一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器的製作方法
2023-10-09 20:26:14 1
專利名稱：一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器的製作方法
技術領域：
本發明屬於氣體檢測分析技術領域。涉及一種具有溫溼補償功能的氣體檢測分析儀，特別適用於液化石油氣(LPG)安全運輸過程中的洩漏實時探測。
背景技術：
近年來液化石油氣槽車的洩漏事故時有發生，給人民群眾的生命財產帶來威脅。液化石油氣的飽和蒸氣壓高(50℃時為116MPa)，閃點、燃點低，爆炸極限範圍大約為2％～10％。一旦發生洩漏事故，洩漏的液化氣沿地面迅速擴散，在大範圍內形成爆炸性混合物，1千克液化氣全部氣化後體積可達5000升，若以2％濃度計算可組成25立方米爆炸性氣體，其爆炸威力相當於10千克TNT炸藥的爆炸當量。爆炸形成的衝擊波不僅會使建築物倒塌，而且瞬間形成大體積空間火焰，破壞力極強。目前的液化石油氣罐箱/槽罐車上僅安裝有機械式的壓力表和液位裝置，沒有任何的洩漏監測設備。由於罐箱內液化石油氣壓力高(一般高於2Mpa)，易汽化，只有發生嚴重的洩漏事故時才可能觀察到壓力和液位的變化，事故危險性高。部分液化石油氣運輸車輛上安裝了GPS/GPRS終端系統，可以實時向控制中心發送車輛位置和速度信息，但是當發生事故時只能由司機或押運員通知相關部門到現場處理，降低了事故處理和及時防範的效率。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠適用於液化石油氣運輸過程的具有溫溼補償功能的液化石油氣實時洩漏探測器，充分利用車載的GPS/GPRS終端，將實時監測信息隨時通過GPS/GPRS通訊終端發送給主控中心，並且啟動報警裝置警示司機和周圍人員。
本發明的技術方案是，對液化石油氣罐箱容易洩漏的各個口安裝環境敏感探頭，通過單片機信息處理中心檢測探頭的信息並對檢測到的信息進行處理、溫溼度補償以及劃分等級，並將處理後的信息通過串口發送給GPS/GPRS終端，根據洩漏等級啟動聲光報警系統報警。運輸過程中液化石油氣罐箱容易洩露的部位主要是三個腔口，即裝卸料口、進出氣口和人口，因此探測器包括一個主探測器和兩個副探測器，分別對應安裝在三個腔口附近。主探測器主要由信息控制處理單元和由一個氣敏元件、一個溼敏元件和溫敏元件組成的環境敏感探頭組成。環境敏感探頭外接相應的信號調理電路、模數轉換電路然後連接信息控制和處理單元，由信息處理單元完成對環境溫度溼度的量化和對氣體傳感器信號的溫溼度補償，並將補償後的信號轉換為監測環境中LPG氣體的濃度，根據預設洩漏等級對洩漏情況進行劃分和定義，最後將溫溼度、洩漏等級以及時間等信息通過串口傳送到GPS/GPRS終端，根據洩漏等級判斷是否啟動聲光報警電路報警，並由該終端將信息發送到主控中心。兩個副探測器各包括一個氣體傳感器及其信號調理電路和電壓-電流信號轉換電路，將傳感器上的信號轉換為4-20mA的電流信號，通過導線與主探測器相連。主、副探測器所用電路均為目前現有技術，容易實現。根據氣體擴散速度慢的特點，通過多次檢測取平均，前後數據變化綜合分析來判斷是否有液化石油氣洩漏，能夠避免由于震動、酒氣以及煙氣等的幹擾，因而該氣體檢測分析儀具有較強的洩漏識別和分析以及抗幹擾能力。整個系統包括環境敏感探頭、採樣電路、信息處理和控制中心、對氣體傳感器的加熱控制單元、存儲數據的E2PROM、RS232接口、超限報警的報警電路以及電源電路。本發明中，環境敏感探頭包括氣體傳感器、溼度傳感器和溫度傳感器。控制中心由單片機實現，主要包括A/D轉換、信號預處理、信息融合及溫溼補償技術。
本發明的效果和益處是為液化石油氣運輸用的罐箱/槽罐車設計了科學的、有效的洩漏實時探測器，通過不間斷的檢測液化石油氣的洩漏情況，發現洩漏後通過聲光報警通知周圍人群疏散，通知汽車司機和押運員及時採取措施堵漏並報告給控制中心，控制中心根據情況對現場進行監控，可以最大程度的減小生命財產方面的損失，降低事故危險性，提高防範措施，實現液化石油氣的安全運輸。
圖1是本發明的液化石油氣洩漏探測器原理框圖。
其中(I)為主探測器環境敏感探頭，(II)(III)為副探測器，(IV)為報警單元，(V)為電源模塊和(VI)為主探測器主板。
圖2是本發明的主探測器的環境敏感探頭電路原理圖。
圖3是本發明的副探測器電路原理圖。
圖4是本發明的電源電路原理圖。
圖5是本發明的主探測器的主板電路原理圖。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖，從硬體和軟體兩個方面詳細敘述本發明的具體實施方式
。根據原理框圖，硬體部分各個單元的具體實施方式
如下(I)主探測器環境敏感探頭本發明以日本Figaro公司的TGS2611型傳感器作為液化石油氣體敏感探頭，溫度和溼度檢測分別採用Pt1000和HIH3610型號的傳感器。採用霍爾傳感器監測封閉腔的開狀態和關狀態，當檢測到封閉腔未關合時，啟動報警系統，警示司機和押運員關閉腔蓋。當非法打開腔時也啟動報警系統。主探測器的環境敏感探頭電路原理圖見圖2。
(II)(III)副探測器該部分主要包括氣體傳感器的加熱控制單元和氣體傳感器信號的電壓-電流轉換模塊。副探測器安裝在LPG罐箱的頂部人口和進出氣口，由於LPG罐箱尺寸較大，主副探測器之間的距離約10米左右，將傳感器信號轉換為4-20mA之間的電流信號，然後通過導線連接到主探測器，可以減少線路上的電壓損失。副探測器的電路原理圖見圖3。
(IV)報警電路該部分電路主要包括聲音報警(大分貝警笛報警)和光報警(通過LED指示燈顯示氣體洩漏程度)電路，可由GPS/GPRS終端供電和控制，當接收到探測器串口發送過來的報警信息時，根據洩漏等級啟動。該部分安裝在運輸車輛的駕駛室內，及時通知司機和押運員。
(V)電源部分電路探測器採用汽車電源供電(24V)，主要包括低壓和過壓保護電路，電源電壓監測電路和DC-DC轉換模塊。當電源電壓低於正常工作電壓時發送低壓報警信息。該部分的電路原理圖見圖4。
(VI)主探測器主板主探測器主板是系統控制中心，主要包括單片機及其外圍電路，完成氣體傳感器工作模式的控制，對氣體、溫度、溼度傳感器的採樣控制，控制系統的計時，串口通訊等。單片機的典型外圍電路主要包括存儲器(用於存儲傳感器的標定值和各種補償參數、報警限度等常數值)和串口(用於連接GPS/GPRS通訊模塊，傳輸探測信息)。根據信息傳輸距離，當主探測器和GPS/GPRS模塊之間的距離超過15米時，通訊線路中加入RS232長線接受/發送器，拓寬信號的傳輸距離。主探測器主板的電路原理圖見圖5。
軟體部分是探測器的核心部分，主要是嵌入單片機內的控制和信息處理單元。檢測控制、A/D轉換、存儲、計時等都是一般的單片機程序，易於編程。針對本探測器，氣體傳感器的溫溼度補償和濃度轉換方法是軟體的核心。本發明的具體檢測方法如下調整傳感器的匹配電阻，使得傳感器電阻上的電壓約為3V，也就是匹配電阻上的電壓信號約為0.3V，Vcc＝3.3V。此時匹配電阻約為5Kohm。
多次檢測環境溫度、溼度和氣體傳感器的信號，取平均值。按照溫溼度傳感器的轉換表，求出當前的環境溫度和環境相對溼度。
測得環境溫度T(℃)，相對溼度RH(％)，計算溫溼度補償係數a當RH＜40％時， a＝-0.027*T+2.0533；當40％＜RH＜55％時，a＝-0.025*T+1.72；當55％＜RH＜80％時，a＝-0.022*T+1.47；當80％＜RH時， a＝-0.0217*T+1.34。
根據溫溼度補償係數，補償AD轉換得到的氣體傳感器電壓信號VLs；補償後的信號VL0為VL0＝a*VLs根據補償後的匹配電壓信號VL0，計算氣體濃度Conclog10Conc＝2.3767*log10VL0+2.9289兩邊反對數，求得氣體濃度Conc(ppm)。
分出洩漏等級當Conc＜LEVEL1時，沒有洩漏；當LEVEL1＜Conc＜LEVEL2時，微量洩漏；當LEVEL2＜Conc時，劇烈洩漏。
其中LEVEL1和LEVEL2根據實際情況確定。(初始設置為LEVEL1＝3000ppm，LEVEL2＝8000ppm)
權利要求
1.一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器，包括一個主探測器和兩個副探測器，主探測器安裝在液化石油氣罐箱底部的進料出料口，兩個副探測器分別安裝在罐箱頂部的人口和進氣出氣口，報警單元安裝在汽車駕駛室內，其特徵在於，主探測器內包括環境敏感探頭、控制和信息融合中心及與之相連的氣體傳感器檢測電路、溫度檢測電路、溼度檢測電路、腔蓋開關檢測電路、數據存儲電路、通信接口電路、加熱控制電路及電源電路；副探測器內包括氣體傳感器及其加熱電壓轉換電路、電壓-電流轉換電路；主探測器內嵌入了氣體傳感器的溫溼補償和濃度轉換算法。
2.根據權利要求1所述的一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器，其特徵在於，所述的控制和信息融合中心由MSP430F149單片機實現，氣體傳感器的加熱電路部分採用穩壓控制模塊LM2576實現2V-15V之間的直流電壓轉換，存儲器使用256K容量的EEPROM，採用MAX3221實現單片機RS232口的電平轉換，氣體傳感器和溫度檢測電路採用單臂電橋實現，採用AD694實現將傳感器電壓信號轉換為4-20mA電流信號。
3.根據權利要求1所述的一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器，其特徵在於，氣體洩漏的有無和洩露程度使用多次檢測綜合評定的方法得到，檢測信號使用所述的溫溼度補償算法和濃度轉換算法轉換成洩漏程度信息。
4.根據權利要求1或2所述的一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器，其特徵在於，探測器檢測到洩漏信息以及腔蓋開啟信息後，通過串口發送報警信息至GPS/GPRS終端模塊，根據洩漏等級啟動報警模塊，並將洩漏信息發送給主控中心。
5.根據權利要求1或2所述的一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸洩漏實時探測器，其特徵在於，使用車載蓄電池供電，供電部分增加低壓/過壓保護電路和電源低壓報警點路。
全文摘要
一種液化石油氣罐箱/槽罐車運輸的洩漏實時探測器屬於氣體檢測分析技術領域。公開了一種具有溫溼補償功能的適用於液化石油氣罐箱/槽罐車運輸過程監測的洩漏實時探測器，包括一個主探測器和兩個副探測器，主探測器內包括環境敏感探頭、嵌入了溫溼補償和濃度轉換算法的控制和信息融合中心及與之相連的氣體傳感器、溫度溼度和腔蓋開關檢測電路、數據存儲電路、通信接口電路、加熱控制電路及電源電路；副探測器內包括氣體傳感器及其加熱電壓轉換、電壓－電流轉換電路。本發明的效果和益處是該探測器能夠實時監測液化石油氣的洩漏狀況，及時將洩漏信息發送到主控中心並啟動報警裝置警示司機和周圍人群，可以降低事故危險性和隱患的發生。
文檔編號G01M3/00GK1822065SQ20051020075
公開日2006年8月23日 申請日期2005年11月28日 優先權日2005年11月28日
發明者唐禎安, 魏廣芬, 孫代平, 劉一瑋 申請人:大連理工大學