CN101832787B - 一种管道压力实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种管道压力实时监测装置。管道压力传感器、流量传感器和温度传感器的电流信号经过信号调理电路调理为电压信号，电压信号经多通路电子开关及采样保持电路后，由A/D转换电路进行转换，微处理器周期性地采集所述数字信号，同时将日历时间信息、流量信息和温度信息完整的记录存储到EEPROM中，然后微处理器再利用UART模块将EEPROM中的数据经电平转换和通信网络实时地传送置主机或远程监控中心。本发明解决了现有管道泄漏监测系统数据采集分辨率不高、可靠性低和鲁棒性差的问题，在满足压力信号采集精度和实时性的前提下并具备施工量小、成本低、安装维护方便的特点。

Description

一种管道压力实时监测装置

技术领域

本发明涉及一种压力监测装置，具体是一种原油管道压力实时监测装置。

背景技术

由于管道输送具有成本低、节省能源、安全性高及供给稳定等优点，管道运输在世界范围内得到迅速发展，已成为现代社会不可缺少的组成部分。然而，由于长时间的运行磨损、设备的自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，泄漏故障时有发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的潜在威胁，同时也造成严重的资源浪费。为了减少损失，减轻管道事故的危害，需要在事故发生后立即检测出来，并且能够指明泄漏发生的位置。因此，及时准确地定位管道泄漏点具有重要的现实意义。

输油管道大多铺设在野外，不但地处偏僻之处，而且一般管道距离很长，仅仅依靠管道安全管理人员的人工巡查，显然既没有效率又浪费时间，不能有效解决管道安全的防护问题。到目前为止，尽管有一些公司推出了输油管道泄漏定位监测系统。但是，目前各种管道泄漏检测技术都没能很好地解决泄漏检测响应速度、系统鲁棒性和可靠性、泄漏检测灵敏度、定位精度和系统成本之间的关系，其关键问题是没能很好地解决泄漏检测灵敏度和减少泄漏误报之间的矛盾。究其原因是泄漏检测和定位技术缺乏自适应性，而且泄漏检测系统的性能很大程度上取决于数据采集及监测装置的精度和分辨能力，从而可靠性和鲁棒性差。

压力信号是描述管道工作情况，识别管道状态的重要信息，所以采集准确的压力信号就变得尤为重要，本专利就是在这样的需求下提出的，使其在满足压力信号采集精度的基础上还需具备施工量小、成本低、安装维护方便的优点。

经对现有的技术文献检索发现，没有发现与本发明主题相同或类似的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗、高精度的管道压力实时监测装置。

本发明的目的是这样实现的：

管道压力传感器、流量传感器和温度传感器的电流信号经过信号调理电路调理为电压信号，电压信号经多通路电子开关及采样保持电路后，由16位A/D转换电路进行模拟信号到数字信号的转换，微处理器MSP430F149根据事先设置的时间间隔周期性地采集所述数字信号，同时将日历时间信息、流量信息和温度信息完整的记录存储到EEPROM中，然后微处理器MSP430F149再利用UART模块将EEPROM中的数据经电平转换和通信网络构成的信号传输单元实时地传送置主机或远程监控中心，或者在接收到特定的外部命令后将符合查询条件的历史记录进行批量传输。

本发明的特点体现在：

1、MSP430F149为16位具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，运算性能和速度指标好，完全能满足中小规模运算量的实时速度要求。

2、采用16位A/D转换器具有转换精度高，抑制干扰能力强，灵敏度高的特点，转换速率比较慢，一般一秒只有几十次，但已满足本系统的需求。另外它具有误差小，零点漂移低的优点。因此本方案可以达到设计要求的高精度测量的目标。

3、软件方面，友好的操作界面，四个按键简单、直观、方便的操作系统。

4、该系统量程：精度0.075％，量程比50∶1；差压测量范围：7.5-6895kPa；贮存温度范围：(-40～+85)℃；工作温度：(-45～+70)℃，完全能够满足全国各地区用户的需求。

附图说明

图1管道压力实时监测装置原理图；

图2管道压力实时监测装置流程图；

图3微处理器MSP430F149电路原理图；

图4数据采集单元AD7705电路原理图；

图5信号传输单元MAX232电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明包括微处理器MSP430F149-U1、数据采集单元-U2、日历时钟单元-U3、数据存储单元-U4、输入输出单元-U5、信号传输单元-U6。

利用高精度差压式压力传感器、流量传感器、温度传感器进行原油管道的压力、流量、温度监测，其中，原油管道的压力为主要监测对象。以具有精简指令集、超低功耗的混合型MSP430F149微处理器U1为核心，协调多传感器信号选通，与日历时钟单元U3、数据存储单元U4、输入输出单元U5进行数据交换，控制数据采集单元U2的时序及读写状态，并将采集得到的数据通过信号传输单元U6传送置主机或远程监控中心，完成原油管道压力、流量、温度的实时监测、记录等主要功能；数据采集单元U2：根据压力传感器采集原油管道压力，温度传感器采集温度信号，流量传感器采集管内流量信息，利用高精度A/D转换单元进行16位模拟量到数字量的转换，由微处理器U1查询或中断接受转换结果；日历时钟单元U3：时钟实时与U1以SPI/I²C的通信方式进行通信，并以设置的时间间隔周期性地唤醒U1进行数据采集和存储，而当前时钟的时间信息也作为原油管道压力记录的数据项之一；数据存储单元U4：EEPROM与微处理器U1以SPI/I²C的通信方式进行通信，当U1判断当前原油管道压力需要记录时，一条完整记录包含时间信息、原油管道压力信息及当前时间的流量和温度信息统一存储到EEPROM中，并以队列的方式完成数据的存储；输入输出单元U5：包括按键输入和液晶显示输出，按键输入为本系统提供系统复位，时间校对，传感器零点调整等功能，方便用户查看，为用户提供了友好的人机接口；信号传输单元U6：应用UART模块，微处理器U1与主机或远程监控中心通过RS232进行通信，U1实时地将当前的原油管道压力信息传输出去，也可以在接收到特定的外部命令后，将符合查询条件的历史记录进行批量传输，提高系统可靠性。

结合图2，本发明的工作流程为：系统启动时，首先按上次启动设置将EEPROM初始化，然后程序开始运行，进入微处理器系统及相关外设初始化，包括对微处理器时钟、串口、定时器进行初始化，液晶显示初始过程状态；当初始化工作完成后，进入工作选择模式，读取键盘数据，保存数据并将设置状态返还微处理器；微处理器按设置的时间间隔发出指令信号选择压力、温度和流量数据通道，再控制A/D进行模拟量到数字量的转换，完成压差、温度、流量数据的模数转换并保存转换数据，判断采集模数转换后的数据(压差、温度、流量)单循环是否结束，若未采集完则继续采集，若采集单循环完成则进行数据处理，同时记录当前时间作为附加信息，使其在单循环周期内构成一个完整的数据包；RS232通讯设置为一位起始位、一位停止位、8位数据位、奇校验方式，波特率为9600bps，被保存的数据包经RS232电平转换传输到主机或远程监控中心。

结合图3，MSP430F149微处理器U1的数字DVCC(1脚)和模拟AVCC(64脚)为电源端，模拟DVSS(63脚)和模拟AVSS(62脚)为接地端，DY低压差稳压器、DS7可调集成稳压器与滤波电容(包括电容及电解电容)C4、C18、C19、C20、C27、C28、C29、C30、C31及电感L1、L2一起构成稳压电路；XT2IN(52脚)、XT2OUT(53脚)为外部振荡器引脚，接晶振Y2，同时并联C16、C17电容接地；XIN_L(8脚)、TXOUT_L/TCLK(9脚)外接晶振Y1；CPU复位信号输入端RST(58脚)串联上拉电阻R8与+3.3V相连，同时串联电阻R3及复位开关DS6与地相连；TDO/TDI(54脚)、TDI(55脚)、TMS(56脚)、TCK(57脚)与JTAG的1、3、5、7脚相连；JTAG的2脚接+3.3V、9脚接地、11脚接MSP430F149微处理器U1的RST(58脚)；P10(12脚)接U2-A/D转换器的SCLK(1脚)串行时钟输入，提供时钟信号；P12(14脚)、P11(13脚)分别与A/D转换器AD7705的DIN(14脚)串行数据输入、DOUT(13脚)串行数据输出端相连；UTXD0(32脚)和URXD0(33脚)与信号传输单元U6的T1IN(11脚)和R1OUT(12脚)连接。

结合图4，数据采集单元U2中16位A/D转换器AD7705是美国AD公司新近推出的一种低功耗、高性能电荷平衡式A/D转换器。其中，VDD(15脚)接电源电压VCC；GND(16脚)和REF IN(-)参考电压负端接地；RESET(5脚)复位，该端口为低电平时，将控制逻辑、接口逻辑、校准系数复位为上电状态；MCLK IN(2脚)主时钟输入与MCLKOUT(3脚)主时钟输出之间串联晶振Y3，晶振Y3两端分别串联电容C32和C33与地相连；CS(4脚)使能端与地相连；REF IN(+)参考电压负端+3.3伏电源电压；AIN 1(+)(7脚)、AIN 1(-)(8脚)分别为差分模拟输入通道1的正、负输入端，AIN2(+)(6脚)、AIN2(-)(11脚)分别为差分模拟输入通道2的正、负输入端；SCLK(1脚)串行时钟输入与MSP430F149微处理器U1的P10(12脚)相连；DIN(14脚)串行数据输入、DOUT(13脚)串行数据输出端分别与MSP430F149微处理器U1的P12(14脚)、P11(13脚)相连。

结合图5，信号传输单元U6的VCC(16脚)接电源电压，与VDD(2脚)串联C12电解电容，VDD端接正极；C1+(1脚)和C1-(3脚)串联C10电解电容，C1+端接正极；C2+(4脚)和C2-(5脚)串联C11电解电容，C2+端接正极；GND(15脚)和VEE(6脚)串联C14电解电容，GND端接正极；T1IN(11脚)和R1OUT(12脚)分别接MSP430F149微处理器U1的TXD(32脚)和RXD(33脚)；T1OUT(14脚)、R1IN(13脚)、GND(15脚)分别与9针串口的2、3、5针连接，完成与主机或远程监控中心串口的连接。

Claims (2)

1.一种管道压力实时监测装置，其特征是：管道压力传感器、流量传感器和温度传感器的电流信号经过信号调理电路调理为电压信号，电压信号经多通路电子开关及采样保持电路后，由16位A/D转换电路AD7705进行模拟信号到数字信号的转换，微处理器MSP430F149根据事先设置的时间间隔周期性地采集所述数字信号，同时将日历时间信息、流量信息和温度信息完整的记录存储到EEPROM中，然后微处理器MSP430F149再利用UART模块将EEPROM中的数据经由电平转换和通信网络构成的信号传输单元MAX232实时地传送至主机或远程监控中心，或者在接收到特定的外部命令后将符合查询条件的历史记录进行批量传输；

微处理器MSP430F149的数字DVCC即1脚和模拟AVCC即64脚为电源端，模拟DVSS即63脚和模拟AVSS即62脚为接地端，低压差稳压器(DY)、可调集成稳压器(DS7)与第四电容(C4)、第十八电容(C18)、第十九电容(C19)、第二十电容(C20)、第二十七电容(C27)、第二十八电容(C28)、第二十九电容(C29)、第三十电容(C30)、第三十一电容(C31)及第一电感(L1)、第二电感(L2)一起构成稳压电路；XT2IN即52脚、XT2OUT即53脚为外部振荡器引脚，接晶振(Y2)，同时并联第十六电容(C16)、第十七电容(C17)接地；XIN L即8脚、TXOUT L/TCLK即9脚外接晶振(Y1)；CPU复位信号输入端RST即58脚串联第八上拉电阻(R8)与+3.3V相连，同时串联第三电阻(R3)及复位开关(DS6)与地相连；TDO/TDI即54脚、TDI即55脚、TMS即56脚、TCK即57脚与JTAG的1、3、5、7脚相连；JTAG的2脚接+3.3V、9脚接地、11脚接微处理器MSP430F149的RST即58脚；P10即12脚接16位A/D转换电路的串行时钟输入SCLK即1脚，提供时钟信号；P12即14脚、P11即13脚分别与16位A/D转换电路的DIN即14脚串行数据输入、DOUT即13脚串行数据输出端相连；UTXD0即32脚和URXD0即33脚与信号传输单元MAX232(U6)的T1IN即11脚和R1OUT即12脚连接；

所述16位A/D转换电路的VDD即15脚接电源电压VCC；GND即16脚和REF IN(-)参考电压负端接地；

即5脚复位、即为低电平时，将控制逻辑、接口逻辑、校准系数复位为上电状态；MCLK IN即2脚主时钟输入与MCLK OUT即3脚主时钟输出之间串联晶振(Y3)，晶振(Y3)两端分别串联第三十二电容(C32)和第三十三电容(C33)与地相连；

即4脚使能端与地相连；REF IN(+)参考电压负端+3.3伏电源电压；AIN 1(+)即7脚、AIN 1(-)即8脚分别为差分模拟输入通道1的正、负输入端，AIN2(+)即6脚、AIN2(-)即11脚分别为差分模拟输入通道2的正、负输入端；SCLK即1脚串行时钟输入与微处理器MSP430F149的P10即12脚相连；DIN即14脚串行数据输入、DOUT即13脚串行数据输出端分别与微处理器MSP430F149的P12即14脚、P11即13脚相连。

2.根据权利要求1所述的管道压力实时监测装置，其特征是：所述的信号传输单元MAX232的VCC即16脚接电源电压，VCC即16脚与VDD即2脚间串联第十二电解电容(C12)，VDD端接第十二电解电容的正极；C1+即1脚和C1-即3脚串联第十电解电容(C10)，C1+端接正极；C2+即4脚和C2-即5脚串联第十一电解电容(C11)，C2+端接正极；GND即15脚和VEE即6脚串联第十四电解电容(C14)，GND端接正极；T1IN即11脚和R1OUT即12脚分别接微处理器MSP430F149的TXD即32脚和RXD即33脚；T1OUT即14脚、R1IN即13脚、GND即15脚分别与9针串口的2、3、5针连接，完成与主机或远程监控中心串口的连接。

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