CN109506796B - 基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统 - Google Patents

基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，包括：岩棉保温层，包覆在管道进出站内的管道壁外部；保护层，包覆在所述岩棉保温层外部；多个管壁温度传感器，环设在管道外壁，且置于所述岩棉保温层内部，且每个管壁温度传感器上均固定ZigBee收发模块；环境温度传感器，固定在所述保护层外部，并带有ZigBee收发模块；采集器，设有ZigBee总收发模块和NB‑IoT收发模块，所述ZigBee总收发模块与各个传感器上的ZigBee收发模块组成局域网；所述ZigBee总收发模块通过所述NB‑IoT收发模块与外部云服务器连接。本发明可实现对管道的非接触式温度测量。

Description

基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统
技术领域
本发明属于窄带物联网技术领域，特别涉及一种基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统。
背景技术
由于管道输送途中站点间的距离比较远，而且管道所处的外界环境很恶劣，所以需要在各个站点(即管道进出站)对介质进行预热处理，而为了将管道内介质保持在一定的温度，需要对管道预热后的温度进行检测。而传统测温手段都是直接测管道内介质温度，这种方法需要在管道上开孔，开孔会造成泄漏等事故，对管道的强度有影响，而且这种测温方法的成本较其他方法的成本较高。目前可以探索非接触式的温度测量方式，避免开孔等对管道的结构造成损伤，也可以开发出更节约的测温方法。
最近，窄带物联网技术取得了很大的发展，成为了如今比较流行的物联网技术。它与传统的数据传输方法相比，具有一些明显的优势：1)低成本；2)电信级，3)高可靠性4)高安全性。5)可以远程实时的对温度进行监测。传统的管道测温系统需要人为巡检，每天固定的时间去读取每个表的数据，这种方法不仅费时，而且成本很高，不能远程实时的对进出站点的油温进行监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中上述缺陷，提供一种非接触可实时远程测温的管道进出站测温系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，包括：
岩棉保温层，包覆在管道进出站内的管道壁外部；
保护层，包覆在所述岩棉保温层外部；
多个管壁温度传感器，环设在管道壁上，并置于所述岩棉保温层内部，且每个管壁温度传感器上均固定ZigBee收发模块；
环境温度传感器，固定在所述保护层外部，并带有ZigBee收发模块；
采集器，设有ZigBee总收发模块和NB-IoT收发模块，所述ZigBee总收发模块与各个传感器上的ZigBee收发模块组成局域网；所述ZigBee总收发模块通过所述NB-IoT收发模块与外部云服务器连接。
接上述技术方案，所述管壁温度传感器的感温芯片贴设在管道壁上。
接上述技术方案，所述岩棉保温层内设有保温填充物。
接上述技术方案，该系统还包括中继装置，用于增强各个传感器之间数据的串接。
本发明还提供了一种基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温方法，该方法基于上述系统，包括以下步骤：
环境温度传感器和多个管壁温度传感器将测量的温度数据通过ZigBee收发模块发送给采集器的ZigBee总收发模块；
采集器采集温度数据并通过NB-IoT收发模块将采集数据发送给外部云服务器；
外部云服务器根据待测的管道介质温度，管壁温度传感器测得的管壁温度以及环境温度传感器测得的外界环境温度，标定温差的静态关联系数和动态关联系数，再将静态分量和动态载荷分量叠加在一起，计算出动态的管道介质温度。
接上述技术方案，该方法还包括步骤：
采用中继装置增强各个传感器之间数据的串接。
本发明产生的有益效果是：本发明采用非接触式的管道测温方式，利用实验能够验证的算法通过管壁温度计算出管道内油温，可以通过非接触的测量方式实现对管道内介质温度的精确测量；并利用目前新起的窄带物联网技术进行测温系统中的数据传输，可以实时远程的对进出站附近的管道温度监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统的管道壁截面示意图；
图2是本发明实施例于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，本发明的基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，包括：
岩棉保温层3，包覆在管道进出站10内的管道壁2外部；
保护层4，包覆在所述岩棉保温层3外部；保护层的设置可避免岩棉材料受损，也是为了达到更好的保温效果。
多个管壁温度传感器8，环设在管道外的所述岩棉保温层3内部，且每个管壁温度传感器上均固定ZigBee收发模块11；
环境温度传感器6，固定在所述保护层外部4，并带有ZigBee收发模块；环境温度传感器6用于测量外界环境7的温度。
采集器12，设有ZigBee总收发模块和NB-IoT收发模块，所述ZigBee总收发模块与各个传感器上的ZigBee收发模块组成局域网；所述ZigBee总收发模块通过所述NB-IoT收发模块与外部云服务器14连接。
管壁温度传感器8可采用电类温度传感器，该类传感器采用的是精度很高的电类感温芯片，它的测量精度比普通的温度传感器的精度要高，可以准确的测量环境温度和保温层内部的温度。电类温度传感器的大部分结构采用的由不锈钢外壳进行封装，感温芯片是露在外面的，温度传感器的感温芯片与管道表面紧密接触，所以温度传感器与管道表壁的热传导性能很好。
保温层材料为岩棉，岩棉保温层的设计厚度为40mm，保温层选择岩棉主要是由于岩棉的导热系数很低，岩棉材料是A级防火保温材料，可以保证安全。为了提升保温效果，岩棉保温层内设有保温填充物。
本发明的一个实施例中，将带有ZigBee收发模块的管壁温度传感器用机械的方法固定在管壁上，充分接触管道的外壁，然后将传感器封装在保温层内，外部放置带有ZigBee收发模块的环境温度传感器。为保证局域网范围内的温度传感器的数据能够顺利的收发，在信号可能丢失的地方添加中继装置，增强各个传感器之间数据的串接。多个温度传感器和采集器之间形成ZigBee局域网，传感器的温度数据通过ZigBee网络传输至带有ZigBee收发模块和NB-IoT收发模块的采集器，采集器再通过NB-IoT行业通信规约即公共网络13将数据传输至云服务器，再通过互联网将数据传输至监控平台16和手机APP17，然后将数据输入软件进行计算，计算出相应的管道内介质的油温。
管道中介质加热然后运输会形成管道表面与管道介质的自适应温差，使整个管道整体趋向于热平衡。温度传感器贴紧在管道表面，通过对管道表面的散热形成局部的约束，使得管道内的介质温度T0，管壁处的温度为T1，外界环境温度为T2，这三个温度场形成适应热平衡的温度梯度。由于外界的环境温度会随着时间动态变化，所以介质内的温度也是一个动态量。所以测试出保温层内外温度变化的速度，并标定关联系数，再通过叠加静态分量和动态分量就可以计算出管道介质的温度。
两个温度传感器分别嵌在保温层内、外侧，用于对保温层内、外侧温差的精确测量。标定匹配管道型号的温度梯度关系K1，就可得到静态平衡状态下的管道介质温度。由于管道处于工作状态下，环境因素随时间动态变化，所以载态的分量与静态的分量叠加在一起。计算保温层内、外两侧温度随时间变化的速度，并标定关联系数K2就得到载态变化量分量，从而计算出管道内介质的温度。
Figure BDA0001911862710000041
其中：T0为计算的管道介质温度,T1为管壁温度,T2为外界环境温度，
Figure BDA0001911862710000051
为保温层内外两侧温度随时间变化的一阶导数。K1为静态系数，K2为动态系数。
实验室的实验主要是用来标定K1和K2,所以首先进行的是ANSYS的仿真分析，要确定的是管道材料和壁厚，然后保温的密封性要达到要求。在这两个条件满足的前提下，环境温度就会是最大的影响因素。所以需要分别从低温-20℃到常温30℃，再到高温50℃，三种环境温度下去标定静态系数K1和动态系数K2。当找到规律后，再进行更小温差变化下的温度标定。
ANSYS分析标定完，有了不同环境的静态和动态系数后，再进行实物的模拟。在温控箱下对模拟管道的水桶进行实验，首先是确定保温层的完整密封，然后改变环境温度，保持桶内水温保持恒定。然后进行动态和静态系数的标定。这一步主要是对仿真理想环境数据的一个实验验证。
当实验室做完试验后，下一步就是实物的测量，主要是进行在真实的外界环境下进行实验。通过夏天和冬天环境温度的温差变化，进一步对整个系统的标定系数K1和K2进行修正，从而获得较为可靠的静态和动态系数。
然后是分析误差来源，第一误差来源为环境温度影响(ATE)：环境温度与管道内液体的温度差值越大，误差越大。第二误差来源：传感器的精度(SA)：传感器的精度误差。第三误差来源：仪表的精度误差(DA)：仪表的扫描频率和精度会带来误差。而这些误差需满足以下条件:管道介质在管道内是充满的，液体与管道是充分接触的，而且液体的温度不能快速的发生变化，不能急剧的升温或降温，处于一个相对稳定的温度场。环境温度也应该是处于一个相对稳定的状态。保温层一定要密封好：每次装拆保温层都有一些不同，保温层的密封性好坏会带来误差。
最后将整个系数制作为列表，输入上位机软件中去，从而获得较为精准的测试公式。这个公式制成一套算法，然后制作一套系统的软件，安装在用户所直接面对的电脑和移动设备上面。从而用户可以直观获取管道介质的温度。按照要求制作高精度的电类温度传感器，使得其性能能够满足管道测温的需求。然后将传感器通过金属固定的方法固定在管壁上来测试管壁处的温度。
将电类温度传感器通过岩棉保温层进行保温处理，并在保温层内填充一些保温材料，对管壁处的温度传感器进行保温处理。
将保温层外再布一层保护层，对岩棉保温层进行保护，防止岩棉的保温层被破坏，并进一步实现保温的效果。
外界环境温度传感器布置于保温层外，通过中继的装置将多个处在局域网的温度传感器进行连接和数据的共享，然后将数据传输至ZigBee收发模块，然后通过采集器的ZigBee收发模块和NB-IoT收发模块将数据通过Internet15传输至云平台，然后通过从云平台获取的数据输入设计好的软件里面，然后通过公式计算出相应的温度数据。
本发明还提供了基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温方法，该方法基于上述实施例的系统，包括以下步骤：
环境温度传感器和多个管壁温度传感器将测量的温度数据通过ZigBee收发模块发送给采集器的ZigBee总收发模块；
采集器采集温度数据并通过NB-IoT收发模块将采集数据发送给外部云服务器；
外部云服务器根据待测的管道介质温度，管壁温度传感器测得的管壁温度以及环境温度传感器测得的外界环境温度，标定温差的静态关联系数和动态关联系数，再将静态分量和动态载荷分量叠加在一起，计算出动态的管道介质温度。
该方法还包括步骤：
采用中继装置增强各个传感器之间数据的串接。
综上，本发明主要通过管壁温度传感器和外界环境温度传感器分别测试保温层内外的温度，通过一定的关系计算管壁内介质的温度，实现对管道的非接触式温度测量。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，其特征在于，包括：
岩棉保温层，包覆在管道进出站内的管道壁外部；
保护层，包覆在所述岩棉保温层外部；
多个管壁温度传感器，环设在管道外壁，且置于所述岩棉保温层内部，且每个管壁温度传感器上均固定ZigBee收发模块；
环境温度传感器，固定在所述保护层外部，并带有ZigBee收发模块；
采集器，设有ZigBee总收发模块和NB-IoT收发模块，所述ZigBee总收发模块与各个传感器上的ZigBee收发模块组成局域网；所述ZigBee总收发模块通过所述NB-IoT收发模块与外部云服务器连接；
计算模块，用于根据采集的数据计算保温层内、外两侧温度随时间变化的速度，并标定关联系数得到载态变化量分量，从而计算出管道内介质的温度：
Figure FDA0002761914160000011
其中：T0为计算的管道介质温度,T1为管壁温度,T2为外界环境温度，
Figure FDA0002761914160000012
为保温层内外两侧温度随时间变化的一阶导数，K1为静态系数，K2为动态系数；在确定管道材料和壁厚，以及保温的密封性达到要求后，分别从低温-20℃到常温30℃，再到高温50℃，三种环境温度下标定静态系数K1和动态系数K2。
2.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，其特征在于，所述管壁温度传感器的感温芯片贴设在管道壁上。
3.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，其特征在于，所述岩棉保温层内设有保温填充物。
4.根据权利要求1所述的基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，其特征在于，该系统还包括中继装置，用于增强各个传感器之间数据的串接。
5.一种基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温系统，包括以下步骤：
环境温度传感器和多个管壁温度传感器将测量的温度数据通过ZigBee收发模块发送给采集器的ZigBee总收发模块；
采集器采集温度数据并通过NB-IoT收发模块将采集数据发送给外部云服务器；
外部云服务器根据待测的管道介质温度，管壁温度传感器测得的管壁温度以及环境温度传感器测得的外界环境温度，标定温差的静态关联系数和动态关联系数，再将静态分量和动态载荷分量叠加在一起，计算出动态的管道介质温度。
6.根据权利要求5所述的基于窄带物联网技术的管道进出站非接触式测温方法，其特征在于，该方法还包括步骤：
采用中继装置增强各个传感器之间数据的串接。
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