸的可能性，也可以防止工作人员吸入天然气而导致中毒。

进一步，远程模块还包括触摸屏，该触摸屏上设有开阀、关阀的按钮及指示灯。便于工作人员操作、做出指示。

进一步，远程模块还包括显示屏，用于显示空气中天然气的浓度、环境压强与环境温度的变化和云摄像机采集的视频。通过显示屏，便于直观的显示实时监控的情况。

附图说明

图1为本发明远程自动控制系统实施例的系统结构框图。

图2为本发明远程自动控制系统实施例3阀门的结构示意图。

图3为本发明远程自动控制系统实施例3发电风扇的正视图。

图4为本发明远程自动控制系统实施例3发电风扇的侧视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例1

本发明远程自动控制系统实施例基本如附图1所示，包括检测模块、判断模块、报警模块、远程模块和云摄像机，其中云摄像机未在图1中画出。

检测模块包括两个Risym 16MM型超声传感器(收发器)、MDT2030S型单片机、VMS-300C3-WS-GPRS型温度传感器、BMP280-3.3型压力传感器和DSP56301PW80型DSP处理器。两个超声传感器的位置固定，两者距离相距L。其中一个超声传感器向另一个超声传感器发射脉冲信号，当发射超声波的同时，立刻启动单片机进行计数。当单片机检测到接收信号的幅度超过参考阈值时，立刻停止计数。此时可从单片机上读取计数值N。与此同时，温度传感器测出加气站的环境温度T，并将测量到的温度值发送到判断模块；压力传感器测出加气站的环境压强P，并将测出的压强值发送到判断模块。

当天然气泄漏时，该天然气混入到空气中形成二元混合气体。根据《气体动力学》理论可知，超声波在由天然气和空气组成的二元混合气体中的传播的平均声速为：

其中：

为该二元混合气体的平均声速，

为该二元混合气体的平均绝热比，R为气体常数，T为环境温度，

为该二元混合气体的平均摩尔质量。

假设为β为二元混合气体中天然气的浓度，则有：

其中：M_a为天然气的摩尔质量，M_b为空气的摩尔质量；C_pa、C_va分别为天然气的定压比热容和定容比热容，C_pb、C_vb分别为空气的定压比热容和定容比热容。

将式子(2)、(3)代入(1)，可得：

Aβ²+Bβ+D＝0 (4)

其中：

可见，M_a、、C_pa、C_va、C_pb、C_vb、R均为物性参数，可查气体物性表得出。故，式子(4)中只有

β、T这三个未知数。只要确定了

和T，就可计算出β。根据一元二次方程求根公式可得：

根据两个超声传感器之间的距离L、超声传感器发送脉冲波的频率f、从单片机上读取的计数值N，期间计数的时钟脉冲数n，可得该二元混合气体的平均声速

如下式：

DSP处理器根据式子(6)计算出

加上温度传感器测量出的温度T，就可计算出A、B、D。最后，DSP处理器根据式子(5)计算出空气中天然气的浓度β，并将计算出的β发送到判断模块。

判断模块为CreateBlock arduino uno r3型单片机，当判断模块接收到温度传感器测出的环境温度T、压力传感器测出的环境压强P、DSP处理器根据计算出的空气中天然气的浓度β时，首先判断环境温度T与环境压强P是否分别等于标准温度T₀(0℃)和标准压强P₀(1atm)。假如，环境温度T与环境压强P分别等于标准温度T₀(0℃)和标准压强P₀(1atm)，那么直接判断β是否大于5％；若β≥5％，则表示需要报警，发送报警命令到报警模块。假如，环境温度T与环境压强P不等于标准温度T₀(300K)和标准压强P₀(1atm)，则对爆炸浓度下限LEL进行修正，修正后再判断β与LEL的大小。以上步骤可以在电脑上编制程序，并将该程序烧录到该单片机进行执行。

根据《燃烧与爆炸理论》可知，天然气的爆炸浓度下限与环境温度、压强成反比，温度和压强升高均会使得爆炸浓度下限降低。也就是说，当环境中温度或压强升高时，天然气的爆炸浓度下限会低于5％，在空气中的天然浓度低于5％(比如4.5％)时就会发生爆炸事故。因此，为了保险起见，有必要对LEL进行修正。

由于天然气中的主要成分是甲烷，一些关于甲烷的爆炸浓度极限研究的文献表明：当初始的环境温度或环境压强变化很小时，爆炸浓度下限的变化与温度变化或压强变化成正比。也就是说，LEL与T、P的关系可表示如下：

LEL＝5％-θ_T(T-T₀) (7)

LEL＝5％-θ_P(P-P₀) (8)

其中：

若同时考虑的影响，则有：

LEL＝5％-θ_T(T-T₀)-θ_P(P-P₀) (9)

其中：θ_T为环境温度上升1℃时，LEL的变化量；θ_P为环境压强上升1atm时，LEL的变化量。查阅资料，对于甲烷而言，θ_T为0.02％/℃，θ_P为0.082％/atm。

根据式子(7)编制程序一，并将其烧录到单片机，便可根据温度的变化修正LEL；根据式子(8)编制程序二，并将其烧录到单片机，便可根据压强的变化修正LEL；根据式子(9)编制程序三，并将其烧录到单片机，便可同时根据温度和压强的变化修正LEL。比如，某日气候炎热，环境温度为35度，环境压强为1atm，由式子(7)可得LEL＝5％-0.02％×(35-0)＝4.3％。倘若这时空气中天然气的浓度β＝4.5％，如果还是根据5％的标准进行判断，β<LEL，那么就不需要报警；但是根据4.3％的标准进行判断，β>LEL，就应当进行报警。很明显，后者的判断更加符合实际情况，更能够防范于未然。

当报警模块包括长壮-多路语音提示器、急停开关触发装置和SENHE重型大功率工业电风扇。当接收到需要报警的指令时，语音提示器播报预设的警报录音，急停开关触发装置

触发急停开关以及照明开关；同时接通电风扇的电源，对加气站进行通风，增大空气对流，从而降低空气中天然气的浓度。

远程模块包括DELL R730/R740 2U型服务器、View Sonic TD2230 21.5型触摸屏和MSI PAG303CR 144Hz型显示屏。触摸屏上设有开阀、关阀的按钮及指示灯，根据按钮即可进行操作；显示屏上显示空气中天然气的浓度、环境压强与环境温度的变化数据；便于实时观测。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于：在加气站还安装有高清云摄像机，该云摄像机通过无线网络与远程模块的服务器相连接。当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时，云摄像机的电源触发机构就会接通电源，然后云摄像机就开始拍摄加气站内的视频，并将拍摄的视频发送到远程模块的显示屏。这样便于工作人员实时观察加气站内的实际情况。

实施例3

与实施例2不同之处仅在于：

如附图2所示，还包括加气管1、阀门2、电机31和电机支架32。阀门2由阀门旋钮21、阀门瓣22和阀门转轴23组成，阀门旋钮21与阀门瓣22焊接在阀门转轴23。阀门转轴23的安装方向与加气管1的轴线方向垂直，阀门瓣22安装在加气管1里。阀门瓣22形状为圆形，其半径与加气管1的内径相等。电机支架32焊接在加气管1的外壁面上，电机31安装在电机支架32上；电机31与阀门转轴23垂直安装，可驱动阀门转轴23旋转(关于电机的详细安装步骤科参考现有技术)。当人为扭动阀门旋钮21，或者启动电机31，即可控制阀门2的开与关。

如附图3和附图4所示，还包括发电风扇4、磁铁5、第一铁块6、横杆7、第二铁块8、发电机9和支杆10。发电风扇4由风扇转轴41和扇叶42组成。支杆10共有两根，长度相等，均被焊接在加气管1的内壁面；两根支杆10位于同一平面，且与加气管1的轴线方向垂直。发电机9焊接在两根支杆10上，风扇转轴41一端安装在发电机9上，另一端用于安装扇叶42，风扇转轴41与发电机9的转轴位于同一直线。在加气管1的外壁面上设置有槽形孔，磁铁5被卡在该槽形孔内，磁铁5正对第一铁块6。

两根支杆10上均设有一个小孔，两个小孔的尺寸相同但位置的高度不同，位于右边的支杆10上的小孔的高度高于位于左边的支杆10上的小孔。横杆7的直径与支杆10上小孔的直径相同，横杆7贯穿支杆10的小孔。在横杆7的一端焊接有第一铁块6，另一端焊接有第二铁块8。在横杆7沿着左下方或者右上方滑动时，第一铁块6和第二铁块8均可以起到制动的作用，使得横杆7不脱离支杆10。

当天然气站没有停电时，磁铁5上的螺旋线处于接通电源的状态。这时第一铁块6就会在磁铁5产生的吸引力作用下向左下方运动，直到抵住扇叶42。第一铁块6抵住扇叶42后，由于磁铁5正对第一铁块6，在磁铁5的吸引力作用下第一铁块6会一直保持抵住扇叶42的状态，从而使得天然气流经扇叶42时无法带动扇叶42旋转。

当天然气站停电时，磁铁5上的螺旋线就会处于断电的状态。这时磁铁5便无法产生磁力，天然气流过时第一铁块6便无法抵住扇叶42，天然气从而带动扇叶42旋转。发电机9的转轴就会在扇叶转轴41的带动下开始旋转，将天然气流动的动能转为电能。

由于发电机9产生的电能是交流电，发电机的输出端连接有整流器和变压器，将交流电转化为电机31能用的直流电。整流器一端连接发电机9，另一端连接变压器；变压器的另一端则连接电机31。电机31的电源开关由控制器控制，平时处于断开状态。在报警模块开始报警时，远程模块发送信号到控制器，控制器接收到信号后就接通电机31的开关。于是电机31驱动阀门转轴23，使得阀门瓣22关闭加气管1。工作人员听到报警语音后，也可扭动阀门旋钮21，使阀门2关闭。可见，在给汽车加气的过程中，如果检测到有天然气泄漏，即使天然气站出现停电的情况，阀门2也可在电机31的驱动下自动关闭。这样可以有效减少天然气的泄露，降低事故发生的概率。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.远程自动控制系统，其特征在于：包括：检测模块，用于通过超声波技术检测空气中天然气的浓度；判断模块，用于判断所检测到的空气中天然气的浓度是否大于爆炸浓度下限；报警模块，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时进行报警，并将报警信息发送到远程模块；云摄像机，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时开始拍摄视频，并将拍摄的视频发送到远程模块；远程模块，用于实时监控加气站。

2.根据权利要求1所述的远程自动控制系统，其特征在于：检测模块还用于检测加气站中空气的温度。

3.根据权利要求2所述的远程自动控制系统，其特征在于：检测模块还用于检测加气站中空气的压强。

4.根据权利要求3所述的远程自动控制系统，其特征在于：判断模块还包括温度单元，用于修正环境温度变化对爆炸浓度下限的影响。

5.根据权利要求4所述的远程自动控制系统，其特征在于：判断模块还包括压强单元，用于修正环境压强变化对爆炸浓度下限的影响。

6.根据权利要求5所述的远程自动控制系统，其特征在于：报警模块还包括声光单元，用于当空气中天然气的浓度大于爆炸浓度下限时，开启提醒语音播放。

7.根据权利要求6所述的远程自动控制系统，其特征在于：报警模块还包括紧急单元，用于设置系统急停开关以及照明开关。

8.根据权利要求7所述的远程自动控制系统，其特征在于：报警模块还包括通风单元，用于增大空气对流。

9.根据权利要求8所述的远程自动控制系统，其特征在于：远程模块还包括触摸屏，该触摸屏上设有开阀、关阀的按钮及指示灯。

10.根据权利要求9所述的远程自动控制系统，其特征在于：远程模块还包括显示屏，用于显示空气中天然气的浓度、环境压强与环境温度的变化和云摄像机拍摄的视频。