專利名稱：基于gprs的輸油管道泄漏檢測與定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及流體泄漏檢測技術(shù)，具體涉及一種基于無線通信的流體泄漏檢測
與儀器工作狀態(tài)監(jiān)測裝置。
技術(shù)背景 現(xiàn)有的利用負壓波法實現(xiàn)輸油管道泄漏檢測與定位裝置，現(xiàn)場運行參數(shù)的采集使 用工控機，不但價格昂貴，維護不便，而且傳輸方式采用電話網(wǎng)或工業(yè)總線，都會增加施工 費用，不適合實際偏遠地區(qū)輸油管道泄漏檢測。
發(fā)明內(nèi)容 本實用新型的目的在于提供一種快速、有效、實用的輸油管道的泄漏檢測與定位 系統(tǒng)，以便及時準確發(fā)現(xiàn)泄漏事故的范圍和程度，最大限度地減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，提 高整個采油廠自動化管理水平。 上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn) 基于GPRS的輸油管道泄漏檢測與定位裝置，其組成包括中心系統(tǒng)，所述的中心 系統(tǒng)連接一組子系統(tǒng)，所述的中心系統(tǒng)包括通用分組無線業(yè)務(wù)通信模塊GPRS和中心計算 機CPU，所述的子系統(tǒng)包括控制器和GPRS、全球定位系統(tǒng)GPS以及安裝在輸油管道上的單 向閥和傳感器，所述的控制器包括與所述的中心處理器CPU的RS232(1)接口、 RS232(2接 口 ) 、 EEPR0M、 A/D調(diào)理電路、開關(guān)量調(diào)整電路、鋰離子充電電池、電源監(jiān)測電路和非易失性 存儲器。 所述的輸油管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)，其工作溫度范圍-40° 85° 。 本實用新型的有益效果 1.本實用新型采用了 GPS保證不同測點采樣數(shù)據(jù)的同步，利用小波變換提取壓力 波信號的特征，靈敏度可達到較高的水平，定位精度可達到相鄰測點間距的2%以下，系統(tǒng) 的誤報率低于2%，反應(yīng)時間小于110秒。 2.由于本實用新型各個子系統(tǒng)采用微處理器代替以往的工控機，且采用模塊式設(shè) 計，具有性價比高，便于維護和安裝的特點。同時本系統(tǒng)人機交互界面友好，操作簡單，直 觀。 3.本實用新型中心系統(tǒng)與子系統(tǒng)間采用GPRS傳輸數(shù)據(jù)，具有覆蓋面廣，傳輸速率 高，連續(xù)在線，傳輸可靠的特點。
附圖1是本實用新型的負壓波法輸油管道泄漏檢測與定位裝置的總體設(shè)計方案
示意圖。 附圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖3是本實用新型的控制器連接框圖。
3[0014] 附圖4是本實用新型控制器部分的電路圖。 附圖5是本實用新型非失憶性存儲模塊部分的電路圖。 附圖6是本實用新型EEPR0M部分的電路圖。 附圖7是本實用新型GPRS模塊部分的電路圖。 附圖8是本實用新型開關(guān)量輸入部分的電路圖。 附圖9是本實用新型電源檢測模塊部分的電路圖。 附圖10是本實用新型模擬量輸入部分的電路圖。 附圖11是本實用新型A/D轉(zhuǎn)換模塊部分的電路圖。 附圖12是本實用新型電源轉(zhuǎn)換模塊部分的電路圖。 根據(jù)電子線路制圖規(guī)定，相同標號的電路之間具有連接關(guān)系。
具體實施方式
[0024] 實施例1 : 輸油管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)，其組成包括中心系統(tǒng)，所述的中心系統(tǒng)連接一組子系統(tǒng)，所述的中心系統(tǒng)包括GPRS1和PC機2，所述的子系統(tǒng)包括控制器3和GPRS4、 GPS5以及安裝在輸油管道上的單向閥6和傳感器7，所述的控制器包括CPU，所述的CPU連接RS232 (1) 、 RS232 (2) 、 EEPR0M、 A/D調(diào)理電路、鋰離子充電電池、電源監(jiān)測、非易失性存儲器。[0026] 如附圖2所示，如果要對平臺1和平臺2之間干線L段進行泄漏檢測與泄漏點定位，應(yīng)在L的兩個端點B和C安裝單向閥，以確保b和c點安裝的壓力傳感器能夠正確反映L段內(nèi)的輸油管道的泄漏情況，如果不安裝單向閥，平臺1上油井的運行狀況將應(yīng)響b點傳感器壓力值，同時，平臺2上油井的運行狀況將影響c點傳感器壓力值，導(dǎo)致無法根據(jù)b點、c點傳感器壓力值數(shù)據(jù)分析L段干線的泄漏情況。 中心系統(tǒng)中心系統(tǒng)安裝于工作區(qū)監(jiān)控室，主要包括GPRS和PC機兩部分，通過GPRS接收各子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，然后，將GPRS接收的信息通過RS485串行通信再傳送給PC機，在PC機上應(yīng)用VC編制的應(yīng)用軟件，對接收數(shù)據(jù)進行分析，歸納和處理，以實現(xiàn)輸油管道泄漏檢測與定位。 子系統(tǒng)子系統(tǒng)安裝于所測管道壁上，實現(xiàn)對壓力、流量和溫度等運行參數(shù)的采集與存儲，根據(jù)運行參數(shù)的變化判斷運行參數(shù)是否異常，并實現(xiàn)與中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。主要包括控制器、GPRS和GPS三個部分。 控制器的連接如附圖3所示模擬量整理電路完成對模擬電路的整理，通過A/D轉(zhuǎn)換電路完成對壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的信號調(diào)理變?yōu)镃PU的A/D通道能夠接受的數(shù)字信號，與CPU相連。開關(guān)量整理電路完成對開關(guān)量的整理和CPU相連。非易失性存儲器和CPU相連用于實時采集子系統(tǒng)壓力，流量和溫度等運行參數(shù)，當CPU判斷運行參數(shù)出現(xiàn)異常時，將出現(xiàn)異常時刻前后的大量采樣數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器。鋰離子充電電池和CPU相連用于子系統(tǒng)供電。EEPROM與CPU相連主要用于存放相關(guān)定值。電源監(jiān)測和CPU相連用于CPU實時監(jiān)控鋰離子充電電池電壓，以決定鋰離子充電電池是否要更換或充電以保證子系統(tǒng)的正常運行。RS232是和CPU相連的電平轉(zhuǎn)換電路。[0030] 子系統(tǒng)采集的信息為主要包括[0031] (1)防盜房被破壞信息；[0032] (2)采油井停機信息；[0033] (3)輸油管線壓力信息；[0034] (4)電伴熱工作狀態(tài)信息；[0(K35] (5)變壓器停電信息；[0036] 本實用新型的工作原理 當輸油管道發(fā)生泄漏時，管道內(nèi)油體在內(nèi)外壓差的作用下迅速流失，會引起管道內(nèi)該點油體壓力降低。油體在泄漏點和與其相鄰的兩邊的區(qū)域之間的壓力產(chǎn)生差異，并導(dǎo)致泄漏點相鄰上、下游區(qū)域內(nèi)的高壓油體流向泄漏點處的低壓區(qū)域，從而又引起與泄漏點相鄰區(qū)域油體密度減少和壓力降低，這種現(xiàn)象從泄漏點處沿管道依次向上、下游方向擴散，形成負壓波。沿管道傳播的負壓波中包含有泄漏信息。只要在管道兩端安裝壓力傳感器能夠捕捉到包含泄漏信息的負壓波，就可以檢測泄漏的發(fā)生，并根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到管道兩端的時間差進行泄漏點定位。 負壓波從泄漏點處同時向上、下游傳播的過程類似于聲波在介質(zhì)中的傳播，負壓波傳播速度a是聲波在油體中的傳播速度，約在1000 1200m/s之間。沿管道傳播的負壓波中包含有泄漏信息。只要在管道兩端安裝壓力傳感器能夠捕捉到包含泄漏信息的負壓波，就可以檢測泄漏的發(fā)生，并根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到管道兩端的時間差進行泄漏點定位。負壓波法泄漏檢測與定位的基本原理如圖l所示。圖中x為泄漏點距上游測點的距離(m) ;L為上下游測點的間距(m) A為泄漏點處產(chǎn)生的負壓波傳播到泄漏點上游測點的時間。t2為泄漏點處產(chǎn)生的負壓波傳播到泄漏點下游測點的時間。A t為負壓波傳播到上游測點時間與負壓波傳播到下游測點時間之差(s)。[0039] 設(shè)、為負壓波經(jīng)過全程L的傳播時間(s)，則有<formula>formula see original document page 5</formula>式中<formula>formula see original document page 5</formula>由(2)式可知:<formula>formula see original document page 5</formula>
則泄漏點據(jù)上游測點的距離可表示為
<formula>formula see original document page 5</formula>
負壓波法輸油管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)的技術(shù)難點及解決方法
由泄漏點定位公式(4)可知，影響定位精度的參數(shù)包括相鄰測點的距離L;負壓波
在油體中的傳播速度a以及負壓波傳播到上下游測點的時間差A(yù)t。其中，L可在選定測點時精確的度量，下面主要討論a和A t :[0047] (l)a 負壓波在油體中的傳播速度a是影響泄漏點精確定位的一個重要參數(shù)。負壓波在管道中的傳播速度通常被視為常數(shù)，一般在1000 1200m/s，實際上，負壓波的傳播速度由下式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 5</formula>[0050] 式中，K為油體的體積彈性系數(shù)(Pa) ;P為油體的密度(kg/m3) ;E為管材的彈性模量(Pa) ;D為管道直徑(m) ;e為管壁厚度(m) ;Q為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)；參數(shù)K和P是與油體溫度有關(guān)的變量，可通過測量管道中油體溫度的分布，采用智能方法建立油溫隨管道長度變化模型，建立油體彈性系數(shù)K隨油體溫度模型以及油體密度P隨油體溫度變化模型，最終得到反映實際情況的參數(shù)K和P ，進而得到準確的負壓波在油體中的傳播速度，其它參數(shù)可通過實際測量得到。[0051] (2) At 負壓波傳播到上、下游測點的時間差A(yù) t是影響泄漏點精確定位的另一個重要參
數(shù)。在分析泄漏引發(fā)的負壓波信號序列，確定負壓波信號傳播到上、下游測點時刻，一個顯
然的要求是上、下游壓力信號序列起始時刻應(yīng)該一致，保持同步，本系統(tǒng)采用GPS來統(tǒng)一各
個控制器的時鐘，實現(xiàn)整個系統(tǒng)對統(tǒng)一時標的要求，實施也很方便，造價也較低廉。 在實際泄漏檢測與定位時，中心系統(tǒng)對各個測點傳來的數(shù)據(jù)進行分析，從中尋找
泄漏信息。要精確確定泄漏引發(fā)的負壓波傳播到上、下游測點的時間差A(yù)t，就必須先確定
負壓波傳播到上、下游測點的時刻，即需要準確地捕捉到負壓波傳播到上、下游測點信號序
列的對應(yīng)特征。然而，由于不可避免的工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、輸油泵的振動等因素的存在，
采集到的負壓波波形附加著大量的噪聲。如何從噪聲干擾的信號中準確分離出信號的特征
拐點是精確定位的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用離散小波變換對壓力波信號進行特征提取，實際應(yīng)用
中采用濾波器組方法快速計算小波變換準確確定壓力波信號拐點，進而精確計算出At，保
證定位精度。 元件選擇 CPU : 為控制器的核心部分，可采用STM32F103VBT6芯片，該芯片使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128Kbyte的閃存和20Kbyte的SRAM)，豐富的I/O端口 ，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和標準的通訊接口，具有高的性價比。另外，該芯片可工作于-40° 105° ，工作電壓為2V 3.6V，能夠滿足本系統(tǒng)工作溫度跨度大，野外工作要節(jié)能的特點。[0057] RS232(1)和RS232 (2):CPU分別通過RS232 (1)和RS232 (2)實現(xiàn)與GPS和GPRS的連接。可采用MAXM公司的MAX232實現(xiàn)CPU標準串口 TTL電平到RS232的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。[0059] EEPR0M : 主要用于存放相關(guān)定值。本系統(tǒng)采用AT系列的串行EEPR0M芯片AT24C01。[0061] A/D調(diào)理電路 對壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的信號進行調(diào)理變?yōu)镃PU的A/D通道能
夠接受的信號，主要芯片為MAX1135。 鋰離子充電電池 由鋰離子充電電池為子系統(tǒng)供電。
電源監(jiān)測 CPU實時監(jiān)控鋰離子充電電池電壓，以決定鋰離子充電電池是否要更換或充電以
保證子系統(tǒng)的正常運行。 非易失性存儲器[0068] 子系統(tǒng)實時采集壓力，運行參數(shù)，當CPU判斷運行參數(shù)出現(xiàn)異常時，將出現(xiàn)異常時刻前后的大量采樣數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器，并盡快通過GPRS將存儲數(shù)據(jù)傳送到中心系統(tǒng)，非易失性存儲器可選用RAMTR0N公司的FM22L16，該芯片工作電壓為工作電壓為2. 7V 3. 6V，工作溫度-40° 85° 。[0069] GPRS : GPRS是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，以一種有效的方式采用分組交換模式來傳送數(shù)據(jù)和信令。GPRS是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，對原有GSM網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的設(shè)備及功能進行增強而成。GPRS具有覆蓋面廣，傳輸速率高，連續(xù)在線，傳輸可靠的特點。本系統(tǒng)采用GPRS實現(xiàn)子系統(tǒng)與中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。[0071] GPS: 采用GPS實現(xiàn)各個測點采集數(shù)據(jù)的同步性，以同步數(shù)據(jù)作為泄漏檢測與定位分析的基礎(chǔ)，以確保定位的準確性。
權(quán)利要求一種基于GPRS的輸油管道泄漏檢測與定位裝置，其組成包括中心系統(tǒng)，其特征是所述的中心系統(tǒng)連接一組子系統(tǒng)，所述的中心系統(tǒng)包括通用分組無線業(yè)務(wù)通信模塊GPRS和中心計算機CPU，所述的子系統(tǒng)包括控制器和GPRS、全球定位系統(tǒng)GPS以及安裝在輸油管道上的單向閥和傳感器，所述的控制器包括與所述的中心處理器CPU的RS232(1)接口、RS232(2接口)、EEPROM、A/D調(diào)理電路、開關(guān)量調(diào)整電路、鋰離子充電電池、電源監(jiān)測電路和非易失性存儲器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸油管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)，其特征是其工作溫度范 圍-40° 85° 。
專利摘要基于GPRS的輸油管道泄漏檢測與定位裝置，現(xiàn)有的利用負壓波法實現(xiàn)輸油管道泄漏檢測與定位裝置，泄漏點定位不準確，施工費用高，不適合實際偏遠地區(qū)輸油管道泄漏檢測。目前對于滲漏，主要還是靠人工現(xiàn)場巡查。本實用新型的組成包括中心系統(tǒng)，所述的中心系統(tǒng)連接一組子系統(tǒng)，所述的中心系統(tǒng)包括GPRS(1)和PC機(2)，所述的子系統(tǒng)包括控制器(3)、GPRS(4)、GPS(5)以及安裝在輸油管道上的單向閥(6)和傳感器(7)，所述的控制器包括CPU，所述的CPU連接RS232(1)、RS232(2)、EEPROM、A/D調(diào)理電路、鋰離子充電電池、電源監(jiān)測電路和非易失性存儲器。本實用新型用于輸油管道泄漏檢測與定位。
文檔編號F17D5/06GK201502870SQ200920100548
公開日2010年6月9日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者張銳 申請人:哈爾濱理工大學(xué)