基于虚拟仪器的可燃气体监测系统

摘 要：介绍了一种基于虚拟仪器并采用电子设备进行监测和控制可燃气体泄露情况的远程测控方案，同时给出了系统信号采集电路、控制电路及相应的软件设计方法。该监测系统具有方便、直观、快速等特点。

关键词：LabVIEW；可燃气体；远程测控方案；测控

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）04-0022-03

0 引 言

近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气等易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都显著增加，它们易流动、易燃烧。在生产、储存、运输过程中，有毒、易爆气体的泄漏是可能存在的，具体泄漏位置较难查询，易造成重大火灾、爆炸、中毒事故，给国家和人民生命财产造成损失。为了防患于未然，在生产现场设置可燃、有毒气体检测报警器，及时检测并发出报警信号，采取有力措施，防止事故的发生便显得尤为重要。本系统采用目前流行的NI公司虚拟仪器开发平台LabVIEW作为软件编程环境，研究基于LabVIEW的网络通讯技术，实现对可燃气体的远程检测、报警、输出控制等功能，从而便捷、直观、安全、快速地检测和控制可燃气体泄露现场环境。

1 系统功能及构建思路

本设计为基于PC―DAQ的虚拟仪器系统。以LabVIEW8.6为软件开发平台，采用具有USB接口的多功能数据采集卡LabJack U12及传感器完成对工作场所多个监测点的气体信号采集、信号调理、浓度测量、控制信号输出等功能。选用继电器、蜂鸣器等电气元件来完成排风扇、电磁阀对现场环境的报警控制功能。利用在Web上HTML文件的方法实现对工作现场可燃气体的远程检测，可以使用户在本地或远程计算机上浏览并且操作LabVIEW程序面板，实现对整个系统远程报警及自动或人工控制。

2 系统硬件设计

本系统的硬件结构框图，被控对象是扬声器、排风扇和电磁阀。系统采用多个气敏传感器工作现场可燃气体信号，经信号调理电路放大、滤波后，再经过数据采集卡进入计算机，控制程序根据现场内的气体浓度值与系统给定阈值作比较。若超出参考值，采集卡将输出控制信号，并开启扬声器、指示灯进行声光报警，同时启动排风扇，关闭电磁阀，进行处理。

2.1 传感器

本系统中采用MC―112型传感器，它是一种催化燃烧式传感器。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。此种传感器在任何环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染等特点。MC―112型传感器普遍应用于石油化工厂、造船厂、浴室、厨房等处的可燃气体的监测和报警。

2.2 测量电路

测量电路主要由传感器和信号调理电路组成，气敏传感器的输出信号经信号调理电路处理后通过采集卡的模拟通道输入计算机，并由LabVIEW程序计算得到浓度测量值。调理电路的作用是把传感器采集的温湿度信号转换成电压信号，并将其放大，以满足数据采集卡A/D输入端电气参数要求。

本系统的信号调理采用双恒流源法，其设计图如图2所示。根据气敏传感器的特性，其电阻值随着浓度的变化而变化，在反馈放大器中设计了两个相同的恒流源，其值用IS表示。其中R（T）是气敏传感器根据感知的所测浓度所变化的阻值，标准电阻RN=100 Ω。根据采集浓度的不同，即电阻阻值的不同，转换的电压值也不同。

2.3 数据采集卡选择

数据采集系统的核心是数据采集卡。数据采集卡是实现将检测信号从模拟信号变成计算机能接收和处理的数字信号功能的硬件，其选用在整个硬件选用的过程中占据了重要位置。这是因为它不仅关系到与其他硬件设备之间的性能匹配，而且还涉及到应用程序开发的难易程度以及应用环境的具体要求。综合考虑本系统待定参数的特征，以及数据采集板的可靠性、精度和性价比等因素，我们选择了美国LabJACK公司生产的数据采集板LabJACK U12。它是一种可以与带USB接口的计算机通讯的多功能模拟、数字和定时I/O数据通讯设备。

2.4 控制电路

本系统的控制电路如图3所示。整个电路由排风电路和电磁阀电路组成，排风电路部分采用380 V/750 W的循环风机，并应用继电器和交流接触器对其进行控制。本设计中选用的继电器的型号是hrs1H―S―DC5V，继电器线圈需要较大的电流才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动。采集卡把控制电压输出给控制三极管基极，继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间。当输入为+VCC（5 V）时，三极管饱和，继电器线圈有相当大的电流流过，则继电器吸合（ON），220 V的交流电导通，此时交流接触器的主触点吸合，使380 V的循环风机开始工作，完成对循环风机的开启控制。在此过程中，三极管有放大和开关两个作用。采集卡有输出保持作用，当希望系统停止工作时，采集卡输出为0 V，三极管截止，继电器线圈无电流流过，则继电器释放（OFF），220 V交流电断开，交流接触器的主触点释放，循环风机停止工作。声光报警和电磁阀电路都由采集卡U12的输出控制端AO1完成，当软件将AO1置1，三极管VT1，VT3导通，报警灯点亮，蜂鸣器发出报警声，并且电磁阀关闭。

3 软件设计

可燃气体监测系统的主控程序采用模块化的设计方法，将系统划分成几个相互独立的功能模块，各模块内部分别完成确定的任务，模块之间相对独立而又通过系统的框架协议相互联系。为了使各模块之间按照系统的框架协议协调动作和相互通信，以及实现人机交互，设计了提供用户接口的主控程序。在用户通过鼠标或键盘发出指令后，主控程序通过统一调度各功能模块实现用户意图。

3.1 系统前面板设计

系统的前面板分为显示、操作和报警三个功能区域。

显示包括数值显示、波形显示及表头监控显示。数值显示显示传感器实时采集数据；波形显示以曲线形式直观地反映现场环境浓度的变化；表头监控显示用时间控件显示当前时间，水平滑动条显示当前的环境浓度，指示灯显示报警的具体情况并伴随有BEEP声音提醒。

用户在操作区域完成测试和程序响应用户的操作，并完成参数保存、测控、查询、生成报表和打印等功能。

报警区域的功能可对被测指标与预先设定的极限值进行比较，若超出极限值，系统报警。报警区域的设置为用户提供了有效的监测手段，可避免因设备故障而造成的损失。

为了让前面板更加美观以及对图表控件初始化，程序使用大量的属性节点对控件的颜色、可见性、闪烁、比例进行设置。

3.2 数据采集模块

图4所示是本系统数据采集模块的框图程序。数据采集模块用于完成对数据采集卡LabJack U12的驱动以及各项参数设置，如通道设置、增益、读写状态等。实现方法是在LabVIEW界面下调用采集卡LabJack U12提供的AI simple函数，通过采集卡AI0，AI1，AI2 ，AI3 四个通道同时对四个不同采集点浓度信号进行采集。之后连接解析簇函数unbundle函数解析出一维电压值数组，再由索引数组函数Index Array给函数四个索引端口连接索引值，element参数输出该索引值对应的电压值。最后四路电压求平均，求出传感器采集的现场四个点的电压值，经过换算得出现场浓度。

3.3 系统控制模块

系统控制子程序对两个执行机构排风扇和电磁阀、扬声器的相关电路输入控制电压， 图5所示是系统的控制子程序。该系统调用了EAnalogout函数，此函数可以同时输出两个模拟通道电压。分别在analogout0，analogout1端口连接排风扇和电磁阀、扬声器的驱动机构，采集的浓度参数经软件程序处理后，在analogout0，analogout1输出指令，执行机构根据指令进行相应的操作。

3.4 系统网络化的实现

LabVIEW的网络功能主要建立在DataSocket技术、Web服务器和TCP、UDP协议基础上。本测控系统采用在Web上HTML文件的方法实现烤房的远程测控，也可以使本地或远程计算机浏览并且操作LabVIEW程序面板，从而对整个系统进行监测和控制。

4 结 语

有安全才有发展，有安全才有效益。厂矿住宅可根据具体环境及需要的功能选择合适的可燃气体监测系统，以确保人身与生产安全。该监测系统可以应用于实际，具有方便、快捷、直观等特点，相信会给用户耳目一新的感觉。

参 考 文 献

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