CN101493372A - 基于无线通信的泄漏检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体泄漏检测技术，具体说是一种基于无线通信的泄漏检测装置。包括超声信号处理模块和无线通信模块两部分，其中：超声信号处理模块用于检测并放大流体泄漏时所产生的超声信号，并运行超声信号处理程序；无线通信模块接收超声信号处理模块的信号，运行无线通信协议栈，负责与其他无线设备进行通信。本发明基于超声信号检测和无线通信技术，适合于高压流体在输送管道、阀门处泄漏时的在线检测，采用非侵入式安装，可大大降低系统的造价，减少人工巡检的人力、物力投入，特别适合环境恶劣的工业现场。
Description
技术领域
本发明涉及流体泄漏检测技术，具体说是一种基于无线通信的泄漏检测装置。
背景技术
在气体输送管道、阀门或压力容器存在漏孔或缝隙的情况下，由于内部气体和外部大气间存在压力差，外泄的气体在通过漏孔或缝隙时形成湍流，从而在附近产生一定频率的声波。在漏孔或缝隙尺寸比较小的情况下(孔径小于1mm)，产生大于20KHz、人耳不能听到的超声声波。超声波的能量随着距离的增加迅速衰减，因此通过检测气体泄漏所产生的超声波信号，可以迅速检测到气体的泄漏和泄漏位置。其不足之处在于该种方法仅限于现场操作。
无线传感网技术近年来得到快速发展，一般采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)的无线通信方式，具有自主组网、网络规模可变、节点可大量部署、无人值守等特点，同时可以通过休眠机制降低节点能耗。但该种方法还没有应用于通过检测流体泄漏所产生的超声波信号来检测到气体的泄漏和泄漏位置的场合。
结合无线传感网技术与超声检测技术，既可以降低气体泄漏检测装置的成本，同时也可以采用电池作为供电电源，降低其功耗；安装简单，检测仪表可以采用非侵入式安装的方式，对已有系统不会造成任何影响；检测仪表可无需人工维护，会降低了人力成本和潜在风险；但目前这种一体化的结合方式采用自主组网技术、实现系统的维护和系统规模扩展的方法还尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于无线通信的泄漏检测装置，它把无线通信技术和超声检测技术相结合，依靠检测流体泄漏时所产生的超声信号实现泄漏的检测和定位。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及以下几项关键技术：
1)流体泄漏超声信号检测技术；
2)无线通信技术；
本发明技术方案包括：
-超声信号处理模块，接收超声传感器对流体泄漏所检测的超声波信号，通过模拟信号放大电路对流体泄漏所产生的超声信号进行放大，并运行超声信号处理程序；
-无线通信模块，接收超声信号处理模块的信号，运行无线通信协议栈，负责无线通信功能。
其中：所述超声信号处理模块由微控制器、模拟/数字转换器和模拟信号放大电路组成，以微控制器为核心，通微控制器过模拟/数字转换器与模拟信号放大电路相连，并运行超声信号处理程序；模拟信号放大电路通过模拟/数字转换器与微控制器通讯，对微弱超声信号进行放大，并将其转换为电压信号；
所述模拟信号放大电路由运算放大器组成，其中所述第一运算放大器通过超声信号检波整流电路与第二运算放大器的输入端相连接，并通过阻容电路与模拟/数字转换器相连；所述第二运算放大器通过放大匹配电路与第三运算放大器相连；所述第三运算放大器通过带通滤波电路与超声传感器相连。
所述无线通信模块运行无线通信协议栈，无线通信协议栈包括具有数据的发送和接收功能的应用层模块、网络层模块和数据链路层模块；具体如下：
所述应用层模块负责应用层的通信和维护功能，接收来自超声信号处理模块中微控制器的数据，对所接收的数据按照所定义的应用层帧格式进行封装发送；同时接收网络层模块数据，并对从网络层模块接收的数据进行解析，按照数据的内容执行应用层操作；
所述网络层模块负责网络层通信和维护功能，接收应用层模块数据，对所接收的数据按照所定义的网络层帧格式进行封装发送；接收数据链路层模块的数据，同时对从数据链路层模块接收的数据进行解析，按照数据的内容执行网络层操作；
所述数据链路层模块，负责数据链路层的通信和维护功能，接收网络层模块的数据，对所接收的数据按照所定义的数据链路层帧格式进行封装发送至无线网络；同时对从无线网络接收的数据进行解析，按照数据的内容执行数据链路层操作。
其中所述应用层模块所定义应用层帧格式为：具有统一的应用层帧头部分和数据部分；所述应用层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示应用层帧是请求帧还是响应帧，同时用来指示应用层帧是否需要确认；序列号字段，为该帧的应用层发送序号；命令字段，用来指示应用层帧命令类型；
所述应用层模块的应用层帧命令类型包括获取位号命令帧、设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧；所述设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧具有数据部分，设置位号命令帧的数据部分为需设置的位号信息；设置采样周期命令帧的数据部分为采样周期时间；数据发布命令帧的数据部分为需要发送的数据信息。
所述网络层模块所定义的网络层帧格式为：具有统一的网络层帧头部分和可选择的数据部分；所述网络层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示网络层帧类型；目的地址字段，设有为发送该帧到目的设备的地址；源地址字段，设有为发送该帧的设备的地址；
所述网络层模块的网络层帧类型包括数据帧、短地址分配请求帧和短地址设置帧；所述数据帧和短地址设置帧具有数据部分，帧控制字段中数据帧的数据部分为提供给应用层的数据信息；短地址设置帧的数据部分为需设置的网络短地址。
所述数据链路层模块所定义数据链路层帧格式为：具有统一的数据链路层帧头部分及可选择的数据部分；所述数据链路层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示数据链路层帧类型、是否需要确认以及地址类型等信息；序列号字段，设有为该帧的数据链路层发送序号；网络标识字段，设有发送该帧的设备所在网络的标识；目的地址字段，设有为发送该帧到目的设备的地址；源地址字段，设有为发送该帧的设备的地址；
所述数据链路层模块的数据链路层帧类型包括数据帧、网络同步帧、同步探测帧以及确认帧；所述数据帧和网络同步帧具有数据部分，数据帧的数据部分为提供给网络层的数据信息；网络同步帧的数据部分包括网络时间和网络标识信息。
本发明可用于管道、阀门内流体发生泄漏时的在线检测和漏孔的定位。基于无线通信的泄漏检测装置的核心技术——超声检测技术和无线通信技术相结合，更具有如下优点：
1.应用广泛。可以应用于天然气管道、煤气管道、安全阀、旁通阀以及压力容器的泄漏检测。
2.安装方便。本发明在现场可采用非侵入式安装，对已有系统不会造成任何影响。
3.节省安装费用。本发明采用无线通信方式，不仅可以不限于现场操作，又能节省大量布线成本，大大降低系统造价。
4.节省维护开销。由于本发明采用电池供电，可长期安装在现场进行在线检测，其使用寿命可达到3-5年。采用无线通信技术使得用户可远程实现流体泄漏的监控。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是图1中超声信号处理模块原理图。
图3是本发明的无线通信协议栈框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括超声信号处理模块和无线通信模块两部分，即：超声信号处理模块运行超声信号处理程序，通过模拟信号放大电路对流体泄漏所产生的超声信号进行放大。
如图1所示，无线通信模块运行无线通信协议栈，负责无线通信功能。
如图2所示，本发明的超声信号处理模块包括微控制器和模拟信号放大电路两部分，以微控制器U1(AT90S2313芯片)为核心硬件平台，通过模拟/数字转换器U2(MAX1110芯片)与模拟信号放大电路相连；微控制器U1运行超声信号处理程序；由第一～三运算放大器U3～U5(本实施例采用TLV272I芯片)为核心组成模拟信号放大电路，对微弱超声信号进行三级放大，并将其转换为电压信号。其中第一级放大以第一运算放大器U3为核心，外接第六～十电阻R6～R10、第二十～二十一电阻R20～R21、以及二极管U7组成超声信号检波整流电路，并通过第二十三电阻R23和第十三电容C13与模拟/数字转换器U2相连；第二级放大以第二运算放大器U4为核心，外接第四～五电阻R4～R5、第十三电阻R13、第十七～十九电阻R17～R19、第二～五电容C2～C5以及第十电容C10组成放大匹配电路；第三级放大以第三运算放大器U5为核心，外接第一～三电阻R1～R3、第十一～十二电阻R11～R12、第十四～十六电阻R14～R16、第一电容以及第六～九电容C6～C8组成带通滤波电路，并与超声传感器JP3的第一引脚JP3-1和第二引脚JP3-2相连。
超声信号处理程序的任务(采用现有技术)为：周期性地通过模拟/数字转换器U2对经过模拟信号放大电路放大后的超声信号进行采样，将采样结果由时域信号转换为频域信号；在转换后的频域信号中，计算频率为40K赫兹的超声信号所对应的功率，并计算40K赫兹超声信号的声压级。
如图3所示，无线通信模块运行的无线通信协议栈包括应用层模块、网络层模块和数据链路层模块。应用层模块负责应用层的通信和维护功能，接收来自超声信号处理模块中微控制器U1的数据，对所接收的数据按照所定义的应用层帧格式进行封装发送；同时接收网络层模块数据，并对从网络层模块接收的数据进行解析，按照数据的内容执行应用层操作。
其中所定义应用层帧格式：具有统一的应用层帧头部分和可选的数据部分。如表1所示：
表1：应用层帧格式
应用层帧头部分包括：
帧控制字段，为8位字段，用来指示应用层帧是请求帧还是响应帧，同时用来指示应用层帧是否需要确认；
序列号字段，为该帧的应用层发送序号；
命令字段，用来指示应用层帧命令类型，包括获取位号命令帧、设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧；
数据部分是可选的，获取位号命令帧没有数据部分，设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧具有可选的数据部分。其中设置位号命令帧的数据部分为需设置的位号信息，设置采样周期命令帧的数据部分为采样周期时间，数据发布命令帧的数据部分为需要发送的数据信息。
如图3所示，网络层模块负责网络层通信和维护功能，接收应用层模块数据，对所接收的数据按照所定义的网络层帧格式进行封装发送；接收数据链路层模块的数据，同时对从数据链路层模块接收的数据进行解析，按照数据的内容执行网络层操作。
其中所定义网络层帧格式：具有统一的网络层帧头部分和可选的数据部分。如表2所示：
表2：网络层帧格式
网络层帧头部分包括：
帧控制字段，为8位字段，用来指示网络层帧类型，包括数据帧、短地址分配请求帧和短地址设置帧；
目的地址字段，为发送该帧到目的设备的地址；
源地址字段，为发送该帧的设备的地址；
数据部分是可选的，短地址分配请求帧没有数据部分，数据帧和短地址设置帧具有数据部分。数据帧的数据部分为提供给应用层的数据信息；短地址设置帧的数据部分为需设置的的网络短地址。
如图3所示，数据链路层模块负责数据链路层的通信和维护功能，接收网络层模块的数据，对所接收的数据按照所定义的数据链路层帧格式进行封装发送至无线网络；同时对从无线网络接收的数据进行解析，按照数据的内容执行数据链路层操作。
其中所定义数据链路层帧格式：具有统一的数据链路层帧头部分和可选的数据部分。如表3所示：
表3：数据链路层帧格式
数据链路层帧头部分包括：
帧控制字段，为8位字段，用来指示数据链路层帧类型、是否需要确认以及地址类型等信息；数据链路层帧类型包括数据帧、网络同步帧、同步探测帧以及确认帧。
序列号字段，为该帧的数据链路层发送序号；
网络标识字段，发送该帧的设备所在网络的标识；
目的地址字段，为发送该帧到目的设备的地址；
源地址字段，为发送该帧的设备的地址；
数据部分是可选的，同步探测帧和确认帧没有数据部分，数据帧和网络同步帧具有数据部分。数据帧的数据部分为提供给网络层的数据信息，网络同步帧的数据部分包括网络时间和网络标识信息。
Claims (16)
1.一种基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于包括：
-超声信号处理模块，接收超声传感器对流体泄漏所检测的超声波信号，通过模拟信号放大电路对流体泄漏所产生的超声信号进行放大，并运行超声信号处理程序；
-无线通信模块，接收超声信号处理模块的信号，运行无线通信协议栈，负责无线通信功能。
2.按照权利要求1所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：超声信号处理模块由微控制器、模拟/数字转换器和模拟信号放大电路组成，以微控制器(U1)为核心，通微控制器(U1)过模拟/数字转换器(U2)与模拟信号放大电路相连，并运行超声信号处理程序；模拟信号放大电路通过模拟/数字转换器(U2)与微控制器(U1)通讯，对微弱超声信号进行放大，并将其转换为电压信号。
3.按照权利要求2所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：模拟信号放大电路由运算放大器(U3～U5)组成，其中所述第一运算放大器(U3)通过超声信号检波整流电路与第二运算放大器(U4)的输入端相连接，并通过阻容电路与模拟/数字转换器(U2)相连；所述第二运算放大器(U4)通过放大匹配电路与第三运算放大器(U5)相连；所述第三运算放大器(U5)通过带通滤波电路与超声传感器(JP3)相连。
4.按照权利要求1所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述无线通信模块运行无线通信协议栈，无线通信协议栈包括具有数据的发送和接收功能的应用层模块、网络层模块和数据链路层模块；其中：
所述应用层模块负责应用层的通信和维护功能，接收来自超声信号处理模块中微控制器(U1)的数据，对所接收的数据按照所定义的应用层帧格式进行封装发送；同时接收网络层模块数据，并对从网络层模块接收的数据进行解析，按照数据的内容执行应用层操作；
所述网络层模块负责网络层通信和维护功能，接收应用层模块数据，对所接收的数据按照所定义的网络层帧格式进行封装发送；接收数据链路层模块的数据，同时对从数据链路层模块接收的数据进行解析，按照数据的内容执行网络层操作；
所述数据链路层模块，负责数据链路层的通信和维护功能，接收网络层模块的数据，对所接收的数据按照所定义的数据链路层帧格式进行封装发送至无线网络；同时对从无线网络接收的数据进行解析，按照数据的内容执行数据链路层操作。
5.按照权利要求4所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：其中所述应用层模块所定义应用层帧格式为：具有统一的应用层帧头部分；所述应用层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示应用层帧是请求帧还是响应帧，同时用来指示应用层帧是否需要确认；序列号字段，为该帧的应用层发送序号；命令字段，用来指示应用层帧命令类型。
6.按照权利要求4所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：其中所述应用层模块所定义应用层帧格式为：具有统一的应用层帧头部分和数据部分；所述应用层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示应用层帧是请求帧还是响应帧，同时用来指示应用层帧是否需要确认；序列号字段，为该帧的应用层发送序号；命令字段，用来指示应用层帧命令类型。
7.按照权利要求5或6所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述应用层模块的应用层帧命令类型包括获取位号命令帧、设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧。
8.按照权利要求6所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述应用层模块的应用层帧命令类型包括获取位号命令帧、设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧；所述设置位号命令帧、设置采样周期命令帧和数据发布命令帧具有数据部分，设置位号命令帧的数据部分为需设置的位号信息；设置采样周期命令帧的数据部分为采样周期时间；数据发布命令帧的数据部分为需要发送的数据信息。
9.按照权利要求4所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：其中所述网络层模块所定义的网络层帧格式为：具有统一的网络层帧头部分；所述网络层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示网络层帧类型；目的地址字段，设有为发送该帧到目的设备的地址；源地址字段，设有为发送该帧的设备的地址。
10.按照权利要求4所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：其中所述网络层模块所定义的网络层帧格式为：具有统一的网络层帧头部分和数据部分；所述网络层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示网络层帧类型；目的地址字段，设有为发送该帧到目的设备的地址；源地址字段，设有为发送该帧的设备的地址。
11.按照权利要求9或10所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述网络层模块的网络层帧类型包括数据帧、短地址分配请求帧和短地址设置帧。
12.按照权利要求10所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述网络层模块的网络层帧类型包括数据帧、短地址分配请求帧和短地址设置帧；所述数据帧和短地址设置帧具有数据部分，帧控制字段中数据帧的数据部分为提供给应用层的数据信息；短地址设置帧的数据部分为需设置的网络短地址。
13.按照权利要求4所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：其中所述数据链路层模块所定义数据链路层帧格式为：具有统一的数据链路层帧头部分；所述数据链路层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示数据链路层帧类型、是否需要确认以及地址类型信息；序列号字段，设有为该帧的数据链路层发送的序号；网络标识字段，设有发送该帧的设备所在网络的标识；目的地址字段，设有为发送该帧到目的设备的地址；源地址字段，设有为发送该帧的设备的地址。
14.按照权利要求4所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：其中所述数据链路层模块所定义数据链路层帧格式为：具有统一的数据链路层帧头部分及数据部分；所述数据链路层帧头部分包括：帧控制字段，为8位字段，用来指示数据链路层帧类型、是否需要确认以及地址类型信息；序列号字段，为该帧的数据链路层发送序号；网络标识字段，发送该帧的设备所在网络的标识；目的地址字段，设有为发送该帧到目的设备的地址；源地址字段，设有为发送该帧的设备的地址。
15.按照权利要求13或14所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述数据链路层模块的数据链路层帧类型包括数据帧、网络同步帧、同步探测帧以及确认帧。
16.按照权利要求14所述基于无线通信的泄漏检测装置，其特征在于：所述数据链路层模块的数据链路层帧类型包括数据帧、网络同步帧、同步探测帧以及确认帧；所述数据帧和网络同步帧具有数据部分，数据帧的数据部分为提供给网络层的数据信息；网络同步帧的数据部分包括网络时间和网络标识信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090729 |