含硫化氢气体是高压深井碳酸盐岩地层中常见的流体, 目前我国已开发的油田中, 以四川和华北含硫化氢气体最多。硫化氢的毒性仅次于氰化物, 易致人死亡，一旦超标含硫化氢油气井发生井喷失控, 将导致灾难性的悲剧。因此, 为确保人员的绝对安全, 杜绝硫化氢中毒事故的发生, 了解硫化氢气体的来源和危害, 建立有效的井场硫化氢实时监测及预警系统非常重要[1-3]。
针对井场硫化氢监测的特点，本文提出一种基于单片机技术及虚拟仪器技术的实时硫化氢浓度数据采集与处理系统。该系统能够根据特定的硫化氢传感器，合理采集多路硫化氢浓度数据，通过在井场范围内合理布局四个监测探头，实现对各个监测点硫化氢浓度的数据采集，以MSP430F149单片机为核心的现场监测系统实现对井场硫化氢浓度的实时监测及分级报警等功能。现场监测系统必须结构合理、适应性强，能在恶劣环境下工作可靠。
井场硫化氢动态监测系统主要完成井场四处信号的采集、处理、显示、报警及预警。此四处位置分别为：井口、缓冲罐下、循环池内拐角处和泵层。系统的总体结构框图如图 1所示。井场硫化氢监测系统主要由硫化氢监测探头、现场数据处理、数据监视与处理中心(上位机)组成。系统预警功能由上位机经数据分析与处理后实现。
硬件电路设计主要包括以下电路：电源电路、传感器操作电路、信号调理电路、4 mA~20 mA标准电流信号输出电路、I/U转换及校准电路、单片机系统的时钟与复位电路、单片机显示与报警电路以及单片机与上位机的串口通信接口电路等。
电化学有毒气体传感器是一种微燃料电池元件，不必保养而可以有长期的稳定性[4]。它是在原有的氧气传感器的基础上改进而得，可以直接反映出气体浓度而不必通过分压来反应。本系统选用的是7H H2S CiTiceLs硫化氢电化学传感器。所有7系列的传感器(除A7AM和A7E/F)都是三电极设计，通过控制感应电极的电压提高了对目标气体的检测能力，而感应电极和负电极之间的电流用同样的电路可以测出。
硫化氢电化学传感器的操作电路是将传感器微弱的电流信号转换为毫伏级的电压信号，其操作电路有两种方案，即标准操作与偏置操作电路。该系统采用的是偏置操作电路，其电路如图 2所示。
传感器操作电路输出的毫伏级电压信号，需作进一步放大处理。同时，由于电流型电化学传感器存在一定温度漂移和零点漂移，对信号输出稳定性有一定影响，需要定期对监测仪器进行校准。故所设计信号调理电路除具有放大功能外，还必需具有增益调节与零点调整功能，其电路如图 3所示。信号放大电路分为两级，第一级为加法电路，第二级为放大电路。Ui为传感器操作电路输出电压信号，由于幅值较微弱，故在其同向输入端(U1B与U1C)加上一参考电压偏移值Vvef，使其能够被有效地放大。
标准电流信号有DDZ－Ⅱ型的0~10 mA电流信号和DDZ－Ⅲ型的4 mA~20 mA电流信号两种[5]。DDZ－Ⅱ型与DDZ－Ⅲ型相比，输入的标准信号不同，Ⅱ型是0~10 mA DC输入，经200 Ω标准电阻可转变成0~2V DC电压输入。Ⅲ型是4 mA~20 mA DC电流输入，经250 Ω标准电阻可转变成1V~5V DC电压输入。因零位工作点不同，Ⅲ型比Ⅱ型更精确，更稳定。本监测系统采用DDZ－Ⅲ型的4 mA~20 mA DC电流信号，其电路原理如图 4所示。运算放大器设计为差动放大器，它将输入信号Ui与Uf进行比较，对其差值进行放大。复合三极管T1、T2的作用是放大电流。其中T1是反向放大器，T2是电流输出极。在T2发射极上接电流负反馈Rf1、Rf2，得到反馈电阻RL，输出电流I0流经Rf1、Rf2，得到反馈电压Uf，经电阻R4、R5加到两个输入端。由于该电路引入了很强的电流负反馈，因此具有良好的恒流特性。
本设计中选用的是MSP430系列中的MSP430F149单片机[6]，其单片机系统结构如图 5所示。模拟信号经A/D转换后传输至单片机进行数据处理。E2PROM用于存储报警门限等数据，通过键盘可对门限值进行设置，也可通过上位机进行设置。单片机与上位机通信采用的是RS-485串行口。
由于4 mA~20 mA传感器输出4 mA时，在取样电阻上的电压不等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0，单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。因此，一般的处理方法是通过硬件电路将4 mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换，工作电路原理如图 6所示。
单片机和上位机之间采用异步通信模式RS-485通信。RS-485是基于差分信号传送的串行通信链路层协议，它解决了RS-232协议传输距离太近(15 m)的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数据通信链路层协议。本设计中RS-485芯片选用MAX485。MAX485属低功耗收发器，具有一个驱动器和一个收发器，其中驱动器摆率不受限制，传输速率最高可达2.5 Mbps。驱动器具有短路电流限制，并可通过热关断电路将驱动器输出置为高阻态，防止过度功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。RS-485通信接口电路原理如图 7所示。
本系统基于LabVIEW设计了上位机监测系统[7]，其系统运行主界面如图 8所示[8]。主界面包括菜单栏、通信串口参数配置、分级报警限设置、硫化氢浓度及分级报警、预警部分以及实时曲线显示部分。菜单栏用来选择系统的功能，包括程序、参数设置、显示通道选择、系统帮助和退出几个模块。
硫化氢浓度与分级报警部分用于显示井场各监测点实时的硫化氢浓度数值。同时，当监测到的浓度值超过设定的报警门限值时，启动各级报警。每个监测点设有三个报警指示灯，当系统处于一级报警状态时，第一个指示灯点亮；当系统处于二级报警状态时，前两个指示灯点亮；三级报警时，三个指示灯都被点亮。预警指示部分也采用同样的方式进行。不论系统处于报警还是预警状态，系统均发出报警声，用来提醒系统管理者注意。
实时数据用于显示各监测点硫化氢浓度的实时数据，浓度显示的最大值为200×10-6，浓度显示范围及时间显示范围可通过右下角的两调节旋钮进行调节。实时数据显示部分包含数据显示及曲线显示部分，数据显示程序如图 9所示。
本设计针对井场硫化氢监测的特殊性，设计了一款可以对井场范围内硫化氢进行实时动态监测的数据采集与处理系统。该系统根据所选用的特定硫化氢传感器，设计了合理的信号调理电路，在井场范围内合理布局四个监测探头，采集多路硫化氢浓度数据，实现了多监测点硫化氢浓度的数据采集。各个监测点采集到的数据传送至以MSP430F149单片机为核心的现场监测系统，实现对井场硫化氢浓度的实时监测分析和分级报警。
2011, Vol. 40 Issue (3): 322-324, 328
2011, Vol. 40 Issue (3): 322-324, 328