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摘 要

随着新能源战略的推进，压缩天然气的使用已经越来越广泛，压缩天然气储运的安全问题随之而来，水露点是评判压缩天然气质量的重要参数，压缩天然气水露点反映了天然气中的水含量。压缩天然气中的水分会降低压缩天然气的热效率，对天然气传输管网的安全运行和计量精度带来影响，对天然气能源汽车的发动机也会形成危害。本文提出了一种基于STM32控制器的压缩天然气露点监测系统。

本文压缩天然气露点监测为课题背景，论述了压缩天然气监测系统的软硬件开发过程。首先对露点检测技术的发展现状做出论述，介绍了电容式露点监测系统的工作原理以及本课题的主要工作内容。其次，详细介绍了包括露点、压力和温度检测、数据储存与LCD显示、数据通过RS-485传输等硬件模块的设计过程，对设计中应用到的电路及其元器件做出描述，软件设计过程中对压缩天然气水含量计算方法做出了描述，介绍了基于热力学模型的简化热力学计算公式、基于计算机图像拟合技术得出的诸林公式以及部分摩尔水含量贡献法，对应用到的某些模块使用流程图做了程序解释，最后对系统某些模块进行仿真测试。测试结果表明本系统的硬件及软件设计功能在压缩天然气露点监测过程中基本能够实现。

关键词：压缩天然气 露点监测 压力传感器 水含量

Design and implementation of natural gas dew point monitoring

Abstract

With the advancement of new energy strategy, the use of compressed natural gas (CNG) has become more and more extensive, and the safety problem of storage and transportation of CNG has come into being. Water dew point is an important parameter to judge the quality of CNG, and the water dew point of CNG reflects the water content of natural gas. The moisture content in compressed natural gas will affect the safe operation and metering accuracy of the natural gas transmission network, and the loss of the natural gas vehicle engine will also increase. In view of the unstable and slow response of domestic CNG dew point monitoring system, inaccurate pressure dew point, difficulty in online monitoring and remote transmission, and the expensive price of imported products, this paper proposes a CNG dew point monitoring system based on STM32 controller.

The software and hardware development process of CNG monitoring system is discussed in this paper. First of all, the development status of dew point detection technology is discussed, the working principle of capacitive dew point monitoring system and the main work content of this subject are introduced. Secondly, the hardware design process of the system is introduced in detail. The circuit and components used in the design are described. The software design process is also briefly described. The test results show that the system can realize the dew-point monitoring function of compressed natural gas. The simulation results of the detection circuit show that the input data error is 0.0175v, and the corresponding average dew-point deviation value is 0.64oc, which is an acceptable data error.

Key Words: Compressed natural gas; Dew point monitoring; Pressure transducer; Water content

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2露点监测系统的发展现状 3

1.2.1露点监测系统产品发展现状 3

1.2.2电容式露点仪的发展现状 3

1.3露点检测方法 4

1.3.1激光法 4

1.3.2石英震荡法 5

1.3.3光纤法 5

1.3.4电容法 5

1.4 本文的主要工作 6

第二章 系统主体设计 7

2.1系统总体设计方案 7

2.2研究内容及结构设计 7

2.2.1监测仪的功能 7

2.2.2信号处理 8

2.3元器件选型 8

2.3.1露点变送器 8

2.3.2压力变送器 8

2.3.3外部储存器 9

2.3.4 模数转换器 9

2.4本章小结 10

第三章 露点监测系统硬件设计 11

3.1硬件电路总体设计 11

3.2检测电路模块 12

3.2.1露点检测电路 12

3.2.2压力检测模块 13

3.2.3测温电路 14

3.3数据储存及显示模块设计 15

3.3.1数据储存 15

3.3.2显示模块 17

3.4电源及接口电路模块设计 18

3.4.1电源模块 18

3.4.2 JTAG调试接口 18

3.5数据传输模块 19

3.6系统硬件PCB板展示 20

3.7本章小结 21

第四章 系统软件设计 22

4.1系统软件开发方法介绍 22

4.2系统软件总体设计 22

4.3模块程序初始化设计 23

4.3.1时钟初始化 23

4.3.2延时函数初始化 23

4.3.3串口模块初始化 23

4.4 AD数据采集程序设计 24

4.5串口输出程序设计 25

4.6基于I²C总线的数据储存 26

4.7水含量计算 26

4.7.1简化热力学公式 27

4.7.2部分摩尔水含量贡献法 28

4.7.3诸林公式 28

4.8本章小结 29

第五章 系统调试与结果分析 30

5.1采样电路仿真 30

5.2 ADC标度变换 31

5.3数据误差分析 32

5.3.1相对误差 32

5.3.2精度 32

5.3.3均方差 32

5.4本章小结 32

结语 33

参考文献 34

致谢 36

附录1：主控板电路图 37

第一章 绪论

1.1研究目的和意义

天然气是理想的维护环境、维持绿色家园的燃料。目前，中国天然气工业发展迅猛，压缩天然气（CNG）储运最常用的方法就是管道运输。随着中国经济的飞速发展，我国早已想摆脱依靠环境代价带来经济效益的困境，加大了对环境保护的重视和层层把控以及重新构思调整了中国未来的能源结构战略，CNG的应用在中国得以快速推广，很快成为全民支持的朝阳产业。目前中国国内CNG的使用场合有但不局限于生活燃料，交通燃料，工业原料等。作为能源使用的CNG基本通过如图1-1 CNG加气站解决方案所示的方式进行储运。

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