本發(fā)明涉及一種油氣探測(cè)器，可應(yīng)用于中石化、中石油、中海油及地方性和民營(yíng)石油企業(yè)的油田、油庫(kù)、輸油管線、煉化廠，快速檢測(cè)原油和成品油的泄漏，替代現(xiàn)有的催化燃燒式、半導(dǎo)體式、紅外線式、光離子式可燃?xì)怏w探測(cè)器。

背景技術(shù)：

在油田、油庫(kù)、輸油管線、煉化廠等場(chǎng)所使用的進(jìn)口探測(cè)器有催化燃燒式可燃?xì)怏w探測(cè)器、ndir非色散紅外線式可燃?xì)怏w探測(cè)器、光離子式可燃?xì)怏w探測(cè)器，這些原理的探測(cè)器對(duì)原油、汽油、柴油揮發(fā)物靈敏度太低，不能及時(shí)探測(cè)到原油、汽油、柴油的泄漏。國(guó)外的代表廠家有德國(guó)德爾格公司、美國(guó)霍尼韋爾科技集團(tuán)公司、美國(guó)英思科公司。

現(xiàn)有技術(shù)情況：

1>半導(dǎo)體傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的檢測(cè)穩(wěn)定性較差，零點(diǎn)漂移量大，容易在潔凈空氣中誤報(bào)警，所以目前市場(chǎng)上沒有采用半導(dǎo)體傳感器測(cè)量油氣的探測(cè)器。

2>半導(dǎo)體傳感器輸出信號(hào)承拋物線性質(zhì)，并且個(gè)體差異大，拋物線參數(shù)不固定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在油田、油庫(kù)、輸油管線、煉化廠等場(chǎng)所使用的進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)探測(cè)器，對(duì)原油、汽油、柴油等揮發(fā)物反應(yīng)不靈敏，不能有效檢測(cè)原油和成品油的泄漏，雖然計(jì)量檢測(cè)合格，但是安裝在現(xiàn)場(chǎng)不起任何作用，屬于無效投資。

本發(fā)明采用線性半導(dǎo)體傳感器技術(shù)，開發(fā)了一種對(duì)原油、汽油、柴油揮發(fā)物具有高靈敏度的探測(cè)器，解決傳統(tǒng)探測(cè)器不能有效、快速發(fā)現(xiàn)原油及成品油泄漏的問題，該發(fā)明與傳統(tǒng)的進(jìn)口產(chǎn)品相比具有靈敏度高、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明按以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于線性半導(dǎo)體的油氣探測(cè)器，該油氣探測(cè)器包括中央處理模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊，與中央處理模塊相連的信號(hào)調(diào)理模塊、人機(jī)接口模塊、模擬信號(hào)輸出模塊、數(shù)字信號(hào)輸出模塊以及與信號(hào)調(diào)理模塊相連的線性半導(dǎo)體傳感器；所述電源轉(zhuǎn)換模塊為油氣探測(cè)器的其它模塊供電；所述半導(dǎo)體傳感器將油氣濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送給信號(hào)調(diào)理模塊；所述中央處理模塊用于接收其它模塊輸入的模擬、數(shù)字信號(hào)，輸出模擬、數(shù)字信號(hào)，并控制人機(jī)接口模塊。

優(yōu)選的是，所述電源轉(zhuǎn)換模塊由一個(gè)開關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換芯片u1和一個(gè)線性穩(wěn)壓芯片u2組成，將輸入的dc24v電源轉(zhuǎn)換成dc5v和dc3.3v；u1的2腳為接地腳，連接到邏輯地gnd，u1的5腳為輸入腳，連接24v電源，u1的5腳為使能腳，當(dāng)該腳連接高點(diǎn)平時(shí)，芯片開始電壓轉(zhuǎn)換；u1的6腳為輸出腳，輸出一個(gè)脈寬調(diào)制電壓，經(jīng)過電感l(wèi)1和電容c5的濾波，脈寬電壓變成穩(wěn)定的電壓，u1的3腳為反饋腳，接收電阻r1和電阻r2的分壓，用于控制輸出電壓穩(wěn)定在5v；u2的1腳為接地腳，連接到邏輯地gnd，u2的3腳為輸入腳，連接dc5v電源，u2的2腳為輸出腳，連接3.3v電源。

優(yōu)選的是，所述中央處理模塊由單片機(jī)u3和其最小系統(tǒng)電路組成。

優(yōu)選的是，所述信號(hào)調(diào)理模塊包括用作電壓跟隨器的運(yùn)算放大器u4a和用作v/i轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算放大器u4b，u4a和u4b的4腳均連接gnd，u4a和u4b的8腳均連接24v，傳感器的電壓si經(jīng)過電阻r8和電容c13濾波，在u4a的3腳形成穩(wěn)定的電壓信號(hào)，u4a的2腳和1腳連在一起，用于跟隨3腳的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)過電阻r7和電容c12濾波，連接至u3的第15腳；u3的第14腳輸出電壓信號(hào)dac1通過r10連接至u4b的5腳，經(jīng)過運(yùn)算放大后施加在電阻r15的兩端，控制經(jīng)過d2輸出的電流信號(hào)s在4-20ma之間。

優(yōu)選的是，所述線性半導(dǎo)體傳感器包括傳感器cgq，cgq的1腳接5v，cgq的3腳接gnd，cgq的2腳為信號(hào)輸出，通過電阻r8和電容c13組成的濾波器連接到u4a的3腳。

優(yōu)選的是，所述數(shù)字信號(hào)輸出模塊包括rs485收發(fā)芯片u5，u5的連接邏輯地gnd，u5的8腳連接5v，u5的1腳通過電阻r16連接u3的第31腳，u5的2腳和3腳為收發(fā)控制腳，通過電阻r17連接至u3的第29腳，u5的4腳連接u3的第30腳，u5的6腳為rs485的a+信號(hào)，通過電阻r20和保險(xiǎn)絲ptc2連接到rs485總線的a，u5的7腳為rs485的b-信號(hào)，通過電阻r19和保險(xiǎn)絲ptc3連接到rs485總線的b。

優(yōu)選的是，所述人機(jī)接口模塊包括用于連接顯示器件的連接件jp5、發(fā)光二極管led1、led2、led3；jp5的第3、4、5、6腳組合在一起用作spi總線，連接到u3的第25、26、27、28腳；發(fā)光二極管led1、led2、led3分別指示油氣探測(cè)器的電源、報(bào)警、故障狀態(tài)，且分別連接到u3的第45、18、46腳，當(dāng)油氣濃度大于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，led2常亮；當(dāng)油氣濃度小于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，led2常滅，當(dāng)油氣探測(cè)器的傳感器有故障時(shí)，led3常亮，當(dāng)油氣探測(cè)器的傳感器無故障時(shí)，led3常滅。

優(yōu)選的是，所述人機(jī)接口模塊還包括用于連接聲光報(bào)警器的連接器sg1，sg1通過三極管q1進(jìn)行控制，sg1的2腳連接24v，sg1的1腳連接q1的集電極，q1的發(fā)射極連接邏輯地，q1的基極連接u3的11腳；當(dāng)油氣濃度大于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，sg1發(fā)出報(bào)警音，當(dāng)油氣濃度小于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，sg1無報(bào)警音；所述人機(jī)接口模塊還包括用于接收遙控器的信號(hào)，并按編碼規(guī)則將遙控信號(hào)傳送給u3的紅外線接收器u6，u6的1腳連接3.3v，u6的2腳連接gnd，u6的3腳為輸出腳，連接u3的第38腳。

一種基于線性半導(dǎo)體的油氣探測(cè)器的探測(cè)方法，該方法包括以下步驟：步驟一：中央處理模塊對(duì)零點(diǎn)附近的線性半導(dǎo)體傳感器信號(hào)變化求時(shí)間的微分，微分算法直接調(diào)用c語言math.h中的庫(kù)函數(shù)；步驟二：中央處理模塊對(duì)線性半導(dǎo)體傳感器輸出的拋物線信號(hào)進(jìn)行線性化計(jì)算，將拋物線信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線型信號(hào)。

優(yōu)選的是，步驟一具體為：對(duì)微分設(shè)一個(gè)閾值，微分值大于該閾值的信號(hào)，進(jìn)行濃度計(jì)算，微分值小于該閾值的信號(hào)，濃度值直接賦值為0，同時(shí)零點(diǎn)值調(diào)整到當(dāng)前的信號(hào)值，從而保證在線性半導(dǎo)體傳感器的信號(hào)不穩(wěn)定的前提下，油氣探測(cè)器零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤漂移，保持零點(diǎn)穩(wěn)定；步驟二具體為：將拋物線分成兩部分，第一部分近似線性，通過查表法將其轉(zhuǎn)換成線性信號(hào)，查表法是通過在一個(gè)數(shù)組中列出第一部分的所有數(shù)值，將取得的原始數(shù)值作為索引值，通過索引值獲得數(shù)組中的真實(shí)值；第二部分為積分曲線，通過計(jì)算信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分轉(zhuǎn)換成線性信號(hào)，積分算法直接調(diào)用c語言math.h中的庫(kù)函數(shù)。

本發(fā)明有益效果：

本發(fā)明突破性的將半導(dǎo)體傳感器技術(shù)進(jìn)行了線性化，形成了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的線性半導(dǎo)體技術(shù)，代替壓力突變檢測(cè)和人工巡檢的檢測(cè)方法，對(duì)容易泄漏的管道、儲(chǔ)罐等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以低廉的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)原油揮發(fā)物的快速檢測(cè)，靈敏度達(dá)到1ppm。壽命比傳統(tǒng)進(jìn)口的光離子探測(cè)器提高3倍，成本僅為光離子探測(cè)器的62.5%。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制原理框圖；

圖2為本發(fā)明的電源轉(zhuǎn)換模塊電路圖；

圖3為本發(fā)明的中央處理模塊電路圖；

圖4為本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理模塊中的u4a電路圖；

圖5為本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理模塊中的u4b電路圖；

圖6為本發(fā)明的數(shù)字信號(hào)輸出模塊電路圖；

圖7為本發(fā)明的人機(jī)接口模塊中的連接件jp5電路圖；

圖8為本發(fā)明的人機(jī)接口模塊中的發(fā)光二極管電路圖；

圖9為本發(fā)明的人機(jī)接口模塊中的聲光報(bào)警器的連接器sg1電路圖；

圖10為本發(fā)明的人機(jī)接口模塊中的紅外線接收器電路圖。

圖11為本發(fā)明的零點(diǎn)跟蹤的微分算法流程圖；

圖12為本發(fā)明的拋物線線性化算法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，一種基于線性半導(dǎo)體的油氣探測(cè)器，該油氣探測(cè)器包括中央處理模塊30，電源轉(zhuǎn)換模塊70，與中央處理模塊30相連的信號(hào)調(diào)理模塊20、人機(jī)接口模塊40、模擬信號(hào)輸出模塊50、數(shù)字信號(hào)輸出模塊60以及與信號(hào)調(diào)理模塊20相連的線性半導(dǎo)體傳感器10。

電源轉(zhuǎn)換模塊，由一個(gè)開關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換芯片u1和一個(gè)線性穩(wěn)壓芯片u2組成，將輸入的dc24v電源轉(zhuǎn)換成dc5v和dc3.3v，為油氣探測(cè)器的其它模塊供電。

中央處理模塊，由一個(gè)單片機(jī)u3和其最小系統(tǒng)電路組成。是基于線性半導(dǎo)體傳感器技術(shù)的油氣探測(cè)器的核心模塊，用于接收其他模塊輸入的模擬、數(shù)字信號(hào)，輸出模擬、數(shù)字信號(hào)，并控制人機(jī)接口模塊。中央處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)半導(dǎo)體傳感器信號(hào)的線性化處理和零點(diǎn)跟隨處理，中央處理模塊通過信號(hào)分段算法、查表算法和積分算法將半導(dǎo)體傳感器的信號(hào)進(jìn)行線性化處理，中央處理模塊通過微分算法對(duì)半導(dǎo)體傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟隨。

線性半導(dǎo)體傳感器，將油氣濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送給信號(hào)調(diào)理模塊。

信號(hào)調(diào)理模塊，包含一個(gè)運(yùn)算放大器u4a、運(yùn)算放大器u4b和外圍電路，u4a用作電壓跟隨器，u4a和u4b的4腳連接gnd，u4a和u4b的8腳連接24v，傳感器的電壓si經(jīng)過電阻r8和電容c13濾波，濾除15hz以上的噪聲信號(hào)，在u4的3腳形成穩(wěn)定的電壓信號(hào)，u4a的2腳和1腳連在一起，用于跟隨3腳的電壓信號(hào)，以增大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，防止受adc的影響導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)不穩(wěn)定，電壓信號(hào)再經(jīng)過電阻r7和電容c12濾波，連接至u3的第15腳。

人機(jī)接口模塊，輸出部分包含3個(gè)發(fā)光二極管led1、led2、led3和一個(gè)點(diǎn)陣oled，用于顯示油氣的濃度和報(bào)警、故障等信息，還用于顯示菜單和操作提示。輸入部分是一個(gè)紅外遙控芯片u6，接收遙控器信號(hào)并編碼發(fā)送給中央處理模塊。

模擬輸出模塊，將油氣探測(cè)器檢測(cè)到的油氣濃度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流進(jìn)行輸出。

數(shù)字輸出模塊，包含rs485處理芯片u5和外圍電路，將ttl信號(hào)和rs485信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，用于連接中央處理模塊和外部設(shè)備。

如圖2所示，電源轉(zhuǎn)換模塊，芯片u1是電源轉(zhuǎn)換芯片，采用lv2842型芯片，其作用是將dc24v電源轉(zhuǎn)換成dc5v電源，u1的2腳為接地腳，連接到邏輯地gnd，u1的5腳為輸入腳，連接24v電源，u1的5腳為使能腳，當(dāng)該腳連接高點(diǎn)平時(shí)，芯片開始電壓轉(zhuǎn)換。u1的6腳為輸出腳，輸出一個(gè)脈寬調(diào)制電壓，經(jīng)過l1和c5的濾波，脈寬電壓變成穩(wěn)定的電壓，u1的3腳為反饋腳，接收電阻r1和r2的分壓，用于控制輸出電壓穩(wěn)定在5v。芯片u2是線性穩(wěn)壓電源，采用lm1117-3.3型芯片，其作用是將dc5v電源轉(zhuǎn)換成dc3.3v電源，u2的1腳為接地腳，連接到邏輯地gnd，u2的3腳為輸入腳，連接dc5v電源，u2的2腳為輸出腳，連接3.3v電源。

如圖3所示，中央處理模塊，芯片u3采用stm32f051c8t6型芯片，接收輸入的數(shù)字和模擬信號(hào)，輸出數(shù)字和模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)led和oled顯示油氣探測(cè)器的狀態(tài)。

如圖4、圖5所示，線性半導(dǎo)體傳感器，cgq的1腳接5v，cgq的3腳接gnd，cgq的2腳為信號(hào)輸出，通過電阻r8和電容c13組成的濾波器連接到u4a的3腳。

信號(hào)調(diào)理模塊，u4是mcp6042型運(yùn)算放大器，共有2組放大通道，包括用作電壓跟隨器的運(yùn)算放大器u4a和用作v/i轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算放大器u4b，u4a和u4b的4腳均連接gnd，u4a和u4b的8腳均連接24v，傳感器的電壓si經(jīng)過電阻r8和電容c13濾波，在u4a的3腳形成穩(wěn)定的電壓信號(hào)，u4a的2腳和1腳連在一起，用于跟隨3腳的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)過電阻r7和電容c12濾波，連接至u3的第15腳。

模擬信號(hào)輸出模塊，u3的第14腳輸出電壓信號(hào)dac1通過r10連接至u4b的5腳，經(jīng)過運(yùn)算放大后施加在電阻r15的兩端，控制經(jīng)過d2輸出的電流信號(hào)s在4-20ma之間。

如圖6所示，數(shù)字信號(hào)輸出模塊，芯片u5是rs485收發(fā)芯片，其型號(hào)為sn65hvd3082，用于接收來自外部的rs485信號(hào)，轉(zhuǎn)換成ttl信號(hào)給u3，并且能夠?qū)3輸出的ttl信號(hào)轉(zhuǎn)換成rs485信號(hào)輸出的探測(cè)器外部。u5的連接邏輯地gnd，u5的8腳連接5v，u5的1腳通過電阻r16連接u3的第31腳，u5的2腳和3腳為收發(fā)控制腳，通過電阻r17連接至u3的第29腳，u5的4腳連接u3的第30腳，u5的6腳為rs485的a+信號(hào)，通過電阻r20和保險(xiǎn)絲ptc2連接到rs485總線的a，u5的7腳為rs485的b-信號(hào)，通過電阻r19和保險(xiǎn)絲ptc3連接到rs485總線的b。

如圖7、圖8、圖9、圖10所示，人機(jī)接口模塊40包括用于連接顯示器件的連接件jp5、發(fā)光二極管led1、led2、led3；jp5的第3、4、5、6腳組合在一起用作spi總線，連接到u3的第25、26、27、28腳；發(fā)光二極管led1、led2、led3分別指示油氣探測(cè)器的電源、報(bào)警、故障狀態(tài)，且分別連接到u3的第45、18、46腳，當(dāng)油氣濃度大于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，led2常亮；當(dāng)油氣濃度小于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，led2常滅，當(dāng)油氣探測(cè)器的傳感器有故障時(shí)，led3常亮，當(dāng)油氣探測(cè)器的傳感器無故障時(shí)，led3常滅。人機(jī)接口模塊40還包括用于連接聲光報(bào)警器的連接器sg1，sg1通過三極管q1進(jìn)行控制，sg1的2腳連接24v，sg1的1腳連接q1的集電極，q1的發(fā)射極連接邏輯地，q1的基極連接u3的11腳；當(dāng)油氣濃度大于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，sg1發(fā)出報(bào)警音，當(dāng)油氣濃度小于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，sg1無報(bào)警音；人機(jī)接口模塊40還包括用于接收遙控器的信號(hào)，并按編碼規(guī)則將遙控信號(hào)傳送給u3的紅外線接收器u6，芯片u6的型號(hào)為sm1838，

u6的1腳連接3.3v，u6的2腳連接gnd，u6的3腳為輸出腳，連接u3的第38腳。

基于線性半導(dǎo)體傳感器技術(shù)的油氣探測(cè)器，采用了獨(dú)創(chuàng)的半導(dǎo)體線性化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油氣的線性化檢測(cè)。

對(duì)線性半導(dǎo)體傳感器10輸出的拋物線信號(hào)進(jìn)行線性化計(jì)算，將拋物線信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線型信號(hào)。將拋物線分成兩部分，第一部分近似線性，通過查表法將其轉(zhuǎn)換成線性信號(hào)，查表法是通過在一個(gè)數(shù)組中列出第一部分的所有數(shù)值，將取得的原始數(shù)值作為索引值，通過索引值獲得數(shù)組中的真實(shí)值；第二部分為積分曲線，通過計(jì)算信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分轉(zhuǎn)換成線性信號(hào)，積分算法直接調(diào)用c語言math.h中的庫(kù)函數(shù)，如圖12所示。

基于線性半導(dǎo)體傳感器技術(shù)的油氣探測(cè)器，解決了半導(dǎo)體傳感器零點(diǎn)不穩(wěn)定問題。

芯片u4是運(yùn)算放大器，共有2組放大通道，其中u4a用作電壓跟隨器，u4的4腳連接gnd，u4的8腳連接24v，傳感器的電壓si經(jīng)過電阻r8和電容c13濾波，濾除15hz以上的噪聲信號(hào)，在u4a的3腳形成穩(wěn)定的電壓信號(hào)，u4a的2腳和1腳連在一起，用于跟隨3腳的電壓信號(hào)，以增大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，防止受adc（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的影響導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)不穩(wěn)定，電壓信號(hào)再經(jīng)過電阻r7和電容c12濾波，連接至u3的第15腳。

對(duì)零點(diǎn)附近的傳感器信號(hào)變化求時(shí)間的微分，微分算法直接調(diào)用c語言math.h中的庫(kù)函數(shù)。對(duì)微分設(shè)一個(gè)閾值，微分值大于該閾值的信號(hào)，進(jìn)行濃度計(jì)算，微分值小于該閾值的信號(hào)，濃度值直接賦值為0，同時(shí)零點(diǎn)值調(diào)整到當(dāng)前的信號(hào)值，從而保證在半導(dǎo)體傳感器的信號(hào)不穩(wěn)定的前提下，油氣探測(cè)器零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤漂移，保持零點(diǎn)穩(wěn)定，如圖11所示。

本發(fā)明突破性的將半導(dǎo)體傳感器技術(shù)進(jìn)行了線性化，形成了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的線性半導(dǎo)體技術(shù)，第一次將半導(dǎo)體傳感器成功應(yīng)用于對(duì)原油、成品油泄漏的連續(xù)在線檢測(cè)，代替壓力突變檢測(cè)和人工巡檢的檢測(cè)方法，對(duì)容易泄漏的管道、儲(chǔ)罐等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以低廉的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)原油揮發(fā)物的快速檢測(cè)，靈敏度達(dá)到1ppm，是傳統(tǒng)催化燃燒式、非色散紅外線式可燃?xì)怏w探測(cè)器靈敏度的500倍，達(dá)到光離子探測(cè)器的水平。壽命長(zhǎng)達(dá)5年，達(dá)到傳統(tǒng)進(jìn)口的光離子探測(cè)器的3倍，成本僅為光離子探測(cè)器的62.5%。在中國(guó)石化內(nèi)部測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試用過程中，檢測(cè)效果良好。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。