CN106870960B - 一种管道漏水自动化监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管道监测技术领域，尤其涉及一种管道漏水自动化监测系统及方法。通过单片机对信号进行A/D转换，上传至上位机进行滤波、快速傅里叶变换、相关分析等，抽取特征参数，在管网图上显示泄漏位置，实现自动化检测。无需依靠人员经验进行判断，提高检测的准确性及可靠性，及时发现泄漏点，及时组织人员进行维修。大大减少人员和资源的浪费。
Description
技术领域
本发明属于管道监测技术领域，尤其涉及一种管道漏水自动化监测系统及方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，管道运输在国民经济、国防工业生产、人们日常生活等方面都发挥着越来越重要的作用，石油、天然气、自来水管道等已经成为国民经济发展的命脉。而这些管道大多都是处于高压状态下运行，加上周围环境对管道的腐蚀以及自身的老化，接口连接不紧密，以及受到路面过高的载荷，使得管道的局部应力过大，产生扭曲断裂，发生泄漏的现象时有发生，如果这些泄漏不能及时发现，必将引起重大的资源浪费，严重的环境破坏和巨大的经济损失，甚至引发安全事故。所以及时有效的发现漏点是一项具有重大经济、社会、环境效益的工作。
目前，我国使用的检测仪大多依靠进口，一些中小型城市则依赖于借助简单听漏仪的人工巡检法。人工巡检方法需要耗费大量人力，主要依赖于听漏人员的经验，受环境干扰影响大，所以主要是夜间巡检，除了外界环境干扰外，听漏者自身经验素质、疲劳程度都极大影响到听漏检测的效果，可靠性比较差。国外的产品虽然自动化水平高，但由于国内管道的材质、埋设深度、土质环境、管道压力等于与国外管道有很大差别，所以进口的产品不能够完全适用于国内供水管道的特点。
为此，我国科研工作者也越来越重视这方面的研究：如同济大学、吉林大学、南京理工大学、哈尔滨工业大学、重庆大学等都相继开发了相关的泄漏和故障检测仪器。但现有的检测设备都是人工定期去巡检，且受环境因数影响较大，不能实现大范围的漏水检测，对于及时发现漏水点依然是个难题。
发明内容
因此，为了克服现有技术中管道漏水监测的缺陷，本发明提供一种管道漏水自动化监测系统及方法。
一种管道漏水自动化监测系统，包括数据采集层、无线通讯层及管理层；
数据采集层包括压电式加速度传感器及单片机；压电式加速度传感器、单片机集成于一个整体，安装方式为磁吸式安装，传感器的采集模块直接通过磁铁吸附在管道或阀门的正上方；当单片机接收到上位机发送的采集信号时，单片机进行复位操作后启动A/D转换，单片机的采样频率为5000HZ，并将采集数据缓存在单片机的内部存储器中，当单片机完成一系列工作后单片机自动进入待机模式，等待下次采样信号的唤醒；采集模块供电方式为24V锂电池进行供电；
无线通讯层包括无线通讯模块，通过SPI协议与单片机进行数据交换；无线通讯模块工作频率设定为433MHZ，传输速率为100Kb/s，当检测到无线网络空闲时，单片机和无线通讯模块协同工作以数据包形式将采集到的数据发送至无线中继站，再由无线中继站将数据上传至上位机的无线接收端，无线接收端通过上位机的USB端口将数据上传至上位机；
管理层负责将收到的数据进行一系列拆包、合并操作后依据传感器编号对数据进行归档；管理系统模块提取各待检测管道的相关传感器的归档数据依次进行处理并作相关分析；在上位机显示界面上通过组态软件显示检测范围的管网图，当相关分析后发现存在疑似泄漏点，直接在管网图上显示漏点的具体位置，并通过绿、黄、红三种颜色及百分数来显示发生泄漏的可信度，当可信度超出设定的阈值时，管理系统模块自动发出报警信号，打印出泄漏点的具体位置图，同时向相关工作人员发送预警信息；
压电式加速度传感器为IEPE型压电式加速度传感器，该传感器底端装有磁铁，直接吸附在管道或阀门上，传感器的输出端直接与单片机相连，传感器采集管路的振动信号；
压电式加速度传感器的安装距离为200米一个，选择管道的上表面进行安装，或直接安装在阀门上；
压电式加速度传感器与单片机相连，采用同轴电缆对压电式加速度传感器供电并实现信号的传输；
单片机为STM32单片机，设置单片机的采样频率为5000HZ，该单片机可以为传感器提供24V电压，并实现对传感器输出的模拟信号进行A/D转换，设定单片机的采样周期为3S，当单片机完成采样后自动停止工作，进入待机模式，等待下次采样指令唤醒，当单片机完成一个采样周期后，把采集的信号自动放入数据缓存器中，等待无线发射；
无线通讯模块为SI4463无线通讯模块，设定该SI4463无线通讯模块的发送频率为433MHZ，当单片机完成采集后无线通讯模块自动开启，把采集的信号上传到中继站，当中继站接收到多路信号后，集中进行打包，统一上传到无线接收端；
无线通讯层还负责传输上位机发送的采集指令，当单片机收到采集指令后立刻唤醒进行采集；
传感器、单片机、无线发射模块集成于一个整体，用不锈钢材质作为壳体，壳体具有可固定孔，用于固定在管道或阀门上，以达到防盗的作用；
一种利用上述的本发明中的管道漏水自动化监测系统进行管道漏水自动化监测的方法，该方法通过IEPE型压电式加速度传感器采集管路的振动信号，通过单片机对信号进行A/D转换、存储，通过无线发射模块给采集的信号发送到中继站，中继站接收到多路振动信号后进行打包处理，集中发送到无线接收模块，上传至上位机；上位机对信号及时运算处理，发现异常情况，在管网运行图上标出异常点，给出具体位置，并向相关工作人员发送预警信息；其中当无线接收模块给数据上传到上位机后，上位机首先给数据进行存储，然后对数据进行滤波，作FFT变换，对相邻的两路信号作相关分析；在上位机界面上通过组态软件显示检测范围的管网图；两两进行相关分析后发现有漏点，直接在管网图上标出漏点的具体位置，并给出发生泄漏的可信度，当可信度超过设定范围时，立刻向有关工作人员发送预警信息。
一种管道漏水自动化监测系统及方法通过对管道的振动信号的采集，通过单片机对信号进行A/D转换，上传至上位机进行滤波、快速傅里叶变换、相关分析等，抽取特征参数，在管网图上显示泄漏位置，实现自动化检测。无需依靠人员经验进行判断，提高检测的准确性及可靠性，及时发现泄漏点，及时组织人员进行维修。大大减少人员和资源的浪费。
附图说明
图1为本发明测量原理示意图
图2为本发明探漏系统原理图
图3为本发明系统整体方案图
具体实施方式
如图1所示为本发明的测量原理示意图，LAB是测量管道的长度，A、B两端放置压电式加速度传感器，O点为泄漏点，漏点距两个传感器的距离分别为LOA、LOB(设LOA＞LOB)，假设漏水信号在管道上传播速度为V，则漏水信号从O点传播到A点所用的时间为
漏水信号从O点传播到B点所用的时间为
漏水信号从O传到两端的时间差为
而LOA+LOB＝L
可得：
LOA＝(Δt×V+LAB)/2
LOB＝(LAB-Δt×V)/2
所要测量管道的长度LAB和漏水信号的传播速度V是可知的。只要知道漏水信号从O传到两端的时间差Δt就可以判断处漏水点的位置。所以定位问题就是求时间差Δt的问题，而求时间差普遍通过互相关分析来求得。
管路探漏检测系统就是根据相关分析原理，结合我国目前管路复杂，检测手段被动等特点而设计的，其系统原理如图2所示：
一种管道漏水自动化监测系统包括：
压电式加速度传感器为IEPE型传感器，它是在压电传感器内置入微电子电荷或电压放大器，这样就可以直接输出一个高电平、低阻抗的电压信号，也有一些IEPE传感器可以输出电流信号甚至是数字信号。它可以用同轴电缆来输出信号，并且不需要后续的放大电路，直接连至单片机等设备。
单片机主要负责把传感器输出的模拟量转化成数字量，实现对信号的采集，因为漏水信号的频率范围在0-2500Hz，设定单片机的采样频率为5000Hz。单片机同时接收上位机发送的采集指令，实现同步采集。当采集完一个周期后单片机停止采集，并把采集的数据进行保存，等待发送。
无线通讯模块，当单片机完成采集后，通过无线发射模块，把单片机缓存器中的数据按照一定的传送速度发送，无线接收模块把数据上传到上位机。无线通讯模块还负责传送上位机发送的采集指令。
上位机主要负责对信号进行滤波，FFT变换，相关运算处理，如果有泄漏，给出漏点的具体位置，并在管网图上直观标出具体位置，向有关工作人员发送短信预警信息。
系统的整体方案如图3。
数据采集层：此层选用IEPE型压电式加速度传感器、STM32单片机。传感器、单片机集成于一个整体，安装方式采用磁吸式安装，采集模块直接通过磁铁吸附在管道或阀门的正上方。当单片机接收到上位机发送的采集信号时，单片机进行复位操作后启动A/D转换，单片机的采样频率为5000HZ，并将采集数据缓存在单片机的内部存储器中，当单片机完成数据发送等一些列工作后单片机自动进入待机模式，等待下次采样信号的唤醒。采集模块供电方式选用24V锂电池进行供电。
无线通讯层：此层无线模块选用SI4463无线通讯模块，通过SPI协议与单片机进行数据交换。无线模块工作频率设定为433MHZ，传输速率为100Kb/s，当检测到无线网络空闲时，单片机和无线通讯模块协同工作以数据包形式将采集到的数据发送至无线中继站，再由中继站将数据上传至上位机的无线接收端，接收端通过上位机的USB端口将数据上传至上位机。
管理层：此层负责将收到的数据进行一系列拆包、合并等操作后依据传感器编号对数据进行归档。系统提取各待检测管道的相关传感器的归档数据依次进行处理并作相关分析。在上位机显示界面上通过组态软件显示检测范围的管网图，当相关分析后发现存在疑似泄漏点，直接在管网图上显示漏点的具体位置，并通过绿、黄、红三种颜色及百分数来显示发生泄漏的可信度，当可信度超出设定的阈值时，系统自动发出报警信号，打印出泄漏点的具体位置图，同时向相关工作人员发送预警信息。
Claims (8)
1.一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：包括数据采集层、无线通讯层及管理层；数据采集层包括压电式加速度传感器及单片机；压电式加速度传感器、单片机集成于一个整体，安装方式为磁吸式安装，传感器的采集模块直接通过磁铁吸附在管道或阀门的正上方；当单片机接收到上位机发送的采集信号时，单片机进行复位操作后启动A/D转换，单片机的采样频率为5000HZ，并将采集数据缓存在单片机的内部存储器中，当单片机完成一系列工作后单片机自动进入待机模式，等待下次采样信号的唤醒；采集模块供电方式为24V锂电池进行供电；无线通讯层包括无线通讯模块，通过SPI协议与单片机进行数据交换；无线通讯模块工作频率设定为433MHZ，传输速率为100Kb/s，当检测到无线网络空闲时，单片机和无线通讯模块协同工作以数据包形式将采集到的数据发送至无线中继站，再由无线中继站将数据上传至上位机的无线接收端，无线接收端通过上位机的USB端口将数据上传至上位机；管理层负责将收到的数据进行一系列拆包、合并操作后依据传感器编号对数据进行归档；管理系统模块提取各待检测管道的相关传感器的归档数据依次进行处理并作相关分析；在上位机显示界面上通过组态软件显示检测范围的管网图，当相关分析后发现存在疑似泄漏点，直接在管网图上显示漏点的具体位置，并通过绿、黄、红三种颜色及百分数来显示发生泄漏的可信度，当可信度超出设定的阈值时，管理系统模块自动发出报警信号，打印出泄漏点的具体位置图，同时向相关工作人员发送预警信息；
该管道漏水自动化监测系统进行管道漏水自动化监测的方法为：通过IEPE型压电式加速度传感器采集管路的振动信号，通过单片机对信号进行A/D转换、存储，通过无线发射模块给采集的信号发送到中继站，中继站接受到多路振动信号后进行打包处理，集中发送到无线接受模块，上传至上位机；上位机对信号及时运算处理，发现异常情况，在管网运行图上标出异常点，给出具体位置，并向相关工作人员发送预警信息；其中当无线接受模块给数据上传到上位机后，上位机首先给数据进行存储，然后对数据进行滤波，作FFT变换，对相邻的两路信号作相关分析；在上位机界面上通过组态软件显示检测范围的管网图；两两进行相关分析后发现有漏点，直接在管网图上标出漏点的具体位置，并给出发生泄漏的可信度，当可信度超过设定范围时，立刻向有关工作人员发送预警信息。
2.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：压电式加速度传感器为IEPE型压电式加速度传感器，该传感器底端装有磁铁，直接吸附在管道或阀门上，传感器的输出端直接与单片机相连，传感器采集管路的振动信号。
3.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：压电式加速度传感器的安装距离为200米一个，选择管道的上表面进行安装，或直接安装在阀门上。
4.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：压电式加速度传感器与单片机相连，采用同轴电缆对压电式加速度传感器供电并实现信号的传输。
5.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：单片机为STM32单片机，设置单片机的采样频率为5000HZ，该单片机可以为传感器提供24V电压，并实现对传感器输出的模拟信号进行A/D转换，设定单片机的采样周期为3S，当单片机完成采样后自动停止工作，进入待机模式，等待下次采样指令唤醒，当单片机完成一个采样周期后，把采集的信号自动放入数据缓存器中，等待无线发射。
6.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：无线通讯模块为SI4463无线通讯模块，设定该SI4463无线通讯模块的发送频率为433MHZ，当单片机完成采集后无线通讯模块自动开启，把采集的信号上传到中继站，当中继站接受到多路信号后，集中进行打包，统一上传到无线接受端。
7.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：无线通讯层还负责传输上位机发送的采集指令，当单片机收到采集指令后立刻唤醒进行采集。
8.如权利要求1所述的一种管道漏水自动化监测系统，其特征在于：传感器、单片机、无线发射模块集成于一个整体，用不锈钢材质作为壳体，壳体具有可固定孔，用于固定在管道或阀门上，以达到防盗的作用。
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