基于LabVIEW的管道甲烷氣體監測系統設計

丁淇德，韓向軍，雷欣濤，牛長軍，王立志

(1.國電投周口燃氣熱電有限公司，河南 周口 456000； 2.鄭州海為電子科技有限公司，河南 鄭州 450000)

城市污水管道作為城市基礎建設的關鍵成員，其運行安全性與穩定性直接影響著人們的日常生活。國家經濟的迅猛發展和城市容量的逐步增加，使城市污水管道規模不斷擴大[1-2]，其內因淤泥和工業廢料等形成的硫化氫、氨氣以及甲烷等有害氣體濃度日益升高，給人們生活帶來極大的安全隱患[3]。其中甲烷氣體的危害性極強，濃度較高的甲烷氣體能使人瞬間窒息，且該氣體具有可燃性，如果在管道中碰見明火極易引發火災、爆炸等事故[4-5]，因此監測管道甲烷氣體狀況變得尤為重要。

當前，廣泛使用的監測方法主要有化學方法、傳感器檢測法等，但存在監測范圍小、無法連續監測等弊端[6]，在此條件下研究智能化的管道甲烷氣體監測系統成為相關科研人員的重要使命。很多學者均在此類系統的設計中取得杰出成就，例如周言文等[7]利用波長調制光譜和小波去噪相結合的方法，設計管道甲烷氣體監測系統，該系統的維護難度和維護費用較低，但存在零點漂移現象；王彪等[8]利用VCSEL激光光源設計管道甲烷氣體監測系統，該系統的監測穩定性優良，且靈敏度較高，但系統結構復雜，用戶界面的讀數不夠直觀。

LabVIEW作為一種調試簡單、實時性優良且功能全面的軟件程序，能很好地結合通信技術與網絡技術，在遠程監測領域具有十分廣闊的應用前景，因此本文設計基于LabVIEW的管道甲烷氣體監測系統，以期為相關工作人員實時、全面監測管道甲烷氣體狀況提供有效途徑。

1 總體結構

基于LabVIEW的管道甲烷氣體監測系統主要由內嵌LabVIEW程序的上位機子系統和下位機子系統構成。使用下位機子系統的紅外光電傳感器采集管道甲烷氣體信號數據，并傳輸到STM8處理器進行處理，將處理后的信號數據利用網絡通信模塊傳遞到上位機子系統，其通過LabVIEW編寫的串口程序聯合下位機子系統共同完成整個系統的通信，以及對接收到的信號數據的處理。上位機子系統接收到網絡通信模塊傳遞的管道甲烷氣體信號數據后，運用串行初始化與數據接收模塊將信號數據匯聚到數據處理模塊，該模塊采用小波變換方法消除信號數據中的噪聲，根據除噪后的信號數據，管道甲烷氣體濃度檢測模塊采用基于諧波檢測的管道甲烷氣體濃度檢測方法獲取管道甲烷氣體濃度信息，利用數據存儲模塊保存獲取的信息，并使用數據顯示模塊將保存的管道甲烷氣體濃度信息呈現給相關工作人員，從而使其能夠及時全面掌握管道甲烷氣體狀況。總體結構如圖1所示。

圖1 管道甲烷氣體監測系統總體結構Fig.1 Overall structure of pipeline methane gas monitoring system

2 總體硬件設計

2.1 總體硬件結構

該系統總體硬件結構具體如圖2所示。通過紅外光電傳感器將采集的管道甲烷氣體信號轉換成電壓信號，選用信號調理電路實現轉換結果的濾波與放大處理[9-10]，使用A/D轉換電路轉化所得處理結果，使其變為數字量，在此基礎上利用STM8處理器對數字量實施數據采集與處理，并運用液晶屏呈現管道甲烷氣體的測量結果，同時將其采用網絡通信模塊反饋到遠程計算機[11]，以供相關工作人員實時監測管道甲烷氣體情況。

圖2 系統總體硬件結構Fig.2 Overall hardware structure of the system

2.2 通信模塊

該系統的網絡通信模塊選用串口轉以太網的有線傳輸形式，進行下位機子系統和上位機子系統之間的管道甲烷氣體信號數據傳輸。串口轉以太網形式采用USR-TCP232-S2聯網模塊，該模塊供選擇的工作模式具體如圖3所示。

圖3 USR-TCP232-S2聯網模塊的工作模式Fig.3 Working mode of USR-TCP232-S2 networking module

該模塊包含功耗低、運行效率高以及兼容性優良等特點[12-14]，不僅能夠雙向透傳管道甲烷氣體信號數據，還具備自動完成協議轉換的功能，且數據在以太網端的表現形式為網絡數據包。USR-TCP232-S2聯網模塊可以外接10/100 M以太網物理接口[15]，需要在使用前設置數據傳輸形式、端口號等相關參數。

3 系統軟件設計

設計管道甲烷氣體監測系統的軟件流程，軟件以LabVIEW作為編程軟件，通過VISA函數庫實現串口通信，通過諧波檢測方法實現管道甲烷氣體濃度檢測。具體甲烷氣體監測系統軟件流程如下。

3.1 管道甲烷氣體監測系統LabVIEW串口通信

LabVIEW可以為系統提供功能強大，且用于控制程序之間相互通信的VISA函數庫，能夠與各種標準不同的輸入/輸出設備進行連接[16-17]。LabVIEW與串口通信流程具體如圖4所示。

圖4 LabVIEW與串口通信流程Fig.4 Flow chart of communication between LabVIEW and serial port

下述為VISA函數庫包含的幾個主要函數。

(1)VISA Configure Serial Port節點：該節點負責設置波特率、數據位以及校驗位等串口參數，其中波特率和數據位的默認值分別為9600、8，且該節點包含于儀器輸入/輸出面板的Serial內。

(2)VISA Write節點：該節點的職責為將輸出緩沖區內的數據發送到特定串口中。

(3)VISA Bytes at Serial Port節點：該節點位于以上節點之后，可用于獲取特定串口接收緩沖區內的數據字節數[18]。

(4)使用VISA Set I/O Buffer Size可以在特殊場景中設定串口接收/發送緩沖區的規模，緩沖區的清空可利用VISA Flush I/O Buffer實現，當串口停用時，可通過VISA Close函數終止與指定串口的對話。

3.2 基于諧波檢測的管道甲烷氣體濃度檢測

根據紅外光電傳感器采集的管道甲烷氣體信號，引入諧波檢測方法實現管道甲烷氣體濃度檢測。由比爾—朗伯定律可知，在波長固定的入射光照射到管道甲烷氣體的情況下，氣體吸收入射光的前提為入射光和吸收帶存在光譜重疊現象，從而使入射光呈衰減狀態[19-20]，且管道甲烷氣體濃度與其吸收強度之間呈正比。

使用諧波檢測調制光源信號，使其變為正弦信號，以消除實際檢測過程中各類噪聲對管道甲烷氣體信號的影響。當管道甲烷氣體吸收入射光后，需要利用探測器檢測相應的諧波分量，采用公式(1)描述光源信號調制后的結果：

I(λ)=I0(1+msinω)exp(-αλPc)

(1)

式中，I(λ)為透射光強；m為光強調制系數；I0為直流偏量的入射光強；ω為角頻率；P為有效吸收光程；c為管道甲烷氣體濃度；αλ為管道甲烷氣體的吸收系數；λ為光源的輸出波長。

當滿足時，可得到，同時在不考慮高階項的情況下，可將式(1)轉化為式(2)所示形式：

I(λ)=I0(1-αλPc+msinωt)

(2)

光源輸出波長λ計算過程用式(3)描述：

λ=λ0s+nmI0sinωt

(3)

式中，λ0s為處于靜態工作點的條件下，光源位置的波長；且n=ρε，其中ε為光強與調制電流比例常數；ρ為電流調制率。

假設中心波長用λ0s描述，當光源在λ0周圍出現小幅度變化時，吸收系數αλ也會隨之變化，具體見式(4)：

(4)

式中，Δλ為管道甲烷氣體分子吸收譜半寬度。

將式(3)、式(4)代入式(2)，能夠獲得式(5)所示結果：

(5)

式中，Δλ0為λ0s和λ0的差值。

通過傅里葉級數分解上式，可獲得式(6)、式(7)描述的一次諧波系數和二次諧波系數表達式：

Aω=mI0

(6)

A2ω=-kα0cPI0

(7)

將以上2個公式相比可得到式(8)所示結果：

(8)

由式(8)可知，入射光強已被抵消，不會對管道甲烷氣體濃度檢測效果產生影響。光強調制系數m和吸收系數αλ均為固定值，且光程P可經過測量得到，因此使用式(8)即可求得管道甲烷氣體濃度。

4 應用實例分析

以某城市某污水管道作為實驗對象，將本文設計的管道甲烷氣體監測系統投放到該管道進行測試，將紅外光電傳感器布設于管道合適的位置上，用于采集甲烷氣體信號數據，并使用所設計系統對其進行監測。

通過零點標定驗證本文系統的紅外光電傳感器的穩定性，采集某3日內8:00—17:00的傳感器輸出響應值，所得零點響應變化曲線如圖5所示。從圖5可知，紅外光電傳感器在3日中不同時間點的輸出電壓變化幅度極小，表明選用的紅外光電傳感器的零點穩定性較優異，有助于提升管道甲烷氣體信號數據采集效果。將紅外光電傳感器采集的管道甲烷氣體信號原始光譜圖和本文系統完成去噪后的光譜圖作比較，以驗證本文系統的管道甲烷氣體信號去噪能力(圖6)。

圖5 紅外光電傳感器的零點響應結果Fig.5 Zero response result of infrared photoelectric sensor

圖6 管道甲烷氣體信號原始與去噪后光譜Fig.6 Original and denoised spectrum of methane gas signal in pipeline

分析圖6可以看出，由于噪聲干擾，管道甲烷氣體信號原始光譜圖的相對光強度信號存在大量毛刺，使用本文系統完成去噪處理后，所得管道甲烷氣體光譜圖的相對光強度信號變得十分光滑。表明本文系統具有較理想的管道甲烷氣體信號去噪效果，可為后續甲烷氣體濃度檢測提供可靠的數據支持。

從管道所有監測點中隨機選取10個監測點進行甲烷氣體濃度檢測實驗，各監測點的甲烷氣體濃度實際結果與本文系統的檢測結果，以及絕對誤差結果見表1。

表1 不同監測點的甲烷氣體濃度結果Tab.1 Methane gas concentration results at different monitoring points

分析表1可以看出，使用本文系統獲取的各監測點的甲烷氣體濃度檢測結果與實際結果較為接近，其中甲烷氣體濃度檢測絕對誤差最大值為1.45%，相應的監測點編號為D，J監測點的甲烷氣體濃度檢測絕對誤差最小，僅為0.13%；全部監測點中，E、D兩個監測點的甲烷氣體濃度較高，分別為756×10-6和731×10-6。因此，需要重點關注這兩個監測點的甲烷氣體狀況。

綜上所述，本文系統的甲烷氣體濃度檢測性能較優良，可為相關工作人員監測管道甲烷氣體狀況以及制定相應的處理方案提供有效參考。

5 結論

在管道安全事故頻發的背景下，實時全面監測管道甲烷氣體對保障人們的正常生活和促進社會經濟穩定發展具有重大意義，因此本文設計包含上位機和下位機2個子系統的基于LabVIEW的管道甲烷氣體監測系統，以LabVIEW軟件程序為核心，通過2個子系統的相互協作實現管道甲烷氣體監測。該系統選用的傳感器具有良好的零點穩定性，且能顯著改善采集的管道甲烷氣體信號質量，將其內包含的噪聲消除，同時該系統對管道不同監測點的甲烷氣體濃度檢測準確性均保持在較高水平。