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丁淇德，韩向军，雷欣涛，牛长军，王立志
(1.国电投周口燃气热电有限公司，河南 周口 456000；
2.郑州海为电子科技有限公司，河南 郑州 450000)
城市污水管道作为城市基础建设的关键成员，其运行安全性与稳定性直接影响着人们的日常生活。国家经济的迅猛发展和城市容量的逐步增加，使城市污水管道规模不断扩大[1-2]，其内因淤泥和工业废料等形成的硫化氢、氨气以及甲烷等有害气体浓度日益升高，给人们生活带来极大的安全隐患[3]。其中甲烷气体的危害性极强，浓度较高的甲烷气体能使人瞬间窒息，且该气体具有可燃性，如果在管道中碰见明火极易引发火灾、爆炸等事故[4-5]，因此监测管道甲烷气体状况变得尤为重要。
当前，广泛使用的监测方法主要有化学方法、传感器检测法等，但存在监测范围小、无法连续监测等弊端[6]，在此条件下研究智能化的管道甲烷气体监测系统成为相关科研人员的重要使命。很多学者均在此类系统的设计中取得杰出成就，例如周言文等[7]利用波长调制光谱和小波去噪相结合的方法，设计管道甲烷气体监测系统，该系统的维护难度和维护费用较低，但存在零点漂移现象；
王彪等[8]利用VCSEL激光光源设计管道甲烷气体监测系统，该系统的监测稳定性优良，且灵敏度较高，但系统结构复杂，用户界面的读数不够直观。
LabVIEW作为一种调试简单、实时性优良且功能全面的软件程序，能很好地结合通信技术与网络技术，在远程监测领域具有十分广阔的应用前景，因此本文设计基于LabVIEW的管道甲烷气体监测系统，以期为相关工作人员实时、全面监测管道甲烷气体状况提供有效途径。
基于LabVIEW的管道甲烷气体监测系统主要由内嵌LabVIEW程序的上位机子系统和下位机子系统构成。使用下位机子系统的红外光电传感器采集管道甲烷气体信号数据，并传输到STM8处理器进行处理，将处理后的信号数据利用网络通信模块传递到上位机子系统，其通过LabVIEW编写的串口程序联合下位机子系统共同完成整个系统的通信，以及对接收到的信号数据的处理。上位机子系统接收到网络通信模块传递的管道甲烷气体信号数据后，运用串行初始化与数据接收模块将信号数据汇聚到数据处理模块，该模块采用小波变换方法消除信号数据中的噪声，根据除噪后的信号数据，管道甲烷气体浓度检测模块采用基于谐波检测的管道甲烷气体浓度检测方法获取管道甲烷气体浓度信息，利用数据存储模块保存获取的信息，并使用数据显示模块将保存的管道甲烷气体浓度信息呈现给相关工作人员，从而使其能够及时全面掌握管道甲烷气体状况。总体结构如图1所示。
图1 管道甲烷气体监测系统总体结构Fig.1 Overall structure of pipeline methane gas monitoring system
2.1 总体硬件结构
该系统总体硬件结构具体如图2所示。通过红外光电传感器将采集的管道甲烷气体信号转换成电压信号，选用信号调理电路实现转换结果的滤波与放大处理[9-10]，使用A/D转换电路转化所得处理结果，使其变为数字量，在此基础上利用STM8处理器对数字量实施数据采集与处理，并运用液晶屏呈现管道甲烷气体的测量结果，同时将其采用网络通信模块反馈到远程计算机[11]，以供相关工作人员实时监测管道甲烷气体情况。
图2 系统总体硬件结构Fig.2 Overall hardware structure of the system
2.2 通信模块
该系统的网络通信模块选用串口转以太网的有线传输形式，进行下位机子系统和上位机子系统之间的管道甲烷气体信号数据传输。串口转以太网形式采用USR-TCP232-S2联网模块，该模块供选择的工作模式具体如图3所示。
图3 USR-TCP232-S2联网模块的工作模式Fig.3 Working mode of USR-TCP232-S2 networking module
该模块包含功耗低、运行效率高以及兼容性优良等特点[12-14]，不仅能够双向透传管道甲烷气体信号数据，还具备自动完成协议转换的功能，且数据在以太网端的表现形式为网络数据包。USR-TCP232-S2联网模块可以外接10/100 M以太网物理接口[15]，需要在使用前设置数据传输形式、端口号等相关参数。
设计管道甲烷气体监测系统的软件流程，软件以LabVIEW作为编程软件，通过VISA函数库实现串口通信，通过谐波检测方法实现管道甲烷气体浓度检测。具体甲烷气体监测系统软件流程如下。
3.1 管道甲烷气体监测系统LabVIEW串口通信
LabVIEW可以为系统提供功能强大，且用于控制程序之间相互通信的VISA函数库，能够与各种标准不同的输入/输出设备进行连接[16-17]。LabVIEW与串口通信流程具体如图4所示。
图4 LabVIEW与串口通信流程Fig.4 Flow chart of communication between LabVIEW and serial port
下述为VISA函数库包含的几个主要函数。
(1)VISA Configure Serial Port节点：该节点负责设置波特率、数据位以及校验位等串口参数，其中波特率和数据位的默认值分别为9600、8，且该节点包含于仪器输入/输出面板的Serial内。
(2)VISA Write节点：该节点的职责为将输出缓冲区内的数据发送到特定串口中。
(3)VISA Bytes at Serial Port节点：该节点位于以上节点之后，可用于获取特定串口接收缓冲区内的数据字节数[18]。
(4)使用VISA Set I/O Buffer Size可以在特殊场景中设定串口接收/发送缓冲区的规模，缓冲区的清空可利用VISA Flush I/O Buffer实现，当串口停用时，可通过VISA Close函数终止与指定串口的对话。
3.2 基于谐波检测的管道甲烷气体浓度检测
根据红外光电传感器采集的管道甲烷气体信号，引入谐波检测方法实现管道甲烷气体浓度检测。由比尔—朗伯定律可知，在波长固定的入射光照射到管道甲烷气体的情况下，气体吸收入射光的前提为入射光和吸收带存在光谱重叠现象，从而使入射光呈衰减状态[19-20]，且管道甲烷气体浓度与其吸收强度之间呈正比。
使用谐波检测调制光源信号，使其变为正弦信号，以消除实际检测过程中各类噪声对管道甲烷气体信号的影响。当管道甲烷气体吸收入射光后，需要利用探测器检测相应的谐波分量，采用公式(1)描述光源信号调制后的结果：
I(λ)=I0(1+msinω)exp(-αλPc)
(1)
式中，I(λ)为透射光强；
m为光强调制系数；
I0为直流偏量的入射光强；
ω为角频率；
P为有效吸收光程；
c为管道甲烷气体浓度；
αλ为管道甲烷气体的吸收系数；
λ为光源的输出波长。
当满足时，可得到，同时在不考虑高阶项的情况下，可将式(1)转化为式(2)所示形式：
I(λ)=I0(1-αλPc+msinωt)
(2)
光源输出波长λ计算过程用式(3)描述：
λ=λ0s+nmI0sinωt
(3)
式中，λ0s为处于静态工作点的条件下，光源位置的波长；
且n=ρε，其中ε为光强与调制电流比例常数；
ρ为电流调制率。
假设中心波长用λ0s描述，当光源在λ0周围出现小幅度变化时，吸收系数αλ也会随之变化，具体见式(4)：
(4)
式中，Δλ为管道甲烷气体分子吸收谱半宽度。
将式(3)、式(4)代入式(2)，能够获得式(5)所示结果：
(5)
式中，Δλ0为λ0s和λ0的差值。
通过傅里叶级数分解上式，可获得式(6)、式(7)描述的一次谐波系数和二次谐波系数表达式：
Aω=mI0
(6)
A2ω=-kα0cPI0
(7)
将以上2个公式相比可得到式(8)所示结果：
(8)
由式(8)可知，入射光强已被抵消，不会对管道甲烷气体浓度检测效果产生影响。光强调制系数m和吸收系数αλ均为固定值，且光程P可经过测量得到，因此使用式(8)即可求得管道甲烷气体浓度。
以某城市某污水管道作为实验对象，将本文设计的管道甲烷气体监测系统投放到该管道进行测试，将红外光电传感器布设于管道合适的位置上，用于采集甲烷气体信号数据，并使用所设计系统对其进行监测。
通过零点标定验证本文系统的红外光电传感器的稳定性，采集某3日内8:00—17:00的传感器输出响应值，所得零点响应变化曲线如图5所示。从图5可知，红外光电传感器在3日中不同时间点的输出电压变化幅度极小，表明选用的红外光电传感器的零点稳定性较优异，有助于提升管道甲烷气体信号数据采集效果。将红外光电传感器采集的管道甲烷气体信号原始光谱图和本文系统完成去噪后的光谱图作比较，以验证本文系统的管道甲烷气体信号去噪能力(图6)。
图5 红外光电传感器的零点响应结果Fig.5 Zero response result of infrared photoelectric sensor
图6 管道甲烷气体信号原始与去噪后光谱Fig.6 Original and denoised spectrum of methane gas signal in pipeline
分析图6可以看出，由于噪声干扰，管道甲烷气体信号原始光谱图的相对光强度信号存在大量毛刺，使用本文系统完成去噪处理后，所得管道甲烷气体光谱图的相对光强度信号变得十分光滑。表明本文系统具有较理想的管道甲烷气体信号去噪效果，可为后续甲烷气体浓度检测提供可靠的数据支持。
从管道所有监测点中随机选取10个监测点进行甲烷气体浓度检测实验，各监测点的甲烷气体浓度实际结果与本文系统的检测结果，以及绝对误差结果见表1。
表1 不同监测点的甲烷气体浓度结果Tab.1 Methane gas concentration results at different monitoring points
分析表1可以看出，使用本文系统获取的各监测点的甲烷气体浓度检测结果与实际结果较为接近，其中甲烷气体浓度检测绝对误差最大值为1.45%，相应的监测点编号为D，J监测点的甲烷气体浓度检测绝对误差最小，仅为0.13%；
全部监测点中，E、D两个监测点的甲烷气体浓度较高，分别为756×10-6和731×10-6。因此，需要重点关注这两个监测点的甲烷气体状况。
综上所述，本文系统的甲烷气体浓度检测性能较优良，可为相关工作人员监测管道甲烷气体状况以及制定相应的处理方案提供有效参考。
在管道安全事故频发的背景下，实时全面监测管道甲烷气体对保障人们的正常生活和促进社会经济稳定发展具有重大意义，因此本文设计包含上位机和下位机2个子系统的基于LabVIEW的管道甲烷气体监测系统，以LabVIEW软件程序为核心，通过2个子系统的相互协作实现管道甲烷气体监测。该系统选用的传感器具有良好的零点稳定性，且能显著改善采集的管道甲烷气体信号质量，将其内包含的噪声消除，同时该系统对管道不同监测点的甲烷气体浓度检测准确性均保持在较高水平。
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