CN105757465B - 一种阀门内泄漏无线联网实时检测装置 - Google Patents

Abstract

一种阀门内泄漏无线联网实时检测装置，包括检测传感器、微控制器、无线发射模块、无线接收模块、阀门泄漏监控系统；检测传感器通过环形支架内环上的卡扣连接固定，对阀门的内泄漏情况进行感应，并转换成电信号输出；微控制器完成检测传感器电信号的分析与处理；无线发射模块完成判定信号的无线电波发射；无线接收模块完成无线电波信号的接收；阀门泄漏监控系统控制无线接收模块的频道切换，以及泄漏检测数据信息的归类、显示、存储及报警等工作。本发明能够对阀门任何内泄漏进行实时的准确检测，同时能实现现场的多个阀门由终端统一监控，形成阀门内泄漏检测的物联网系统，大大提高了工业、民生等领域阀门使用安全性，提高效率，减少人力成本。

Description

一种阀门内泄漏无线联网实时检测装置

技术领域

本发明涉及管道阀门检测设备技术领域，特别涉及一种用于阀门内泄漏的无线联网实时检测装置。

背景技术

阀门是工业上一种重要的流体控制设备，涉及到国民经济诸多部门，是国民经济发展的重要基础设备，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀门具有众多性能指标，如密封性能、动作灵敏度和可靠性、启闭力和启闭力矩、强度性能、流动介质、启闭速度及使用寿命等，而其中密封性能是最重要的技术性能指示。

阀门的密封性能是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力，阀门的泄漏 形式主要分为内泄漏和外泄漏。外泄漏一般是由于阀门填料与阀杆和填料函的配合处、阀体与阀盖的连接处密封不严造成的，会引起介质从阀内泄漏到阀外，造成物料损失、环境污染，严重时还会造成事故。内泄漏是启闭件与阀座两密封面间的接触处密封不严，造成管道内部泄漏 。内泄漏相对比较隐蔽，难以从外部直接观察，特别对于频繁开闭的阀门，由于磨损等因素造成的内泄漏难以及时发现，从而造成物料的损失，严重时会酿成巨大事故。

随着技术的进步，现已发展出多种阀门泄漏检测方法。比如对于外泄漏，西安科技大学公布了一种掩埋式自来水管道泄漏检测装置(专利公开号CN 104266087 A)，利用湿度传感器沿管道进行铺设，通过检测传感器阻值的变化来判断外泄漏的情况，采用这种方法对外泄漏的检测问题可以有效解决。对于阀门内泄漏问题，长沙理工大学公布了一种阀门泄漏检测装置(专利公开号CN102323013 A)，利用声学传感器采集的阀门内部声音信号，通过分析变换与保存的未泄漏时的数据进行比对，判定阀门是否泄漏。这种检测方式为无源检测，需要布置多个测点，而且为有线的手持式检测仪器，不利于工业系统中大规模的自动化检测。另外有学者公布了一种核电站阀门泄漏无线声音检测装置与压缩传输方法，主要采用声音发生器和声音探测器联合对阀门内泄漏 情况进行检测，属于一种有源检测方法，此方法运用了无线传输技术，从而可以远程管理。但是这种方法测试系统复杂，在实际使用中成本会较高，限于核电站领域的应用，适用范围有限。声音信号数据量较大，该方法中考虑无线传输的带宽限制，对声音信号进行了压缩，这必然会降低检测的准确性。

以上两个公开的专利中都采用了声音信号来检测，其中面临的最大的问题是背景噪声的影响，在不同的环境背景下，很可能检测出的结果出现很大差异。另外，对于阀门内部微泄漏 的情况，声音信号难以对其进行有效的判定。

发明内容

本发明的目的是提出一种阀门内泄漏无线联网实时检测装置，以解决阀门内部泄漏的实时检测问题，尤其是阀门内部微泄漏的检测。该装置通过置于阀门下游出口处的检测线圈，探测各种量级大小的泄漏情况。通过微控制器采集由泄漏 造成的检测线圈的电压变化，通过控制器内部算法的分析处理，判定阀门的泄漏情况。然后将阀门的泄漏情况转换成数据编码，通过无线通信传回控制中心，从而实现阀门内泄漏的实时检测与监控。

本发明采用如下技术方案：

一种阀门内泄漏无线联网实时检测装置，该装置由检测传感器、微控制器、无线发射模块、无线接收模块、阀门泄漏 监控系统。其中检测传感器、微控制器和无线发射模块依次连接，构成检测前端，而无线接收模块与阀门泄漏 监控系统连接，构成检测终端，前端和终端之间通过无线连接。

所述的检测传感器主要由环形支架和检测线组成，两部分通过环形支架内环上的卡扣连接固定。检测传感器安装于阀门和下游管道之间，所述的检测线绕环形支架的内环布置，所述检测线的两端穿过环形支架上的两个径向通孔从内环走线到外环，连接外部的微控制器；对阀门的内泄漏情况进行感应，并转换成电信号输出。

为了消除传感器上游积存物料的影响，环形支架内环的直径d要小于管道直径D，且(D-d)/D＝2％～10％。同时为了减少检测线与环形支架之间积存物料对传感器的检测精度的影响，将环形支架内环的表面做成圆弧形结构，使物料不易在环形支架内环表面与检测线之间的缝隙中积存。环形支架的外环设有两个螺栓定位孔，使检测传感器在管道中安装时起到定位的作用。环形支架的轴向两侧表面设置有环形波纹，用于装配面的密封，防止物料的泄漏。检测线绕环形支架的内环布置，通过内环上的卡扣限定其轴向的移动。检测线的两端穿过环形支架上的两个径向通孔从内环走线到外环，从而可以连接外部的微控制器，同时两个径向通孔内注入密封胶水，防止物料外泄。

所述的微控制器主要由接口电路、A/D转换器、中央数据处理器、串行外设接口(主机)四部组成。接口电路、A/D转换器、中央数据处理器、串行外设接口(主机) 依次连接，接口电路用于连接检测线和A/D转换器，其中有两个调敏电阻R₁、R₂，用于调节检测线的灵敏度。A/D转换器将检测线的模拟电信号转换成数字信号，并传输给中央数据处理器。中央数据处理器中预先拷入了模式识别智能算法，并对检测传感器感应得到的信号进行识别，判别阀门的泄漏 情况。然后将阀门的泄漏情况转换成数字编码，通过串行外设接口(主机)传输给无线发射模块，将判别信息通过无线发射出去。

所述的无线发射模块主要由串行外设接口(从机)、无线收发器I、无线发射天线三部分组成。串行外设接口(从机)、无线收发器I、无线发射天线依次连接，串行外设接口(从机)将表征阀门泄漏情况的数字编码传输给无线收发器，经其处理转换成高频振荡信号，经过无线发射天线发射出去。

所述的无线接收模块主要由无线接收天线、无线收发器II、USB接口三部分组成。无线接收天线、无线收发器II、USB接口依次连接，无线接收天线接收无线电波，并将信号传输给无线收发器II，进行解码还原成反应阀门的泄漏情况的数字编码，通过 USB接口传输给终端的阀门泄漏 监控系统。

所述的阀门泄漏 监控系统对无线接收模块的工作频率通道的切换进行控制，另外对获取的数据信息进行归类、显示及存储，并对出现泄漏 的阀门进行报警；系统内关于阀门检测的信息自动生成数据库并存档，以便后期的查询与分析。

本发明所提出的检测装置，由检测传感器、微控制器、无线发射模块、终端无线接收模块、阀门泄漏监控系统五大部分构成了一套完整的阀门内泄漏检测装置，由无线局域网络进行联接，从而可以实现现场的多个阀门由终端统一监控，形成阀门内泄漏检测的物联网系统，大大提高工业、民生等领域阀门使用安全性，提高效率，减少人力成本。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)环形支架将检测线固定于管道内部，可以快速准确的探测管内泄漏情况，尤其是内部微泄漏，相比于其它方法，本发明的方法更具备优势。

(2)阀门内泄漏的传感信号的采集、分析及判定在检测前端的微控制器内部完成，从而大大减少了无线传输的数据量，增强系统的可靠性；同时，由于传输数据量的减少，也使得检测前端的扩展简单方便。

(3)由一个检测终端同时连接多个检测前端，构成一个完整的检测系统，便于自动化和集约化管理，有效提高效率并降低人力成本。

附图说明

图1为本发明的阀门内泄漏测装置系统图。

图2为本发明装置的检测传感器结构图。其中，图(a)为检测传感器装配图，图(b)-1为检测传感器构造图的正视图，图(b)-2为检测传感器构造图的剖视图。

图3为本发明装置的微控制器结构图。其中，图(A)为微控制器内部功能结构图，图(B)为接口电路示意图，其中L_s1为信号线I，L_s2为信号线II，L_I1为传感线I， L_I2为传感线II，R₁、R₂为调敏电阻。

图4为本发明装置的无线发射模块结构图。

图5为本发明装置的无线接收模块结构图。

图6为本发明装置的阀门泄漏监控系统流程图。

图中：1为检测传感器；2为微控制器；3为无线发射模块；4为无线接收模块；5 为阀门泄漏监控系统；1-1为环形支架；1-2为检测线；2-1接口电路；2-2A/D转换器； 2-3中央数据处理器；2-4串行外设接口(主机)；3-1串行外设接口(从机)；3-2无线收发器I；3-3无线发射天线；4-1无线接收天线；4-2无线收发器II；4-3USB接口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如附图1所示，该装置由检测传感器(1)、微控制器(2)、无线发射模块(3)、无线接收模块(4)、阀门泄漏 监控系统(5)五大部分组成。其中检测传感器(1)、微控制器(2)、无线发射模块(3)构成检测前端，而无线接收模块(4)和阀门泄漏 监控系统(5)构成检测终端，前端和终端之间通过无线连接。

如附图2所示，该装置的检测传感器(1)主要由环形支架(1-1)和检测线(1-2) 组成，两部分通过环形支架(1-1)内环上的卡扣连接固定。检测传感器安装于阀门和下游管道之间，对阀门的内泄漏情况进行感应，并转换成电信号输出。为了消除传感器上游积存物料的影响，环形支架(1-1)内环的直径d要小于管道直径D，(D-d)/D＝5％。同时为了减少检测线(1-2)与环形支架(1-1)之间积存物料，影响传感器的检测精度，将环形支架(1-1)内环的表面做成圆弧形结构，使物料不易在环形支架(1-1) 内环表面与检测线(1-2)之间的缝隙中积存。环形支架(1-1)的外环设有两个螺栓定位孔，使检测传感器(1)在管道中安装时起到定位的作用。环形支架(1-1)的轴向两侧表面设置有环形波纹，用于装配面的密封，防止物料的泄漏。检测线(1-2)绕环形支架(1-1)的内环布置，通过内环上的卡扣限定轴向的移动。检测线(1-2)的两端穿过环形支架(1-1)上的两个径向通孔从内环走线到外环，从而可以连接外部的微控制器(2)，同时两个径向通孔内注入密封胶水，防止物料外泄。

如附图3所示，该装置的微控制器(2)主要由接口电路(2-1)、A/D转换器(2-2)、中央数据处理器(2-3)、串行外设接口(主机)(2-4)四部分组成。接口电路(2-1) 连接检测线(1-2)和A/D转换器，接口电路(2-1)中有两个调敏电阻R1、R2，用于调节检测线(1-2)检测的灵敏度。A/D转换器(2-2)将检测线(1-2)的模拟电信号转换成数字信号，并传输给中央数据处理器(2-3)。此实施实例中的中央数据处理器 (2-3)采用ATMEGA328P芯片。中央数据处理器(2-3)中预先拷入了模式识别智能算法，并对检测传感器(1)感应得到的信号进行识别，判别阀门的泄漏 情况。然后将阀门的泄漏情况转换成数字编码，通过串行外设接口(主机)(2-4)传输给无线发射模块(3)，将判别信息通过无线发射出去。

如附图4所示，该装置的无线发射模块(3)主要由串行外设接口(从机)(3-1)、无线收发器I(3-2)、无线发射天线(3-3)三部分组成。此实施实例中的无线收发器I 采用nRF24L01芯片。串行外设接口(从机)(3-1)将表征阀门泄漏情况的数字编码传输给无线收发器(3-2)，经其处理转换成高频振荡信号，经过无线发射天线(3-3) 发射出去。

如附图5所示，该装置的无线接收模块(4)主要由无线接收天线(4-1)、无线收发器II(4-2)、USB接口(4-3)三部分组成。此实施实例中的无线收发器II同样采用 nRF24L01芯片。无线接收天线(4-1)接收无线电波，并将信号传输给无线收发器II (4-2)，进行解码还原成反应阀门的泄漏情况的数字编码，通过USB接口(4-3)传输给终端的阀门泄漏 监控系统(5)。

如附图6所示，该装置的阀门泄漏 监控系统(5)对无线接收模块(4)的工作频率通道进行循环切换控制，保证每个阀门的检测前端的信息都能顺序采集得到。对获取的检测数据信息按前端阀门编号进行归类，并分别显示，同时对于出现泄漏 的阀门进行报警。系统内关于阀门检测的信息自动生成数据库并存档，以便后期的查询与分析。无线频率通道n的取值为1-N，且循环取值。

下面结合附图1～6详细说明本发明的阀门内泄漏无线联网实时检测装置工作原理。

将检测传感器(1)安装于阀门下游与管道的连接处，检测线(1-2)的端口与微控制器(2)的接口电路(2-1)相连接。无线发射模块(3)通过串行外设接口(从机) (3-1)与微控制器(2)的串行外设接口(主机)(2-4)相连接。无线接收模块(4) 通过USB接口(4-3)与阀门泄漏 监控系统(5)相连接。

阀门内泄漏检测装置连接完毕以后，上电运行。当阀门产生泄漏时，泄漏 的物料接触到检测线(1-2)时，检测线(1-2)内部线路由断开转变成导通状态，使得线路两端的电压发生变化。另外，检测线(1-2)浸入物料中的长度不同，线路两端的电压也会不同。微控制器(2)中的A/D转换器(2-2)对检测线(1-2)的电压信号进行采集并转换成数字信号，传输给中央数据处理器(2-3)。中央数据处理器(2-3)对数字信号进行运算，并结合预先存储于内存之中的模式识别智能算法对采集的数字信号进行分析识别，判定是阀门产生了泄漏还是阀门正常开启；如果判定是阀门泄漏，可进一步估计泄漏 量的大小。然后将判定的结果转变成对应的数字编码，通过串行外设接口(主机)(2-4)传输给无线发射模块(3)的串行外设接口(从机)(3-1)，进而传输给无线收发器I(3-2)，并经其处理转换成高频振荡信号，经过无线发射天线(3-3) 发射出去。

检测终端的无线接收模块(4)通过无线接收天线(4-1)接收无线高频振荡信号，传输给无线收发器II(4-2)，并进行解码还原成反应阀门的泄漏情况的数字编码，通过USB接口(4-3)传输给阀门泄漏 监控系统(5)。

阀门泄漏 监控系统(5)一方面对无线接收模块(4)的工作频率通道进行循环切换控制，保证每个阀门的状态信息的采集。另一方面对获取的检测数据信息按前端阀门编号进行归类，并分别显示，同时对于出现泄漏 的阀门进行报警。系统内关于阀门检测的信息自动生成数据库并存档。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.阀门内泄漏无线联网实时检测装置，包括检测传感器、微控制器、无线发射模块、无线接收模块、阀门泄漏 监控系统，其特征在于：

所述的检测传感器包括环形支架和检测线，两部分通过环形支架内环上的卡扣连接固定，所述的环形支架内环的直径d小于管道直径D，且（D-d）/D=2%～10%，环形支架内环的表面做成圆弧形结构，且环形支架的外环设有两个螺栓定位孔；所述的检测线绕环形支架的内环布置，所述检测线的两端穿过环形支架上的两个径向通孔从内环走线到外环，连接外部的微控制器；

所述的微控制器包括接口电路、A/D转换器、中央数据处理器、串行外设接口，接口电路、A/D转换器、中央数据处理器、串行外设接口依次连接，所述接口电路用于连接检测线和A/D转换器，所述A/D转换器将检测线的模拟电信号转换成数字信号，并传输给中央数据处理器，所述中央数据处理器对采集的信号进行识别和判定，并将判定结果通过串行外设接口传输给无线发射模块；

所述的无线发射模块包括串行外设接口、无线收发器I、无线发射天线，串行外设接口、无线收发器I、无线发射天线依次连接，所述的串行外设接口将表征阀门泄漏情况的数字编码传输给无线收发器，经其处理转换成高频振荡信号，经过无线发射天线发射出去；

所述的无线接收模块包括无线接收天线、无线收发器II、USB接口，无线接收天线、无线收发器II、USB接口依次连接，所述的无线接收天线接收无线电波，并将信号传输给无线收发器II，所述无线收发器II将电波信号进行解码还原成反应阀门的泄漏情况的数字编码，并通过USB接口传输给终端的阀门泄漏 监控系统；

所述的阀门泄漏 监控系统是对无线接收模块的工作频率通道进行循环切换控制，并对获取的数据信息进行归类、显示及存储，对出现泄漏 的阀门进行报警，对阀门检测的信息自动生成数据库并存档。

2.根据权利要求1所述的阀门内泄漏无线联网实时检测装置，其特征在于：所述的环形支架轴向两侧表面设置有环形波纹。

3.根据权利要求1所述的阀门内泄漏无线联网实时检测装置，其特征在于：所述的微控制器的中央数据处理器中，预先存入了模式识别智能算法及基础对比判定数据。

4.根据权利要求1所述的阀门内泄漏无线联网实时检测装置，其特征在于：所述的阀门泄漏 监控系统一方面对无线接收模块的工作频率通道进行循环切换控制，保证每个阀门的状态信息的采集，另一方面对获取的检测数据信息进行归类、显示及存储，同时对于出现泄漏 的阀门进行报警。