油庫油品泄漏監測系統中傳感器節點設計研究

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，當其發生泄漏時，容易帶來爆炸與火災，對人類生命和財產造成了嚴重威脅[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、各個儲油區連接處發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]。為了及時發現油品泄漏問題，采取有效處理，需要在容易發生油品泄漏位置安裝監測裝置，起到實施監測作用，本文著重探究監測系統中傳感器節點設計方案。

1 油庫油品泄漏監測集氣裝置結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，探究油氣泄漏監測系統中傳感器節點布設方案。由于此類油品中由多種氣體組成，以芳香烴類物質為主，所以本研究選取PID探測器作為監測裝置。該裝置支持芳香烴有機物電離，作業期間兩個電極產生電流，其他惰性氣體、CO2、O2不會受環境影響發生電離。其作業原理是將信號采取放大處理，經過轉換處理輸出的數據與濃度相關，利用單片機對輸出數據進行二次處理，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測系統開發中。

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內完成響應。其中，模擬信號將輸送到單片機中，利用A/D轉換模塊處理，得到數據信號，作為油品泄漏判斷依據[6]。

1.2 油庫油品泄漏監測集氣裝置結構

當油氣處于露天環境時，油氣擴散方向及程度容易受環境氣候影響，不利于油品泄漏監測，油氣泄漏不嚴重情況下監測結果不準確[7]。為了提高裝置監測靈敏度，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探測器作為監測裝置，設計了一套漏斗形集氣裝置（見圖1）。

圖1 系統集氣裝置

圖1中，系統集氣裝置由集氣罩、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，吸入氣體作業效率較高，測量穩定性較強；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、作業電壓、負載電流等作為裝置選取參考依據。綜合各項需求，選取型號為GminniP-4裝置作為微型泵配備材料，其作業功率為150mW，電壓3V，負載電流50mA。考慮到本裝置在露天環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℃，與現場溫度測量需求相符。

2 傳感器節點結構設計及工作原理

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

圖2 傳感器節點結構設計方案

圖2中，該結構的核心控制器為MSP430F2618單片機，在單片機的控制下，使得各個模塊有序作業。另外，選取CC2520模塊作為信息發送和接收裝置，以無線通信技術作為模塊開發工具，以此減少節點信息發送與接收受環境的約束。傳感器模塊是節點結構的數據來源，利用PID控制器采集環境油品泄漏信息，為了避免數據精準度受環境影響，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。結構中各個模塊作業均依靠電源模塊提供電能，根據設備作業供電電壓需求不同，利用電壓裝換裝置調節供電電壓。

本設計方案采用周期循環作業管理模式，對油庫環境中油品泄漏情況進行實時監測。工作原理為：在單片機作用下，開啟氣泵作業模式，而后下達傳感器作業命令，利用PID傳感器采集環境中的油品氣體信息，利用溫度傳感器采集環境溫度信息，利用后者采集到的信息，對前者氣體檢測結果進行溫度補償處理，在A/D轉換作用下得到數據信號。將此數據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。如果檢測結果為異常，關閉氣泵，向管理中心發送油品異常信號，等待處理命令的下達。如果檢測結果為正常，同樣關閉氣泵，向管理中心發送油品正常信號，結束本次監測操作，開啟下一時段油品監測。按照此作業過程循環監測，從而實現油庫現場油品泄漏實時監測。

3 單片機控制系統與傳感器節點設計

3.1 單片機最小系統

本系統選取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之內從休眠狀態轉入作業狀態，具有極強的環境時應能力，滿足系統開發需求。為單片機最小系統（見圖3）。

圖3 單片機最小系統

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，實現油品環境信息采集。將單片機P2.0接口與DS18B20建立連接，為溫度補償處理提供數據，經過單片機內部A/D轉換模塊進行處理，從無線通信模塊將數據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狀態，所以信息采集模塊時在單片機的控制下進行作業，切換溫度傳感器和PID傳感器作業狀態，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切入到閉合狀態時，傳感器開始作業。由于傳感器輸出信號的電壓與A/D轉換模塊作業電壓相同，所以省去了信號放大處理環節。

3.3 傳感器測量溫度補償

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

3.4 無線通信設計

由于傳感器布設節點數量較多，并且距離監控管理中心比較遠，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，本監控系統采用無線通信模式傳輸油品狀態信息。考慮到油庫環境較為特殊，容易受大風等天氣影響，所以對無線通信裝置的作業性能要求極高。另外，為了全面監測油庫油品狀態，所以需要大面積布設傳感器節點，采用組建基站的模式，建立節點網狀結構。綜合考慮這些需求，本研究方案選取CC2520芯片作為控制裝置，設定作業頻率為2.4GHz。該作業頻率滿足IEEE802.15.4通信協議，能夠搭建無線射頻信息發送與接收鏈路。其中，單片機與CC2520芯片的SPI接口連接，實現信號傳送連接。

3.5 系統供電設計

由于油氣泄漏監測系統對供電裝置的穩定性、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，我國倡導節能，希望多項操作都可以利用可再生能源供電。因此，本系統供電模塊利用太陽能電池板作為供電裝置，將太陽能轉化為電能。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，以保證系統可以在無陽光或者沒有陽光的情況下長時間持續作業。

本供電模塊選取TPS63031芯片作為供電狀態控制芯片，用于切換模塊充放電作業狀態。其中，芯片的作業效率為96%，能夠在-40～50℃環境下正常作業，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

本研究節點設計方案采集信息包括環境溫度信息、PID傳感器油氣濃度信息，后者以經過溫度補償處理后的數據為準，通過對比實際數值和測量數據精準程度，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，溫度數據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 信息采集測試結果

表1中測試結果顯示：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據信息可以作為油氣泄漏判斷依據。

4.2 信息傳輸測試

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

表2 信息傳輸測試結果

表2中，3組測試結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 系統供電穩定性測試

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

表3 系統供電穩定性測試結果

表3中測試結果顯示：本供電方案支持連續3天陰雨天氣供電，供電穩定性較高。

本文以油庫油品泄漏問題處理作為研究切入點，提出油氣泄漏監測系統中節點設計，根據監測功能、作業環境等需求，合理選取硬件設備，搭建系統節點框架結構。在MSP430F2618單片機控制下，通過PID傳感器和DS18B20傳感器采集數據信息，作為油氣泄漏判斷依據。測試結果表明，本設計方案能夠精準采集數據信息，傳輸期間可以抵御環境干擾，支持長期陰雨天連續作業。