專利名稱：一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對管道系統(tǒng)溫度壓力監(jiān)測和管道系統(tǒng)故障診斷的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用超聲波技術(shù)來實現(xiàn)管外壓力實時監(jiān)測和管道系統(tǒng)的故障診斷，以及利用溫度傳感器實現(xiàn)管外溫度實時監(jiān)測。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的壓力測量方法是在被測點安裝溫度傳感器、壓力傳感器，由感溫、感壓元件直接與被測介質(zhì)相接觸，把溫度、壓力值轉(zhuǎn)換成電信號并以與現(xiàn)場相適應(yīng)的方式向外溫度傳輸，包括有線和無線等方式。這種方法的優(yōu)點是簡單、直接，傳感器直接感受到壓力的變化。但是用這種方法進(jìn)行測量的時候必須在被測點做壓力、溫度傳感器的安裝，而這在很多場合是不允許的。同時把傳感器安裝于管道內(nèi)部，采用傳統(tǒng)壓力、溫度測量方法，既不方便又容易留下安全隱患，還影響介質(zhì)的流動。對于長距離管道系統(tǒng)因流體泄漏，可能引起安全事故，因此不僅要對管道系統(tǒng)溫度壓力實時監(jiān)測，還要通過實現(xiàn)對管道泄漏時的壓力實時檢測，確定發(fā)生泄漏的位置，為泄漏事故的及時檢修提供方便，將可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費，盡可能地避免環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生，具有極為重要的現(xiàn)實意義。隨著社會發(fā)展人們在追求簡單、方便、安全的測溫測壓以及管道故障定位裝置。人們在改善這種工具方面進(jìn)行了大量的探索和研究，也生產(chǎn)出了許多新型的產(chǎn)品，但是統(tǒng)觀市場發(fā)現(xiàn)非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位裝置仍沒有得到很好的發(fā)展。中國專利申請?zhí)枮?21087772《超聲波管外測壓方法及儀器》公開了一種基于超聲波的測壓方法及儀器，該儀器只能實現(xiàn)一次測量，不能對管道壓力實時監(jiān)測，同時該專利采用單個換能器進(jìn)行發(fā)射和接收，主要有以下問題:首先要對回波進(jìn)行判斷，這樣增加了電路的復(fù)雜程度；其次如果管道內(nèi)壁的反射面不光滑會對回波產(chǎn)生很大的影響，使測量得到的結(jié)果會產(chǎn)生誤差；最后溫度對超聲波的傳送會有很大的影響，該儀器沒有對溫度影響做出相應(yīng)的校正。

與本發(fā)明最接近的文獻(xiàn)是《超聲波石油管道壓力測量及應(yīng)用》(宋利、黃釘勁、阮照軍，《國外電子測量技術(shù)》2006，Vol.25，N0.10)。該文獻(xiàn)提供了一種非侵入式管道壓力測量的方法，該方法采用了雙晶探頭對管道壓力測量，通過超聲波傳送的時間差得出壓力。同樣該方法沒有提出對管道壓力的實時監(jiān)測，同時該方法也沒有對溫度對管道壓力影響進(jìn)行補(bǔ)償，也沒有對元器件的遲滯時間進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就使測得的壓力結(jié)果會有很大的誤差，同時該文獻(xiàn)也并沒有提及對管道溫度壓力的實時監(jiān)測。針對上述已有狀況，本發(fā)明提出了一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)，本發(fā)明控制芯片采用DSP，處理數(shù)據(jù)速度快，通過用定時器的周期中斷不停地啟動裝置產(chǎn)生超聲波對壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，由于周期中斷時間相當(dāng)短，故可以視為連續(xù)采樣，從而達(dá)到管道壓力實時監(jiān)測。同時本發(fā)明通過DSP的串行通信接口與計算機(jī)進(jìn)行通信，把采集得到的數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)，然后通過計算機(jī)界面反映出壓力實時變化的波形圖。本發(fā)明采用負(fù)壓波檢漏法，當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏時可以準(zhǔn)確定位管道泄漏點位置，負(fù)壓波檢漏法不需要數(shù)學(xué)模型，計算量小，適用于發(fā)生快速的、突發(fā)性泄漏的場合，并且大多數(shù)只用壓力信號，特別適合我國管道應(yīng)用。本發(fā)明采用雙晶直探頭，發(fā)射換能器和接收換能器分別安裝于管道的兩側(cè)，這樣不需要對反射回波進(jìn)行判斷，減少了電路的復(fù)雜程度，同時本發(fā)明添加了溫度測量裝置，通過測得的不同溫度對壓力的影響，進(jìn)而對壓力進(jìn)行校正。本發(fā)明特別適合實時監(jiān)測系統(tǒng)，同時本發(fā)明的鍵盤掃描單元可以對管道參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這使本發(fā)明能適用各種內(nèi)徑、各種介質(zhì)、各種材料的管道系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了克服傳統(tǒng)的管道侵入式溫度、壓力測量系統(tǒng)和現(xiàn)有非侵入式壓力測量系統(tǒng)的不足，提出一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)，本發(fā)明主要體現(xiàn)該系統(tǒng)及方法的實時性，使用方便、安全，不破壞管道系統(tǒng)整體特性的完整性，同時能準(zhǔn)確的定位管道系統(tǒng)故障的位置。本發(fā)明采用 的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)，主要由超聲波發(fā)射換能器，超聲波接收換能器，溫度傳感器，超聲波激振電路，接收電路，數(shù)據(jù)處理單元，鍵盤掃描、顯示、報警、串行通信單元、金屬罩，定位裝置組成。該系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟如下:步驟1.超聲波換能器采用雙晶縱波直探頭，換能器對稱的安裝與管道兩側(cè)，通過超聲波在管道中傳送的時間差將管道內(nèi)壓力反映出來，并且同過控制單元的周期中斷連續(xù)的啟動測量裝置，從而達(dá)到壓力實時監(jiān)測，高精度的溫度傳感器安裝于管道外壁，并在傳感器表面涂上隔熱涂層，管道與溫度傳感器之間用熱導(dǎo)硅膠連接，這樣減少外界溫度對傳感器的影響，在溫度傳感器和超聲波換能器外安裝金屬罩，避免外界對傳感器的損壞，同時在每對超聲波換能器旁安裝噪音傳感器，用于檢測背景噪音，提高超聲波換能器的測量精度；步驟2.對于整個管道系統(tǒng)，要采用多點測量，在管道系統(tǒng)中換能器和溫度傳感器及定位裝置的安裝:在管道拐彎處、升降處外壁安裝超聲波換能器和溫度傳感器，在管道非彎曲段的管道外壁按照一定的間距安裝超聲波換能器和溫度傳感器，并在每一對超聲波換能器和溫度傳感器安裝點安裝一個定位裝置，獲取位置信息，同時本發(fā)明采用液體輸送管道泄漏檢測方法，對管道泄漏點進(jìn)行定位；步驟3.溫度傳感器通電后開始工作，通過數(shù)據(jù)處理單元的A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)管道系統(tǒng)溫度實時監(jiān)測；通電后，壓力的實時監(jiān)測如下所述:(1)數(shù)據(jù)處理單元啟動定時器TO開始計時，同時數(shù)據(jù)處理單元發(fā)射信號啟動超聲波發(fā)射控制單元，超聲波發(fā)射控制單元產(chǎn)生一定頻率和幅值的脈沖信號激發(fā)超聲波發(fā)射換能器，超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波透過管道送至接收換能器，接收換能器把接收到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換送至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過處理得出第一次測量的壓力值；(2)數(shù)據(jù)處理單元接收到第一次測得的信號過后立刻啟動另一個定時器Tl開始定時，通過Tl的周期中斷再次啟動定時器TO并且發(fā)射信號啟動超聲波發(fā)射控制單元，重復(fù)(I)的過程從而得出第二次壓力值；(3)經(jīng)過重復(fù)(1)、(2)的過程，不斷循環(huán)得出壓力值從而實現(xiàn)壓力實時監(jiān)測；步驟4.通過實驗數(shù)據(jù)對被測壓力值進(jìn)行校正，其方法如下:取被測介質(zhì)，用高精度的壓力表測量該介質(zhì)在不同溫度下的壓力值，在與用超聲波測壓法測量得到的壓力值進(jìn)行比較，得出它們不同溫度下的差值^，并把不同溫度下的差值建立數(shù)據(jù)庫，在現(xiàn)場測量中根據(jù)不同溫度進(jìn)行壓力值補(bǔ)償；步驟5.通過定位裝置獲得每個安裝點的位置信息，與該位置的溫度、壓力信息組合成一幀數(shù)據(jù)，多個安裝點數(shù)據(jù)依次形成多幀數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫，以此為基礎(chǔ)，通過信號處理建立管道不同位置的溫度三維模型、壓力三維模型；步驟6.根據(jù)管道系統(tǒng)正常工作的歷史數(shù)據(jù)、溫度和壓力變化規(guī)律，確定不同位置溫度和壓力變化閾值；如果實際監(jiān)測的溫度和壓力變化超過所設(shè)定的相應(yīng)的閾值，則通過報警單元報警，確定溫度和壓力異常地段，并利用信號處理方法，計算出故障位置，進(jìn)行相應(yīng)地處理。本發(fā)明還有鍵盤掃描、顯示、報警單元，鍵盤掃描主要是用于設(shè)置管道的參數(shù)以及介質(zhì)的參數(shù)，以便能適用于不同管材、不同介質(zhì)的溫度壓力測量，同時鍵盤掃描單元也能設(shè)定管道溫度壓力的上限值和下限值，如果管道壓力或者是溫度超過上限或者下限值就通過報警裝置報警。串行通信單元電腦連接，通過計算機(jī)反映出壓力變化的波形。如果測得的壓力值和溫度值與管道系統(tǒng)正常工作的壓力值和溫度值有很大差別，則通過報警單元報警，這樣可以減少安全事故，同時也能讓維護(hù)人員及時維修管道，減少損失。定位裝置獲得每個安裝點的位置信息，與該位置的溫度、壓力信息組合成一幀數(shù)據(jù)，多個安裝點數(shù)據(jù)依次形成多幀數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫，以此為基礎(chǔ)，通過信號處理建立管道不同位置的溫度三維數(shù)據(jù)模型、壓力三維數(shù)據(jù)模型。


圖1是一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及其故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖1中有
1.發(fā)射換能器，2.接收換能器，3.溫度傳感器，4.管道5.超聲波發(fā)射控制單元，6.接收控制單元，7.數(shù)據(jù)處理單元，8.鍵盤掃描、顯示、報警、與計算機(jī)通信單元，9.噪音傳感器，10.GPS接收機(jī)?！D2是一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及其故障定位系統(tǒng)換能器很溫度傳感器安裝示意圖，圖2中有1.超聲波發(fā)射換能器，2.接收換能器，3.溫度傳感器，4.管道，
I1.金屬罩。圖3是一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及其故障定位系統(tǒng)的管道系統(tǒng)傳感器安裝示意圖；圖3中有12.管道始節(jié)點，13.管道末端節(jié)點，14.定位裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明是一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)，主要由中發(fā)射換能器1、接收換能器2、溫度傳感器3、管道4、超聲波發(fā)射控制單元5、接收控制單元6、數(shù)據(jù)處理單元7、鍵盤掃描、顯示、報警、與計算機(jī)通信單元8、噪音傳感器9組成。發(fā)射換能器I和接收換能器2是一對雙晶直探頭，發(fā)射換能器I的中心頻率為2.5MHZ。數(shù)據(jù)處理單元7采用TMS320F2812，該DSP成本低，時鐘頻率可達(dá)150MHz，運算處理數(shù)據(jù)速度快，內(nèi)部資源豐富。超聲波發(fā)射控制單元5主要功能是通過控制電路啟動發(fā)送控制單元產(chǎn)生一個具有一定功率、一定脈沖寬度、一定頻率的電脈沖激發(fā)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波。本發(fā)明利用555時基集成電路構(gòu)成超聲波發(fā)射控制電路，需要很少的附加元件、簡單經(jīng)濟(jì)。接收控制單元包括超聲波接收控制和溫度數(shù)據(jù)處理，超聲波接收控制主要是把超聲波接收換能器接收到的微弱信號經(jīng)過濾波，放大、檢波、整形得到足夠大的電信號傳送到數(shù)據(jù)處理部分，本發(fā)明采用專用集成電路LM1808，外圍元件少、調(diào)試方便。溫度數(shù)據(jù)處理主要是把溫度傳感器測量到的信號經(jīng)過濾波、放大后送到TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換單元，測得實時的溫度值，并且根據(jù)實驗建立的數(shù)據(jù)庫對壓力值進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器采用LM35CAN，LM35CAN是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比，靈敏度為10.0mV/°C，精度在0.4攝氏度至0.8攝氏度，工作溫度范圍在-40攝氏度至110攝氏度。噪聲傳感器主要接收噪聲信號特征，為信號很好的分析出背景噪音，這為后續(xù)故障分析提供了便利。如圖2所述，本發(fā)明發(fā)射換能器I和接收換能器2對稱粘貼在管道的兩側(cè)，粘貼前要對管道進(jìn)行處理，首先要去除管道外表面涂層、鐵銹、凹凸不平的地方要打磨平整，管壁與換能器之間要涂膜一層耦合劑，本系統(tǒng)中選擇的是導(dǎo)熱硅脂。超聲波接收和發(fā)射換能器外用金屬罩保護(hù)著，抽掉金屬罩內(nèi)的空氣，使換能器處于真空環(huán)境中，首先避免了外界的損壞，其次避免了外界因素的影響。溫度傳感器3直接安裝在管道的外壁，安裝前也要對管道外壁進(jìn)行處理，首先除去漆、鐵銹，凹凸不平的地方要打磨平整。溫度傳感器3與管壁用導(dǎo)熱系數(shù)高的熱導(dǎo)硅膠粘貼，粘貼過后，傳感器表面涂上絕熱涂層，與外界溫度隔開，避免外界溫度影響。同樣溫度傳感器外安裝金屬罩，使溫度傳感器與外界隔離，避免了外界的損壞和外界因素的影響。如圖3所述，本圖揭示了管道系統(tǒng)傳感器安裝示意圖，在整個管道系統(tǒng)中要多點測量，對于管道系統(tǒng)中換能器和溫度傳感器及定位裝置的安裝:在管道拐彎處、升降處外壁安裝超聲波換能器和溫度傳感器，在管道非彎曲段的管道外壁按照一定的間距安裝超聲波換能器和溫度傳感器；并在每一對超聲波換能器和溫度傳感器安裝點安裝一個定位裝置；當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏時，以泄漏處為界，視輸送管道為上、下游兩個管道，由于輸送管道內(nèi)外壓差的存在，使 得泄漏處的液體迅速流失，壓力突降。當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時，泄漏時產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。該負(fù)壓波將以一定的速度向管道兩端傳播，經(jīng)過若干時間后分別被上、下游的壓力傳感器檢測到。根據(jù)檢測到的負(fù)壓力波的波形特征，就可以判斷是否發(fā)生了泄漏，再根據(jù)負(fù)壓力波傳到上、下游傳感器的時間差和負(fù)壓力波的傳播速度就可以進(jìn)行泄漏點的定位。更具體地說，測量裝置安裝完成過后開始通電工作，數(shù)據(jù)處理單元7啟動通用定時器TO并且開始計時，同時數(shù)據(jù)處理單元7的GPIOAO引腳發(fā)出高電平信號啟動超聲波發(fā)射控制單元5產(chǎn)生一定頻率和幅值的信號啟動超聲波發(fā)射換能器I，超聲波發(fā)射換能器I把電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，聲波信號透過管道4至超聲波接收換能器2，接收換能器2把接收的聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號傳至接收控制單元6，接收控制單元6把接收到的信號經(jīng)過濾波、放大、檢波、整形處理過后送至數(shù)據(jù)處理單元7，數(shù)據(jù)處理單元接收到信號后通過中斷立刻停止計時，計得時間t，并且通過壓力和時間的關(guān)系求得壓力。壓力和時間滿足關(guān)系式:
權(quán)利要求
1.一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)，其特征在于:它依次包括下述步驟: 步驟1.高精度的溫度傳感器安裝于管道外壁，并在傳感器表面涂上隔熱涂層，超聲波換能器對稱安裝于管道兩側(cè)，在溫度傳感器和超聲波換能器外部安裝金屬罩，避免儀器受到外界損壞，同時超聲波接收換能器附近安裝噪音傳感器，用于檢測背景噪音； 步驟2.對于管道系統(tǒng)中換能器和溫度傳感器及定位裝置的安裝:在管道拐彎處、升降處外壁安裝超聲波換能器和溫度傳感器，在管道非彎曲段的管道外壁按照一定的間距安裝超聲波換能器和溫度傳感器；并在每一對超聲波換能器和溫度傳感器安裝點安裝一個定位裝置； 步驟3.溫度傳感器通電后開始工作，通過數(shù)據(jù)處理單元的A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)管道系統(tǒng)溫度實時監(jiān)測；通電后，壓力的實時監(jiān)測如下所述:(1)數(shù)據(jù)處理單元啟動定時器TO開始計時，同時數(shù)據(jù)處理單元發(fā)射信號啟動超聲波發(fā)射控制單元，超聲波發(fā)射控制單元產(chǎn)生一定頻率和幅值的脈沖信號激發(fā)超聲波發(fā)射換能器，超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波透過管道送至接收換能器，接收換能器把接收到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換送至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過處理得出第一次測量的壓力值；(2)數(shù)據(jù)處理單元接收到第一次測得的信號過后立刻啟動另一個定時器Tl開始定時，通過Tl的周期中斷再次啟動定時器TO并且發(fā)射信號啟動超聲波發(fā)射控制單元，重復(fù)(I)的過程從而得出第二次壓力值；(3)經(jīng)過重復(fù)(I)、(2)的過程，不斷循環(huán)得出壓力值從而實現(xiàn)壓力實時監(jiān)測； 步驟4.通過實驗數(shù)據(jù)對被測壓力值進(jìn)行校正，其方法如下:取被測介質(zhì)，用高精度的壓力表測量該介質(zhì)在不同溫度下的壓力值，再與用超聲波測壓法測量得到的壓力值進(jìn)行比較，得出它們在相同條件下的差值，并把不同溫度下的差值建立數(shù)據(jù)庫，在現(xiàn)場測量中根據(jù)不同溫度進(jìn)行壓力值補(bǔ)償； 步驟5.通過定位裝置獲得每個安裝點的位置信息，與該位置的溫度、壓力信息組合成一幀數(shù)據(jù)，多個安裝點數(shù)據(jù)依次形成多幀數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫，以此為基礎(chǔ)，通過信號處理技術(shù)建立管道不同位置的溫度三維模型、壓力三維模型； 步驟6.根據(jù)管道系統(tǒng)正常工作的歷史數(shù)據(jù)、溫度和壓力變化規(guī)律，確定不同位置溫度和壓力變化閾值；如果實際監(jiān)測的溫度和壓力變化超過所設(shè)定的相應(yīng)的閾值，則通過報警單元報警，確定溫度和壓力異常地段，并利用信號處理方法，計算出故障位置，進(jìn)行相應(yīng)地處理。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種非侵入式管道實時監(jiān)測和預(yù)警及故障定位系統(tǒng)，屬于管道系統(tǒng)溫度壓力監(jiān)測和管道系統(tǒng)故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，采用的方法包括三個方面，溫度壓力實時監(jiān)測壓力監(jiān)測和溫度監(jiān)測采用非侵入式測量方法，壓力監(jiān)測采用超聲波非侵入式測量，溫度采用傳統(tǒng)溫度傳感器非侵入式測量，其傳感器都是安裝于管道外壁；預(yù)警通過設(shè)計數(shù)據(jù)庫對故障信號進(jìn)行預(yù)警，故障定位采用負(fù)壓波檢漏法對管道系統(tǒng)故障位置定位。
文檔編號F17D5/06GK103245454SQ20131017625
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者羅仁澤, 趙發(fā)定, 鄭勉, 仝迪, 李芮, 張平, 曹鵬, 付元華, 牛娜, 楊嬌 申請人:西南石油大學(xué)