Диссертация (1137104), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Знаянаправление ветра и при совпадении его с положением МГ, на данном участке,можно предполагать повышенное содержание фона и учитывать его приконтроле утечек газа беспроводными модулями.3.4. Разработка измерительного преобразователяСреди аппаратных средств, используемых при разработке БМ, важноеместо отводилось измерительному преобразователю (рис. 3.17), состоящему извысокочувствительногодатчика/газоанализатора,позволяющегоконтролировать и определять уровень концентрации метана на объектах ГТС иэнергонезависимой памяти.Вобщемслучаедатчики/газоанализаторыпредназначеныдлянепрерывного автоматического измерения опасных концентраций метана (СН4),а также в случае необходимости пропана (С3Н8), суммы предельныхуглеводородов С1-С10 (ΣСН), в том числе паров нефти и нефтепродуктов,121объемной доли диоксида углерода (СО2) в воздухе рабочей зоны помещений иоткрытых пространств, в том числе во взрывоопасных зонах производственныхпомещений и наружных установок используемых в газовых магистралях,технологических объектов.Рисунок 3.17 – Датчик утечки метанаОбласть применения: контроль воздуха рабочей зоны, в том числе всоставе систем контроля атмосферы промышленных объектов, повышеннойопасности и измерение параметров технологических процессов.В данной работе в качестве устройства, определяющего утечки метана изобъектов ГТС используется стационарный оптический инфракрасный (ИК)датчик газа.
Оптические датчики газов представляют собой очень важнуюлинейку газовых датчиков, которые используют на сегодняшний день одну излучших технологий обнаружения утечек метана, основанную на принципе122поглощения газом ИК излучения. Принцип работы датчика, основан наизмененииинтенсивностиИКизлучениядоипослепоглощениявинфракрасном детекторе с избирательной чувствительностью (рис. 3.18).Рисунок 3.18 – Принцип обнаружения газа ИК датчикамиПоглощение ИК излучения это простой физический процесс, который независит от кислорода, не использует ядовитые вещества, обладает прекраснойустойчивостьюквибрацииипомехам,приэтомобладаюттакимипреимуществами как: высокая точность, хорошая избирательность, прекраснаячувствительность и надежность, быстрый отклик и малое время восстановления,миниатюрность; линейность в широком диапазоне (0...100%), стабильность подетектированию газа; модификации со стандартными выходными сигналами, испервичнымисигналами;большойсрокэксплуатации;возможностьдлительной непрерывной работы; совместимость с компьютером.В результате проведенного анализа и оценки показателей качестватехнических средств [83,91] был выбран оптический ИК датчик дляопределения концентрации метана МИП ВГ-02-1-II-Х.1 (компания «Оптосенс»)[10], с ультранизким энергопотреблением, внешний вид которого представленна рис.
3.17. Датчик содержит источник и приёмник инфракрасного излучения,оптическую систему, и программно-аппаратный блок для обработки сигнала.Метод пробоотбора – диффузный. Связь с регистрирующей электроникойосуществляется посредством UART интерфейса.123В данном устройстве используется технология NDIR (non-dispersiveinfrared) позволившая объединить в себе низкое энергопотребление (в 50 разэкономичнее конкурентных аналогов) и высокую эффективность, котораядостигается за счет: длительной эксплуатации; эргономичности и удобстваиспользования; устойчивости к внешним воздействиям агрессивной среды;устойчивости к дестабилизирующим температурным факторам (достигнута засчет разработки новых типов светодиодов, которые имеют оптимизированныйспектр излучения, и используют специализированные алгоритмы обработкисигналов);долговременнойстабильностидатчиков(былаобеспеченаприменением специально разработанных фотодиодов на основе тонких пленоктвердых растворов системы PbSe - CdSe, которые примерно в 10 раз болеечувствительны,размеровчем(полученыпироэлектрическиепосредствомфотоприёмники);применениясистемыминиатюрныхэффективныхпараболических мини зеркал с высоким коэффициентом светопередачи).Технические характеристики выбранного датчика представлены в таблице 3.2.Таблица 3.2 – Технические характеристики МИП ВГ-02-1-II-Х.1НаименованиеРабочее напряжениеСредний рабочий токДиапазон рабочих температурДиапазон влажностиФормат вывода цифрового сигнала UARTСреднее время жизниМассаКалибровочный газИзмеряемая концентрацияТочность измеренияВремя отклика T90Характеристики3.0 – 4.5 В, постоянное1 мАОт -40°C до +60°C0 до 98% при 40°C окружающей среды8 бит, 1 стоп бит, без контроля четности.2.8 В уровень логической единицыНе менее 10 лет16.6 г.CH40 ─ 5% об.
(0 ─ 100% об.)±0.1 % об. или ±5 % от показаний<10 сНа рисунке 3.19 приведена схема электрическая принципиальнаяподключения датчика утечки метана МИП ВГ-02-1-II-Х.1 используемая вбеспроводном модуле.124Рисунок 3.19 – Схема подключения МИП ВГ-02-1-II-Х.1Из рис. 3.19 следует, что сигнал о наличии газа снимается сподстроечногорезистораR1,которыйобеспечиваетнастройкучувствительности датчика в лабораторных условиях в пределах 30 ppm.
Привысокой фоновой концентрации метана на трассе МГ, чувствительность датчикаможно изменять посредством R1 вовремя монтажа системы. Сигнал с датчикапоступает на вход 02 компаратора DA4 и сравнивается с потенциалом схемытемпературной компенсации, содержащей группу термистора и резисторовдатчика (резистор R2).
Попадание облака метана (при утечке газа) на сенсор,вызываетуменьшениесопротивлениясенсора,азначитсрабатываниекомпаратора – выход 01 которого устанавливается, практически в нулевоесостояние и вызывает срабатывание триггера DD1 (установкой в состояниелогической «1»), тем самым обеспечивается запоминание наличия газа (утечкиметана из МГ). Электролитический конденсатор С2, кроме сглаживания125пульсаций сенсора, исключает ложное срабатывание компаратора вовремявключений датчика (командой «Вкл.
Дат.»). Микроэлектронное реле DA3позволяет управлять работой схемы подключения датчика в программируемомрежиме, по командам из контроллера ППУ, а DC-DC преобразователь DA1обеспечивает необходимое питание (+5 В) сенсора. Сигнал (Уст «0»)устанавливает триггер DD1 в нулевое состояние, по команде с контроллераППУ, после окончания считывания информации об утечке газа, т.е. схемаподключениядатчикагазаподготавливаетсякследующемуциклудетектирования газа.Датчик обменивается информацией с регистрирующим устройством попротоколу обмена данными по шине UART. Ниже приводятся данныепротокола, команды и формат выдачи данных датчиком.
Основнымихарактеристиками UART являются: скорость обмена – 9600 бод; 8-битнаяпосылка 1 стоп бит, без проверки по четности. Входные и выходные логическиеуровни 0… 2.7 В. Символы «Команд» закодированы в ASCII, после текстакоманды должен стоять символ ВК (возврат каретки) - (0Dh). Ответ кодируетсяASCII символами «Слова/числа» в ответе могут разделяться символомтабуляции – 09h или символом пробел 20h (данная характеристика постоянноуточняется). В конце посылки ставиться символ ВК - (0Dh).Работа с сетевым адресом осуществляется в следующем режиме.Предусмотрено присвоение устройству сетевого адреса в диапазоне 0 – FF.
Этопозволяет подключить на одну линию UART от 255 приборов и более. Привключении, устройству присваивается адрес «00». Для просмотра и измененияадреса введены следующие команды: «!**» - запрос сетевого адреса. Датчиквозвращает сетевой адрес в формате «!XX», где «XX» – адрес вшестнадцатеричнойформе.«%XXYY»–датчикусадресом«XX»присваивается адрес «YY».
«NETON» – команда, осуществляющая записьсетевого адреса в память прибора.126«NETOFF» – команда, по которой отменяется сохранение сетевого адресав памяти прибора. При сбросе питания сетевой адрес равен «00». Порядокзапроса данных представлен в таблице 3.3.Таблица 3.3 – Запрос данных устройством МИП ВГ-02-1-II-Х.1КомандаDATAF1Conc1Term23SUsОткликНомер выводимого значения45678UrefStSt`StzConc9Conc11011StzktSnНа запрашиваемые команды, если их синтаксис верен, преобразовательвыдает отклик о положительном или отрицательном заключении по каждойконкретной команде.
Если решение положительное, то отклик представляетсобой посланную команду с добавление символов «OK», иначе добавляютсясимволы «FAULT». Например, при подаче команды «ZERO2», в случаеисправности преобразователя, с него должен прийти отклик «ZERO2» «OK».Если синтаксис не верен, то преобразователь не реагирует на данную команду.Команда «DATA» предназначена для вывода информации о концентрацииметана, содержит статус байта и контрольной суммы посчитанной какисключающее «ИЛИ».
Отклик - значение концентрации Conc1 с учетоммасштабирования в виде 5-разрядного десятичного целого числа (таблица 3.4).Формат отклика -5 байт ASCII – значение концентрации и символ 0Dh. Данныео концентрации представляют собой 16-ти битное число. Первым передаетсястарший байт Conc1H, вторым младший Conc1L. StatusByte имеет структуруControlSum=ControlSum^EveryByte.Таблица 3.4 – Структура отклика команды DATAКомандаDATA (44 41 54 41 45 0D)1Conc1Hоткликномер байта и его значение234Conc1LStatusByte ControlSum50DhКоманда «F» - предназначена для детального анализа работы датчика.Отклик на команду «F»: первый символ в посылке - 0Eh, данные - 5 байт ASCII,127разделительный символ между данными – 09h, после передачи Sn (серийногономера), следует символ 09h, потом значение контрольной суммы всейпосылки,посчитанноепоправилуисключающегоилиControlSum=ControlSum^data. Далее следует символ 09h и символ 0Dh.
Где:Term – температура датчика в отсчетах АЦП, S –отношение Us/Uref с учетомкоэффициента «ZERO1», Us – сигнал рабочего приемника в отсчетах АЦП, Uref– сигнал опорного приемника в отсчетах АЦП, St – фильтрованное отношение Sумноженное на температурный коэффициент, St` – фильтрованное St, Stz –отношение St` с учетом коэффициента «ZERO2», Conc – концентрация(рассчитаннаявсоответствиисзаводскойкалибровкой),Conc1–масштабированная концентрация с учетом калибровочного коэффициента, Stzkt– отношение Stz с учетом температурного коэффициента чувствительности, Sn –серийный номер прибора (8 символов).В качестве энергонезависимой памяти было выбрано устройство FM1114,компанииRamtron[37,51,107],ведущейразработкивобластиэнергонезависимой сегнетоэлектрической памяти с произвольным доступом(FRAM), которая полнила свой ассортимент приборами, сохраняющими своилогическиесостоянияприотсутствиипитанияиавтоматическивосстанавливающими выходные уровни при его подаче, построенными на базе4-битной памяти FRAM.Прибор серии FM1114, в своем применении, аналогичен D-триггерам иможет быть использован в качестве обычного логического блока, в отличие откоторого, сохраняет свое состояние при отсутствии питающего напряжения.Микросхема FM1114 работает в диапазоне питающих напряжений от 2,7 до 3,6В, а ток в режиме простоя не превышает 10 мкА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
