專利名稱：聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統。涉及測量 應力、機械振動的測量、沖擊的測量和管道系統技術領域。
背景技術：
隨著國民經濟的發展，能源需求量的增加，油氣管道運輸作為一種安全、經 濟的運輸方式得到了更廣泛的應用。而有效的保護石油管道的安全、平穩運行，防 止打孔盜油、非法開挖等事件對管道的破壞是十分必要的。
目前應用于管道安全防護的技術主要有以下幾種
1、 視頻攝像頭監控的方法。當對應區域有情況時，通過攝像頭采集對應區域 的圖像信息，并送報警站進行分析、處理。這種方式雖然釆集的信號信息量大， 但是防范的區域受限，成本往往也很高；
2、 光纖傳感器預警方法。可以對長距離管道安全進行長期監測，由于監測的 距離較長，管道沿線自然條件復雜，因此該技術的穩定性較差，目前還處在實驗 研究階段；
3、 聲音振動傳感器預警方法。可以實現管道沿線打孔盜油重點區域的防護，
靈活方便，但是系統需要獨立供電，長期使用需要更換電池。
上述的預警方案都突出一種保護技術，沒有進行多技術的融合，其應用都有 一定的局限性，有很多問題無法解決。
實用新型內容
本實用新型的目的是設計一種節能、隱蔽、穩定、可靠、定位準確的聲音振 動與電磁波相復合的管道安全預警系統。
本實用新型針對管道安全防衛的技術要求，融合聲音振動傳感器預警方案和 管道聲波檢測的方法，提出一種簡單有效的結構，完成對破壞管道事件的檢測和 定位。
本實用新型的基本原理如圖l所示。它由眾多聲音振動傳感器監控終端l、接
收器3組成。按一定距離間隔在管道2上安裝眾多聲音振動傳感器監控終端1, 由接收器3釆集所有聲音振動監控終端1發出的信號。每個聲音振動傳感器監控 終端1的距離可以根據保護的區域靈活變化， 一般在1Km到10Km之間。不同的聲音振動傳感器監控終端1對應發射不同的脈沖編碼方式或信號頻率；通過該編碼 方式和頻率的不同實現對應振動檢測裝置的定位；聲音振動傳感器監控終端1的 個數也可以靈活調整。聲音振動傳感器監控終端l的主要作用是根據內部高靈敏 傳感探頭進行威脅事件的檢測。
聲音振動傳感器監控終端1的原理框圖見圖2。它由傳感器、信號調理電路、 單片機、脈沖信號發生器、數據存儲器、數字信號處理器DSP、特征存儲器、JTAG 接口及電源模塊組成。傳感器的輸出與信號調理電路的輸入連接，信號調理電路 的輸出接單片機的輸入，單片機有輸出接脈沖信號發生器，脈沖信號發生器輸出 接管道與地之間；單片機還有輸出經數據存儲器后接數字信號處理器DSP的輸入， 數字信號處理器DSP有JTAG接口及有接口與特征存儲器連接。整個系統由帶有充 電接口的電池模塊供電。JTAG接口用來寫入和在線修改單片機和DSP系統中的程 序。
當外界事件碰觸管道壁時，高靈敏聲音振動傳感器可以感受振動信號，并將 該信號信號調理電路送單片機進行初步處理，發現信號異常則激活數字信號處理 器進行進一步分析處理。數字信號處理器DSP —旦認為該事件是一次對管道造成 危害的事件后，會由驅動電路輸出一個信號給將管道和大地構成回路的脈沖發生 器，通知脈沖信號發生器產生一定頻率和編碼方式的脈沖。不同的聲音振動傳感 器監控終端1對應發射不同的脈沖編碼方式或信號頻率。通過該編碼方式和頻率 的不同可以實現對應振動檢測裝置的定位。
針
傳感器為聲音振動傳感器，有巿銷產品；
脈沖信號發生器可產生不同波形、頻率及編碼方式的脈沖信號，有市銷產品 選擇。
其電原理如圖3所示，INV9818傳感器的輸出端Q接電荷放大器的Q端，電荷 放大器的Vo端的輸入端，電荷放大器的增益控制端接單片機MSP430F149的Pi. i、 Pi. 2,輸出端Vout接帶通濾波器的Vi端，Vo端接有電壓基準REF3325的A/D轉 換ADS8325, A/D轉換ADS8325的CS、 Dclk端分別接單片機MSP430F149的Pi. 3、 UCLK0端，A/D轉換ADS8325的Dout通過SPI接口接S0MI0端；單片機MSP430F149 的Pi. 3端接2SA966三極管的基極，三極管由功率電源TPS62110供6V電源，三 極管輸出接至管道上，功率電源TPS62110的地線接參比電極接地； 單片機MSP430F149的TMS端接JTAG接口， P2[0.. 7]端接8位撥碼開關；單片機MSP430F149的UTXD1、URXD1分別接DSP處理器TMS320F2812的SCIRXDA、SCITXDA 端；單片機MSP430F149的P5. 7、 Pe[O.. 7]、 P4[0.. 7]分別接FIFO數據交換 器IDT72V85的WR、DA[0.. 7] 、DB[0. 7]端,數據交換器IDT72V85的RD、QA[0.. 7]、 QB[O.. 7]端分別接DSP處理器TMS320F2812的XRD、 XD[O.. 7]、XD[8.. 15]端， 數據交換器IDT72V85的QA[O.. 7] 、 QB[O.. 7]端分別接存儲器CY711041V33的 D[O.. 7]、D[8.. 15]端，并存儲器CY711041V33的A[O.. 17] 、WE端分別接DSP 處理器TMS320F2812的XA[O.. 17] 、 XWE端；DSP處理器TMS320F2812的TDI端 接JTAG接口； 12V蓄電池輸出經LM2574 、 LM2574和TPS62110分別產生3. 3VA 模擬電源、3. 3VD數字電源和馬達電源。 其中
振動傳感器選壓電式振動傳感器INV9818; 可編程放大器選數字控制的可編程增益儀器放大器PGA202; A/D轉換選16位微功耗釆樣的ADS8325模數轉化器； 脈沖信號發生器選用PNP三極管2SA966類型； 數據存儲器選靜態RAM存儲器CY711041V33類型； FIFO數據交換器選雙路異步先進先出存儲器IDT72V85類型； 單片機選低功耗TI公司超低功耗微控制器MSP430F149類型； DSP處理器選美國TI公司TMS320類型；
電荷放大器特制，其電路構成如圖5所示，是由運算放大器構成。 帶通濾波器特制，其電路構成如圖6所示，是由三只運算放大器構成。 油氣管道鋪設在地下，由鋼管焊接形成數百公里管線，為了防止管道腐蝕， 管道外被覆了一層絕緣良好的防腐層。在傳輸過程中將管道視為內導體，防腐層 為起絕緣作用的介質層，四周的土壤可視為外導體。管道本身構成一條能夠傳輸 電磁波的長天線。將功率信號施加到管道上會在管道上激起電磁波并沿著管道進 行傳播，通過不同的編碼方式即可以實現管道威脅事件的信息發送和接受。
接收器3接收從管道沿線聲音振動傳感器監控終端1發射的沿管壁傳播的脈 沖電磁波信號波。其原理框圖見圖4,它由計算機和信號調理模塊構成。有輸入
接自參比接地電極和管道的信號調理模塊的輸出經釆集卡接計算機的輸入口。 其中
計算機選用工業計算機；
6信號調理模塊釆用上海毅倫機電有限公司的HMM-04，釆集卡釆用美國NI公司 的PCI5105。
管道沿線的聲音振動傳感器在接收到信號處理模塊給出的對應報警信息后， 將發射出不同編碼的脈沖信號，脈沖波形可以是脈沖波形、升余弦脈沖波形、連 續波形等等。接收器3中將不同編碼方式的波形信號進行解調轉化為對應的聲音 振動傳感器監控終端1發送的信息。接收器3根據編碼方式是對應一個相應的聲 音振動傳感器監控終端1,因此可以通過電磁波發送的信號找出具體發生入侵的 位置。本實用新型就是通過此來判斷威脅事件發生的位置的。 本實用新型具有突出的優點
1、 不同于以往的聲音振動傳感器，利用管道作為傳輸介質進行信號的傳輸,
無需外接通信天線，既隱蔽，又節能，在野外可以實現低功耗工作；
2、 利用管道作為傳輸介質進行信號的傳輸；該傳輸信道受外界擾動小，信噪 比較高；
3、 利用不同的聲音傳感器向接收器發射不同編碼的脈沖，實現破壞點的定位, 方法簡單易行，同時定位準確；
4、 監測距離遠，可以實現數十公里范圍內對管道破壞事件的監測。 所以，本管道安全防衛系統節能、隱蔽、穩定、可靠、定位準確。
圖l聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統框圖 圖2聲音振動傳感器監控終端原理框圖 圖3聲音振動傳感器監控終端電原理圖
圖4接收器原理框圖 圖5電荷放大器電路圖 圖6帶通濾波器電路圖
其中1—聲音振動傳感器監控終端 2—管道
3—接收器具體實施方式
實施例.本例是安裝在某管線寶坻至房山站100公里管道上進行實驗的樣機, 其構成如圖l所示。
根據具體實際情況，聲音振動傳感器安裝在打孔盜油或機械開挖多發區域。
7本例的基本原理如圖1所示。它由20個聲音振動傳感器監控終端1、 1個接
收器3組成。按lKm到10Km的距離間隔在管道2上安裝20個聲音振動傳感器監 控終端1,在打孔盜油或機械開挖多發區域安裝的間距小， 一般區域安裝的間距 大。由安裝在房山站的接收器3釆集所有聲音振動監控終端1發出的信號。
聲音振動傳感器監控終端1的原理框圖見圖2。它由聲音振動傳感器、信號調 理、單片機、脈沖信號發生器、數據存儲器、數字信號處理器DSP、特征存儲器、 JTAG接口及電源模塊組成。傳感器的輸出與信號調理單元的輸入連接，信號調理 單元的輸出接有脈沖信號發生器輸入單片機的輸入，單片機的輸出經數據存儲器 后接數字信號處理器DSP的輸入，數字信號處理器DSP有JTAG接口及有接口與特 征存儲器連接。整個系統由帶有充電接口的電池模塊供電。
其電原理如圖3所示，INV9818傳感器的輸出端Q接電荷放大器的Q端，電荷 放大器的Vo端的輸入端，電荷放大器的增益控制端接單片機MSP430F149的Pi. 1、 Pi. 2，輸出端Vout接帶通濾波器的Vi端，Vo端接有電壓基準REF3325的A/D轉 換ADS8325, A/D轉換ADS8325的CS、 Dclk端分別接單片機MSP430F149的Pi. 3、 UCLKO端，A/D轉換ADS8325的Dout通過SPI接口接SOMIO端；單片機MSP430F149 的Pi. 3端接2SA966三極管的基極，三極管由功率電源TPS62110供6V電源，三 極管輸出接至管道上，功率電源TPS62110的地線接參比電極接地； 單片機MSP430F149的TMS端接JTAG接口， P2[0.. 7]端接8位撥碼開關;單片機 MSP430F149的UTXD1、URXD1分別接DSP處理器TMS320F2812的SCIRXDA、SCITXDA 端；單片機MSP430F149的P5. 7、 Pe[O.. 7]、 P4[0…7]分別接FIFO數據交換 器IDT72V85的WR、DA[0.. 7] 、DB[0.. 7]端，數據交換器IDT72V85的RD、QA[0.. 7]、 QB[O.. 7]端分別接DSP處理器TMS320F2812的XRD、 XD[O.. 7]、XD[8.. 15]端， 數據交換器IDT72V85的QA[O.. 7]、 QB[O. 7]端分別接存儲器CY711041V33的 D[O.. 7]、 D[8.. 15]端,并存儲器CY711041V33的A[0.. 17] 、 WE端分別接DSP 處理器TMS320F2812的XA[0.. 17] 、 XWE端；DSP處理器TMS320F2812的TDI端 接JTAG接口； 12V蓄電池輸出經LM2574 、 LM2574和TPS62110分別產生3. 3VA 模擬電源、3. 3VD數字電源和馬達電源。
電荷放大器如圖5所示，是由運算放大器構成的放大器；運算放大器TL081 的輸入端Q接由輸出端Vo經電容Cf的反饋后，接電容Ci后接輸出端Vo經電阻Rf 的反饋，并經并聯的電阻Ri、 C2接運算放大器TL081的"-"輸入端；運算放' 大器TL081的"+ ，，輸入端經電阻R2接地。帶通濾波器如圖6所示，也是由運算放大器構成的；輸入端Vi經電阻R7接 有電阻R8和電容C3并聯負反饋第一運算放大器LM358的"-"輸入端，第一運 算放大器"+ "輸入端接地，輸出經電阻Rs接有電阻R6負反饋的第二運算放大 器LM358的"-"輸入端，第二運算放大器"+ "輸入端接地；第二運算放大器 輸出端Vo經電阻R4接第三運算放大器LM358的"-，，輸入端，第三運算放大器 LM358并有電容C4從輸出到輸入的負反饋，第三運算放大器LM358的"+ ，，輸入 端接地，第三運算放大器LM358輸出經電阻R3至第一運算放大器LM358的"-，， 輸入端。
這里
振動傳感器選INV9818;
可編程放大器選PGA202;
A/D轉換選ADS8325;
脈沖信號發生器選用2SA966;
數據存儲器選CY711041V33;
FIFO數據交換器選IDT72V85;
單片機選低功耗MSP430F149;
DSP處理器選TMS320F2812;
電池組選用N70ZMF-1-1 12V 75Ah蓄電池；
Ri為2kQ;
R2為2kQ;
R3為7. 5kQ;
R4為20kD;
R5為10kQ;
R6為20kQ;
R7為15kCl;
Rs為15kQ;
Rf為100MQ;
Ci為0. luF;
C2為20pF;C3為0. luF; C4為0. luF; Cf為lnF。
接收器3接收從管道沿線聲音振動傳感器監控終端1發射的沿管壁傳播的脈 沖電磁波信號波。接收器3的原理框圖見圖4，它由計算機和信號調理模塊構成。 有輸入接自參比接地電極和管道的信號調理模塊的輸出經釆集卡接計算機的輸入 口。由參比電極與管道上的電壓經過信號調理差動輸入數據釆集卡，模擬信號由 數據釆集卡轉換為數字信號供計算機處理。 其中
計算機選用研華公司IPC610H工業計算機； 信號調理模塊選用上海毅倫機電有限公司的HMM-04; 釆集卡釆用美國NI公司的PCI5105。
具體安裝時，需要將管道防腐層剝開，實現振動傳感器和管道的剛性接觸。 聲音振動傳感器的供電由專用的電池組提供，隨信號處理模塊一起埋入地下。為 了使傳感器在野外惡劣的環境中長期工作，系統封裝外殼釆用了密封性好的防水 膠。和傳統的聲音振動管道預警傳感器相比，由于省去了通信用的天線部分，電 池的使用壽命可以持續更長的時間。
該聲音振動傳感器監測范圍可以達到lKm。任何觸碰管道的事件都能被系統識 別。振動信號被傳感器接收后，信號處理單元對該信號進行處理，判斷是否是一 次對管道有威脅的事件。 一旦系統認為產生了一次對管道有威脅的事件，給出一 個信號，激活脈沖信號發生器施加一包含事件發生的時間、地點的脈沖的電磁信 號，根據管道與大地所構成回路的等效阻抗變化情況，監測接收端的波形狀況, 根據變化情況進行比較分析，從而進行報警和定位。
本例經過多次試驗，證明能夠在10公里的范圍內無中繼監測，基于管道介 質傳播的方式可以實現入侵事件的實時定位和報警。在管道周圍5m范圍內伊土均 可測出，同時定位精度在lm左右，具有聲音振動傳感器定位精度高的優點。
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權利要求1.一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統，它由眾多聲音振動傳感器監控終端(1)、接收器(3)組成；按一定距離間隔在管道(2)上安裝眾多聲音振動傳感器監控終端(1)，由接收器(3)采集所有聲音振動監控終端(1)發出的信號；每個聲音振動傳感器監控終端(1)的距離在1Km到10Km之間；通過不同的聲音振動傳感器監控終端(1)對應發射不同的脈沖編碼方式或信號頻率，實現對應振動檢測裝置的定位；其特征是聲音振動傳感器監控終端(1)由傳感器、信號調理電路、單片機、脈沖信號發生器、數據存儲器、數字信號處理器(DSP)、特征存儲器、JTAG接口及電源模塊組成；傳感器的輸出與信號調理電路的輸入連接，信號調理電路的輸出接單片機的輸入，單片機有輸出接脈沖信號發生器，脈沖信號發生器輸出接管道與地之間；單片機還有輸出經數據存儲器后接數字信號處理器(DSP)的輸入，數字信號處理器(DSP)有用來寫入和在線修改單片機和(DSP)系統中程序的JTAG接口及有接口與特征存儲器連接；整個系統由帶有充電接口的電池模塊供電；當外界事件碰觸管道壁時，高靈敏聲音振動傳感器感受振動信號，并將該信號經信號調理電路送單片機進行初步處理，發現信號異常則激活數字信號處理器進行進一步分析處理；數字信號處理器(DSP)一旦認為該事件是一次對管道造成危害的事件后，由驅動電路輸出一個信號給將管道和大地構成回路的脈沖信號發生器，通知脈沖信號發生器產生一定頻率和編碼方式的脈沖；不同的聲音振動傳感器監控終端(1)對應發射不同的脈沖編碼方式或信號頻率；通過該編碼方式和頻率的不同實現對應振動檢測裝置的定位。
2. 根據權利要求1所述的一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統， 其特征是聲音振動傳感器監控終端(1)電原理是INV9818傳感器的輸出端Q接 電荷放大器的Q端，電荷放大器的Vo端的輸入端，電荷放大器的增益控制端接單 片機MSP430F149的(Pi. l、 Pi. 2),輸出端V。ut接帶通濾波器的Vi端，Vo端接 有電壓基準REF3325的A/D轉換ADS8325, A/D轉換ADS8325的CS、 Dclk端分別 接單片機MSP430F149的(Pi. 3、 UCLKO)端,A/D轉換ADS8325的Dout通過SPI 接口接SOMIO端；單片機MSP430F149的(Pi. 3)端接2SA966三極管的基極,三 極管由功率電源TPS62110供6V電源，三極管輸出接至管道上，功率電源TPS62110 的地線接參比電極接地；單片機MSP430F149的TMS端接JTAG接口 ， (P2[0…7]) 端接8位撥碼開關；單片機MSP430F149的UTXD1、 URXD1分別接(DSP)處理器 TMS320F2812的SCIRXDA、 SCITXDA端;單片機MSP430F149的(Ps. 7、 P6[0…7]、P4[0.. 7])分別接(FIFO)數據交換器IDT72V85的(WR、 DA[O. 7] 、 DB[O.. 7]) 端，數據交換器IDT72V85的(RD、 QA[O.. 7] 、 QB[O.. 7])端分別接(DSP)處 理器TMS320F2812的(XRD、 XD[O.. 7]、XD[8. 15])端,數據交換器IDT72V85 的(QA[O.. 7]、QB[0. 7])端分別接存儲器CY711041V33的(D[O.. 7]、D[8.. 15]) 端，并存儲器CY711041V33的(A[O.. 17] 、WE )端分別接(DSP )處理器TMS320F2812 的(XA[O.. 17] 、 XWE)端；(DSP)處理器TMS320F2812的TDI端接JTAG接口 ; 12V蓄電池輸出經LM2574 、 LM2574和TPS62110分別產生3. 3VA模擬電源、3. 3VD 數字電源和馬達電源。
3. 根據權利要求2所述的一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系 統，其特征是所述電荷放大器是由運算放大器構成；運算放大器TL081的輸入端 Q接由輸出端Vo經電容(Cf)的反饋后，接電容(CO后接輸出端Vo經電阻(Rf) 的反饋，并經并聯的電阻(Ri、 C2)接運算放大器TL081的"-"輸入端；運算 放大器TL081的"+ "輸入端經電阻(R2)接地。
4. 根據權利要求2所述的一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系 統，其特征是所述帶通濾波器由運算放大器構成；輸入端Vi經電阻(R7)接有電 阻(R8)和電容(C3)并聯負反饋第一運算放大器LM358的"-"輸入端，第一 運算放大器"+ "輸入端接地，輸出經電阻(R5)接有電阻(R6)負反饋的第二 運算放大器LM358的"-"輸入端，第二運算放大器"+ "輸入端接地；第二運 算放大器輸出端(Vo)經電阻(R4)接第三運算放大器LM358的"-，，輸入端， 第三運算放大器LM358有電容(C4 )從輸出到輸入的負反饋，第三運算放大器LM358 的"+ "輸入端接地，第三運算放大器LM358輸出經電阻(R3)至第一運算放大 器LM358的"-"輸入端。
5.根據權利要求1所述的一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統， 其特征是所述接收器(3 )由計算機和信號調理模塊構成；有輸入接自參比接地電 極和管道(2)的信號調理模塊的輸出經采集卡接計算機的輸入口；接收器(3)中將不同編碼方式的波形信號進行解調轉化為對應一個相應的聲 音振動傳感器監控終端(1)發送的信息。
專利摘要本實用新型是一種聲音振動與電磁波相復合的管道安全預警系統。它包括眾多聲音振動傳感器監控終端(1)、接收器(3)；聲音振動傳感器監控終端(1)由傳感器、信號調理電路、單片機、脈沖信號發生器、數據存儲器、數字信號處理器(DSP)、特征存儲器、JTAG接口及電源模塊組成；傳感器的輸出與信號調理電路的輸入連接，信號調理電路的輸出接單片機的輸入，單片機有輸出接輸出接管道與地之間的脈沖信號發生器；單片機還有輸出經數據存儲器后接數字信號處理器(DSP)的輸入，數字信號處理器(DSP)有用來寫入和在線修改單片機和(DSP)系統中程序的JTAG接口及有接口與特征存儲器連接；整個系統由帶有充電接口的電池模塊供電。
文檔編號F17D5/00GK201326909SQ20082012292
公開日2009年10月14日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者劉廣文, 異 孫, 王紅菊, 艾慕陽, 蔡永軍, 陳朋超 申請人:中國石油天然氣股份有限公司