一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统

1.本发明涉及一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，属于气体泄露监测技术领域。

背景技术：

2.全球气候变化促使世界各国加速脱碳，氢气是一种零排放的二次能源，是实现“双碳”目标的重要能源之一。在ng中添加氢气进行燃烧被认为是减少碳排放的一种途径，故近年来国家鼓励利用在役天然气管道或管网输送掺氢天然气。
3.氢气具有无无味、密度小和易扩散等特点，在空气中浓度超过4％时被归类为一种高度易燃的元素，容易发生燃烧爆炸。在混氢系统中随着掺氢浓度的增加，氢气泄漏带来的事故后果也更加严重。在混氢装置中，氢气会使钢的断裂韧性减小、裂纹扩展速度变快、疲劳寿命降低，故氢气的泄漏和燃烧爆炸风险将变大。
4.针对混氢系统可能发生的氢气泄漏问题，需设计一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，实现氢气和天然气的安全混合，对提高经济效益具有重要意义。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，为确保氢气和天然气的安全混合，设计plc控制系统、调节控制装置、微流控介电泳系统、基于还原的氧化石墨烯传感器系统、xr-2206函数发生器系统、光耦合器系统、微处理器、编码键盘、信息收集与处理终端、声光报警器，可实现混氢系统氢气泄漏监测及控制天然气管道、氢气管道气体输送，实现安全运行。
6.本发明主要解决以下问题：
7.(1)设计plc控制系统，发现氢气泄漏时，控制天然气管道、氢气管道停止气体输送。
8.(2)设计微流控介电泳系统能够获得基于还原的氧化石墨烯单层薄片，避免形成氧化石墨烯薄片的团聚体。
9.(3)采用基于还原的氧化石墨烯传感器，增强传感器传感特性，去除氧化石墨烯中包含的含氧基团和缺陷，产生更多的不饱和碳原子石墨域及更多的气体吸附活性位点，使电流更容易传输。
10.(4)设计xr-2206函数发生器系统，将传感器电阻变化转化为高质量的方波输出，由波形整形器输出稳定的正弦波。布置合适的具有电阻r4、电阻r5电位分压器，限制传感器的低激励电压。
11.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
12.一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，其特征在于：微流控介电泳系统14、基于还原的氧化石墨烯传感器系统20、xr-2206函数发生器系统23、8051微处理器24、光耦合器系统25。
13.进一步的，所述微流控介电泳系统包括液罐a140、液罐b141、氧化石墨烯混合液142、阀门143、输送管道144、泵145、桌柜146、氧化石墨烯薄片147、电极a148、电极b149、电极固定座150、电线a151、电线b152、功率分析仪153、nabh4溶液154；
14.所述氧化石墨烯混合液142装于液罐a140中，所述阀门143位于液罐a140下方，所述泵145位于液罐a140和电极固定座150之间，所述电极固定座150位于桌柜146之上，所述功率分析仪153通过电线a151、电线b152与电极固定座150的电极a148、电极b149相连；
15.进一步的，所述氧化石墨烯混合液142浓度为5g/ml，所述nabh4溶液154浓度为10mm/l。
16.进一步的，所述的基于还原的氧化石墨烯传感器系统20包括传感器装置201、微型气体泵202、入口软管203、出口软管204、第1细钢丝绳205、第2细钢丝绳206、第3细钢丝绳207、第4细钢丝绳208、第5细钢丝绳209、第6细钢丝绳210、第7细钢丝绳211、第8细钢丝绳212、8个小型排气口213；
17.所述传感器装置201由第1细钢丝绳205、第2细钢丝绳206、第3细钢丝绳207、第4细钢丝绳208所固定，所述微型气体泵202由第5细钢丝绳209、第6细钢丝绳210、第7细钢丝绳211、第8细钢丝绳212所固定，所述出口软管204连接微型气体泵202和传感器装置201，所述8个小型排气口213位于传感器装置201上部。
18.进一步的，xr-2206函数发生器系统23，其特征在于：包括xr-2206函数发生器230、vcc1231、vcc2232、vcc3233、agnd1234、agnd2235、gnd1236、gnd2237、gnd3238、gnd4239、电容a240、固定电容241、电容b242、传感器接入电阻r1243、电阻r2244、电阻r3245、电阻r4246、电阻r5247、波形整形器248；
19.所述vcc1231、gnd4239、电容a240、固定电容241、电容b242、传感器接入电阻r1243、电阻r2244、电阻r4246、电阻r5247、波形整形器248与xr-2206函数发生器230相连，所述agnd1234与电容a240相连接，所述gnd3238与电阻r5247相连接，所述gnd1236位于传感器接入电阻r1243、电阻r2244之间，所述gnd2237与电容b242相连接，所述电阻r3245与vcc3233、xr-2206函数发生器230、波形整形器248相连接，vcc2232、agnd2235与波形整形器248连接；
20.进一步的，所述vcc1231供电电压为12v，所述vcc2232、vcc3233供电电压为5v，所述电容a240、电容b242电容为1uf，所述固定电容241电容为100nf，所述电阻r2244、电阻r3245、电阻r4246、电阻r5247电阻为8.2k、10k、100k、3.3k。
21.进一步的，所述光耦合器系统25包括光耦合器250、跳线251、测试输入端252；
22.所述跳线251、测试输入端252，可模拟传感器接入电阻r1243输入频率信号验证8051微处理器24处理信息准确性。
23.进一步的，所述传感器装置201包括基于还原的氧化石墨烯传感器901、不锈钢网902、macor陶瓷外壳903、电源连接线904、信号输出线905；
24.所述基于还原的氧化石墨烯传感器901放置在macor陶瓷外壳903内，所述不锈钢网902布置在macor陶瓷外壳903入口处，所述信号输出线905与xr-2206函数发生器系统23连接。
25.一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，包括以下步骤：
26.s1：传感器接入电阻r1243与固定电容241作为rc振荡器，振荡频率取决于传感器接入电阻r1243、电阻r2244与固定电容241的值，振荡的频率由方程f＝2c(r1+r2)计算，电阻
r2244与固定电容241的值已确定，固振荡频率将仅取决于传感器接入电阻r1243，为限制基于还原的氧化石墨烯传感器系统20的低激励电压，布置合适的具有电阻r4246、电阻r5247电位分压器，传感器接入电阻r1243引起振荡频率变化，xr-2206函数发生器230输出方波信号至波形整形器248，再由波形整形器248输出正弦波；
27.s2：由波形整形器248输出正弦波经过光耦合器系统25，经过转换，放大输入信；
28.s3：利用编码键盘27通过rs232连接线26与8051微处理器24连接，利用c语言对8051微处理器24进行编程，将输入信号转化为氢气浓度；
29.s4：8051微处理器24输出氢气浓度至信息收集与处理终端29、声光报警器28，信息收集与处理终端29进行氢气浓度数据收集，声光报警器28接受传入氢气浓度，判定是否大于声光报警器28预设阀值25％lel氢气爆炸下限，若大于则进行声光报警；
30.s5：plc控制系统13接受来自声光报警器28声光报警信号，利用调节控制装置a15、调节控制装置b16停止天然气管道30、氢气管道31内的气体输送。
31.该发明的有益效果在于：
32.(1)设计plc控制系统，发现氢气泄漏时，控制天然气管道、氢气管道停止气体输送。
33.(2)设计微流控介电泳系统能够获得基于还原的氧化石墨烯单层薄片，避免形成氧化石墨烯薄片的团聚体。
34.(3)采用基于还原的氧化石墨烯传感器，增强传感器传感特性，去除氧化石墨烯中包含的含氧基团和缺陷，产生更多的不饱和碳原子石墨域及更多的气体吸附活性位点，使电流更容易传输。
35.(4)设计xr-2206函数发生器系统，将传感器电阻变化转化为高质量的方波输出，由波形整形器输出稳定的正弦波，布置合适的具有电阻r4、电阻r5电位分压器，限制传感器的低激励电压。
附图说明
36.图1是本发明实施例中混氢系统氢气泄漏监测及响应系统图。
37.图2是本发明实施例中混氢系统氢气泄漏监测装置左视图。
38.图3是本发明实施例中混氢系统氢气泄漏监测装置右视图。
39.图4是本发明实施例中基于还原的微流控介电泳系统示意图。
40.图5是本发明实施例中基于还原的氧化石墨烯传感器系统图。
41.图6是本发明实施例中xr-2206函数发生器系统示意图。
42.图7是本发明实施例中传感器装置图。
43.图8是本发明实施例中泄漏监测及响应示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
45.实施例
46.本实施例中，图1是混氢系统氢气泄漏监测及响应系统图，图2是混氢系统氢气泄漏监测装置左视图，图3是混氢系统氢气泄漏监测装置右视图，混氢系统氢气泄漏监测及响
应系统包括第1连接板1、第2连接板2、第3连接板3、第4连接板4、第5连接板5、第6连接板6、第7连接板7、第8连接板8、第9连接板9、第10连接板10、第11连接板11、第12连接板12、plc控制系统13、微流控介电泳系统14、调节控制装置a15、调节控制装置b16、橡胶垫圈a17、橡胶垫圈b18、橡胶垫圈c19、基于还原的氧化石墨烯传感器系统20、第13连接板21、第14连接板22、xr-2206函数发生器系统23、8051微处理器24、光耦合器系统25、rs232连接线26、编码键盘27、声光报警器28、信息收集与处理终端29、天然气管道30、氢气管道31、混氢管道32、外壳a33、外壳b34、密封垫a35、密封垫b36；
47.所述外壳a33在第2连接板2、第4连接板4、第6连接板6、第8连接板8、第9连接板9、第10连接板10下夹持密封垫a35连接，所述外壳b34在第1连接板1、第3连接板3、第5连接板5、第7连接板7、第11连接板11、第12连接板12下夹持密封垫b36连接，所述外壳a33、外壳b34夹持橡胶垫圈a17、橡胶垫圈b18、橡胶垫圈c19与天然气管道30、氢气管道31、混氢管道32连接，所述基于还原的氧化石墨烯传感器系统20位于外壳b34内面上方正中心下方，所述微流控介电泳系统14为基于还原的氧化石墨烯传感器系统20提供氧化石墨烯薄片，所述基于还原的氧化石墨烯传感器系统20与xr-2206函数发生器系统23相连，将收集信息传输至xr-2206函数发生器系统23，并由xr-2206函数发生器系统23发出信号，所述光耦合器系统25与xr-2206函数发生器系统23相连，将xr-2206函数发生器系统23发出信号放大，所述光耦合器系统25与8051微处理器24相连，光耦合器系统25发出信号至8051微处理器24处理并转化为氢气浓度，所述8051微处理器24通过rs232连接线26与信息收集与处理终端29、声光报警器28所连接，所述plc控制系统13与调节控制装置a15、调节控制装置b16、声光报警器28相连接，所述编码键盘27通过rs232连接线26与8051微处理器24连接并对8051微处理器24进行编程。
48.图4是微流控介电泳系统示意图，微流控介电泳系统包括液罐a140、液罐b141、氧化石墨烯混合液142、阀门143、输送管道144、泵145、桌柜146、氧化石墨烯薄片147、电极a148、电极b149、电极固定座150、电线a151、电线b152、功率分析仪153、nabh4溶液154；
49.液罐a140装有氧化石墨烯混合液142，打开阀门143，在泵145的作用下沿着输送管道144将氧化石墨烯混合液142送往电极固定座150，在电极a148与电极b149的作用下生成一个恒定流量的非均匀电场，电场产生一个正向介电泳力，可在电极a148与电极b149间区域进行氧化石墨烯薄片147捕获，使用液罐b141进行液体回收，调节不同峰间电压、处理时间，由功率分析仪153记录电压v和电流i，绘制i-v曲线，观察信噪比，选择高信噪比下参数条件，在nabh4溶液154作用下进行氧化石墨烯薄片147的还原；
50.所述氧化石墨烯混合液142浓度为5g/ml，所述nabh4溶液154浓度为10mm/l。
51.图5是基于还原的氧化石墨烯传感器系统图，基于还原的氧化石墨烯传感器系统101包括传感器装置201、微型气体泵202、入口软管203、出口软管204、第1细钢丝绳205、第2细钢丝绳206、第3细钢丝绳207、第4细钢丝绳208、第5细钢丝绳209、第6细钢丝绳210、第7细钢丝绳211、第8细钢丝绳212、8个小型排气口213；
52.所述微型气体泵202每隔十分钟启动一次，进行气体采集，将采集气体通过出口软管204输送到传感器装置201，进入气体再由8个小型排气口213排出，所述传感器装置201由第1细钢丝绳205、第2细钢丝绳206、第3细钢丝绳207、第4细钢丝绳208所固定，所述微型气体泵202由第5细钢丝绳209、第6细钢丝绳210、第7细钢丝绳211、第8细钢丝绳212所固定，所
述出口软管204连接微型气体泵202和传感器装置201，所述8个小型排气口213位于传感器装置201上部。
53.图6是xr-2206函数发生器系统示意图，xr-2206函数发生器系统23包括xr-2206函数发生器230、vcc1231、vcc2232、vcc3233、agnd1234、agnd2235、gnd1236、gnd2237、gnd3238、gnd4239、电容a240、固定电容241、电容b242、传感器接入电阻r1243、电阻r2244、电阻r3245、电阻r4246、电阻r5247、波形整形器248、光耦合器(250)、跳线(251)、测试输入端(252)；
54.所述传感器接入电阻r1243引起振荡频率变化，xr-2206函数发生器230输出方波信号至波形整形器248，再由波形整形器248输出正弦波；所述跳线251、测试输入端252，可模拟传感器接入电阻r1243输入频率信号验证8051微处理器24处理信息准确性；
55.所述vcc1231供电电压为12v，所述vcc2232、vcc3233供电电压为5v，所述电容a240、电容b242电容为1uf，所述固定电容241电容为100nf，所述电阻r2244、电阻r3245、电阻r4246、电阻r5247电阻为8.2k、10k、100k、3.3k。
56.图7是传感器装置图，传感器装置包括基于还原的氧化石墨烯传感器901、不锈钢网902、macor陶瓷外壳903、电源连接线904、信号输出线905；
57.所述基于还原的氧化石墨烯传感器901放置在macor陶瓷外壳903内，所述不锈钢网902布置在macor陶瓷外壳903入口处，基所述信号输出线905与xr-2206函数发生器系统23连接。
58.图8是泄漏监测及响应示意图，包括plc控制系统13、微流控介电泳系统14、基于还原的氧化石墨烯传感器901、xr-2206函数发生器系统23、8051微处理器24、光耦合器系统25、rs232连接线26、编码键盘27、声光报警器28、信息收集与处理终端29；
59.所述微流控介电泳系统14进行基于还原的氧化石墨烯传感器901制备，所述基于还原的氧化石墨烯传感器901将采集信息输送至xr-2206函数发生器系统23再输出至光耦合器系统25进行信号放大，编码键盘27利用c语言对8051微处理器24进行编程，由8051微处理器24进行信号处理，输出信号至声光报警器28、信息收集与处理终端29，当声光报警器28发生报警时，plc控制系统13自动停止气体输送。
60.一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，包括以下步骤：
61.s1：传感器接入电阻r1243与固定电容241作为rc振荡器，振荡频率取决于传感器接入电阻r1243、电阻r2244与固定电容241的值，振荡的频率由方程f＝2c(r1+r2)计算，电阻r2244与固定电容241的值已确定，固振荡频率将仅取决于传感器接入电阻r1243，为限制基于还原的氧化石墨烯传感器系统20的低激励电压，布置合适的具有电阻r4246、电阻r5247电位分压器，传感器接入电阻r1243引起振荡频率变化，xr-2206函数发生器230输出方波信号至波形整形器248，再由波形整形器248输出正弦波；
62.s2：由波形整形器248输出正弦波经过光耦合器系统25，经过转换，放大输入信；
63.s3：利用编码键盘27通过rs232连接线26与8051微处理器24连接，利用c语言对8051微处理器24进行编程，将输入信号转化为氢气浓度；
64.s4：8051微处理器24输出氢气浓度至信息收集与处理终端29、声光报警器28，信息收集与处理终端29进行氢气浓度数据收集，声光报警器28接受传入氢气浓度，判定是否大于声光报警器28预设阀值25％lel氢气爆炸下限，若大于则进行声光报警；
65.s5：plc控制系统13接受来自声光报警器28声光报警信号，利用调节控制装置a15、
调节控制装置b16停止天然气管道30、氢气管道31内的气体输送。
66.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，其特征在于：包括微流控介电泳系统(14)、基于还原的氧化石墨烯传感器系统(20)、xr-2206函数发生器系统(23)、8051微处理器(24)、光耦合器系统(25)。2.根据权利要求1所述的微流控介电泳系统(14)，其特征在于：包括液罐a(140)、液罐b(141)、氧化石墨烯混合液(142)、阀门(143)、输送管道(144)、泵(145)、桌柜(146)、氧化石墨烯薄片(147)、电极a(148)、电极b(149)、电极固定座(150)、电线a(151)、电线b(152)、功率分析仪(153)、nabh4溶液(154)；所述氧化石墨烯混合液(142)浓度为5g/ml，所述nabh4溶液(154)浓度为10mm/l。3.根据权利要求1所述的基于还原的氧化石墨烯传感器系统(20)，其特征在于：包括传感器装置(201)、微型气体泵(202)、入口软管(203)、出口软管(204)、第1细钢丝绳(205)、第2细钢丝绳(206)、第3细钢丝绳(207)、第4细钢丝绳(208)、第5细钢丝绳(209)、第6细钢丝绳(210)、第7细钢丝绳(211)、第8细钢丝绳(212)、8个小型排气口(213)；所述传感器装置(201)由第1细钢丝绳(205)、第2细钢丝绳(206)、第3细钢丝绳(207)、第4细钢丝绳(208)所固定，所述微型气体泵(202)由第5细钢丝绳(209)、第6细钢丝绳(210)、第7细钢丝绳(211)、第8细钢丝绳(212)所固定，所述出口软管(204)连接微型气体泵(202)和传感器装置(201)，所述8个小型排气口(213)位于传感器装置(201)上部。4.根据权利要求1所述的xr-2206函数发生器系统(23)，其特征在于：包括xr-2206函数发生器(230)、vcc1(231)、vcc2(232)、vcc3(233)、agnd1(234)、agnd2(235)、gnd1(236)、gnd2(237)、gnd3(238)、gnd4(239)、电容a(240)、固定电容(241)、电容b(242)、传感器接入电阻r1(243)、电阻r2(244)、电阻r3(245)、电阻r4(246)、电阻r5(247)、波形整形器(248)；所述vcc1(231)供电电压为12v，所述vcc2(232)、vcc3(233)供电电压为5v，所述电容a(240)、电容b(242)电容为1uf，所述固定电容(241)电容为100nf，所述电阻r2(244)、电阻r3(245)、电阻r4(246)、电阻r5(247)电阻为8.2k、10k、100k、3.3k。5.根据权利要求1所述的光耦合器系统(25)，其特征在于：包括光耦合器(250)、跳线(251)、测试输入端(252)；所述跳线(251)、测试输入端(252)，可模拟传感器接入电阻r1(243)输入频率信号验证8051微处理器(24)处理信息准确性。6.根据权利要求3所述的传感器装置(201)，其特征在于：包括基于还原的氧化石墨烯传感器(901)、不锈钢网(902)、macor陶瓷外壳(903)、电源连接线(904)、信号输出线(905)；所述基于还原的氧化石墨烯传感器(901)放置在macor陶瓷外壳(903)内，所述不锈钢网(902)布置在macor陶瓷外壳(903)入口处，所述信号输出线(905)与xr-2206函数发生器系统(23)连接。7.一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，包括以下步骤：s1：传感器接入电阻r1(243)与固定电容(241)作为rc振荡器，振荡频率取决于传感器接入电阻r1(243)、电阻r2(244)与固定电容(241)的值，振荡的频率由方程f＝2c(r1+r2)计算，电阻r2(244)与固定电容(241)的值已确定，固振荡频率将仅取决于传感器接入电阻r1(243)，为限制基于还原的氧化石墨烯传感器系统(20)的低激励电压，布置合适的具有电阻r4(246)、电阻r5(247)电位分压器，传感器接入电阻r1(243)引起振荡频率变化，xr-2206函数发生器(230)输出方波信号至波形整形器(248)，再由波形整形器(248)输出正弦波；
s2：由波形整形器(248)输出正弦波经过光耦合器系统(25)，经过转换，放大输入信；s3：利用编码键盘(27)通过rs232连接线(26)与8051微处理器(24)连接，利用c语言对8051微处理器(24)进行编程，将输入信号转化为氢气浓度；s4：8051微处理器(24)输出氢气浓度至信息收集与处理终端(29)、声光报警器(28)，信息收集与处理终端(29)进行氢气浓度数据收集，声光报警器(28)接受传入氢气浓度，判定是否大于声光报警器(28)预设阀值25％lel(氢气爆炸下限)，若大于则进行声光报警；s5：plc控制系统(13)接受来自声光报警器(28)声光报警信号，利用调节控制装置a(15)、调节控制装置b(16)停止天然气管道(30)、氢气管道(31)内的气体输送。

技术总结

本发明涉及一种混氢系统氢气泄漏监测及响应系统，属于气体泄露监测技术领域；针对混氢装置中氢气易泄漏扩散问题，设计微流控DEP系统获得基于还原的氧化石墨烯单层薄片，利用高灵敏的基于还原的氧化石墨烯传感器和微型气体泵进行气体检测，设计XR-2206函数发生器系统限制传感器的低激励电压，将传感器电阻变化由波形整形器输出稳定的正弦波，8051微处理器进行信号处理，输出氢气浓度至信息收集与处理终端、声光报警器，信息收集与处理终端进行氢气浓度数据收集，声光报警器接受传入氢气浓度，判定是否大于声光报警器预设阀值25％氢气爆炸下限，若大于则进行声光报警，PLC控制系统控制天然气管道、氢气管道停止气体输送，实现安全运行。安全运行。安全运行。