CN110058070A - 数据采集设备及在线监控系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种数据采集设备，包括：电流传感模块，用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值；电压采集模块，用于测量所述牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值；无线网络通信模块，用于按预设频率将采集到的所述牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值及电压值发送到服务器。上述数据采集设备能够同时测量牺牲阳极与管道不同位置之间的多组电流值和电压值，提高了对牺牲阳极剩余寿命评估的精确性。同时，由于不再需要多台设备进行测量，有效降低了测量成本。
Description
技术领域
本发明涉及管道防腐领域，特别是数据采集设备及在线监控系统。
背景技术
填埋在城市地下用于运输燃气、石油等能源或用于供暖的管道一般采用不锈钢等金属材料制成。由于地下环境较为复杂，潮湿酸碱等因素很容易造成管道腐蚀受损，从而导致管道内装物泄露，对人们的生命财产安全构成威胁。目前采取的管道防腐方式主要是在管道上外接更为活泼的金属(即牺牲阳极)，使得环境对管道的腐蚀表现为对牺牲阳极的腐蚀，从而保护管道。一旦牺牲阳极被腐蚀完毕，管道将因此失去保护。牺牲阳极的腐蚀速度与环境息息相关，且一般被埋在地下，因此不容易及时观察其剩余质量。当牺牲阳极被消耗完毕时，管理者很难及时得知。因此，对管道牺牲阳极的剩余寿命进行实时在线监控具有重要意义。
传统的管道牺牲阳极剩余寿命监控系统是在牺牲阳极和管道之间的连线上选取一组测量点，并在两个测量点之间外接已知阻值的采样电阻，通过测量采样电阻两端的电压计算得到流过电阻的电流，也就是牺牲阳极和管道之间的电流。根据牺牲阳极和管道之间的电流计算腐蚀反应过程中发生转移的电子的数量，进而结合化学反应式确定参与腐蚀反应的牺牲阳极原子数量，计算牺牲阳极的消耗质量，并最终得到牺牲阳极的剩余质量。
在实现传统技术的过程中，发明人发现至少存在以下问题：牺牲阳极与管道之间的布线情况较为复杂，如果仅在牺牲阳极和管道之间的连线上选取一个测量点，测量结果不够精确。一旦需要测量多个测量点就需要设置多台设备，提高了测量成本。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够同时准确测量多组牺牲阳极与管道之间电压值与电流值的数据采集设备及在线监控系统。
本申请提供一种数据采集设备，包括：
电流传感模块，用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值；
电压采集模块，用于测量所述牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值；
无线网络通信模块，用于按预设频率将采集到的所述牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值及电压值发送到服务器。
在其中一个实施例中，还包括：
电压转换芯片，用于按预设时间间隔断开所述无线网络通信模块和电流传感模块的电源；
主控芯片，用于按预设时间间隔激活所述无线网络通信模块和电流传感模块的电源。
在其中一个实施例中，还包括:
时钟模块，用于产生时钟信号，提供实时时间。
在其中一个实施例中，所述电流传感模块包括至少两个霍尔电流传感器。
在其中一个实施例中，所述霍尔电流传感器为开环电流传感器、闭环电流传感器中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述无线网络通信模块为GPRS无线通信模块、3G无线通信模块、4G无线通信模块、WIFI无线通信模块中的至少一种。
本申请还提供一种在线监控系统，包括如上所述的数据采集设备以及服务器，
所述数据采集设备用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的信号数据，并发送给服务器；
所述服务器用于接收所述信号数据，并根据所述信号数据确定所述牺牲阳极的剩余寿命。
在其中一个实施例中，还包括：前端交互设备，用于供用户在线查看所述服务器中牺牲阳极的剩余寿命。
在其中一个实施例中，所述服务器还用于当所述牺牲阳极的剩余寿命达到预设阈值时，向所述前端交互设备发送报警信息。
在其中一个实施例中，所述信号数据包括所述牺牲阳极与所述管道不同位置之间的电流值及电压值。
上述数据采集设备及在线监控系统能够同时测量牺牲阳极与管道不同位置之间的多组电流值和电压值，提高了对牺牲阳极剩余寿命评估的精确性。同时，由于不再需要多台设备进行测量，有效降低了测量成本。
附图说明
图1为本申请的一个实施例提供的数据采集设备的结构图；
图2为本申请的另一个实施例提供的数据采集设备的结构图；
图3为本申请的一个实施例提供的在线监控系统的架构图；
图4为本申请的另一个实施例提供的在线监控系统的架构图。
101 电流传感模块
102 电压采集模块
103 无线网络通信模块
104 控制模块
105 外壳
106 电池
200 服务器
300 前端交互设备
301 图形交互界面
310 用户计算机
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
填埋在地下用于运输能源或用于供暖的管道一般由金属材料制成，容易受到腐蚀。主流的防腐方式是在管道上外接牺牲阳极，通过腐蚀牺牲阳极保护管道。然而，由于牺牲阳极填埋在地下，人们很难及时观察其腐蚀情况。
本申请的一个实施例，如图1所示，提供了一种数据采集设备100，包括：电流传感模块101、电压采集模块102和无线网络通信模块103，其中：
电流传感模块101，用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值。
电压采集模块102，用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值。
无线网络通信模块103，用于按预设频率将采集到的牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值及电压值发送到服务器。
具体地，电流传感模块101具有多个输出端口，用于连接不同牺牲阳极与管道连线上的不同测量点，从而实现牺牲阳极与管道不同位置之间的电流测量。电压采集模块102具有多个通道，能够测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值。无线网络通信模块103则可以是GPRS无线通信模块、3G无线通信模块、4G无线通信模块或WIFI无线通信模块。
上述数据采集设备100能够同时测量牺牲阳极与管道不同位置之间的多组电流值和电压值，提高了对牺牲阳极剩余寿命评估的精确性。同时，由于不再需要多台设备进行测量，有效降低了测量成本。
在其中一个实施例中，电流传感模块101包括至少两个霍尔电流传感器。
具体地，每个霍尔电流传感器可以测量牺牲阳极与管道之间一个测量点的电流值。因此，通过多个霍尔电流传感器就能够测量牺牲阳极与管道不同位置之间的多个电流值。
霍尔电流传感器从霍尔元件的电流控制端通入电流，并在霍尔元件所处平面的法线方向上施加磁场。根据霍尔效应原理，霍尔元件两个端面之间形成的霍尔电压正比于电流控制端通入的电流。因此，可以通过测量霍尔电压的大小得到电流控制端的电流大小。
可选地，这里的霍尔电流传感器可以是开环电流传感器(即直放式电流传感器)，也可以是闭环电流传感器(即磁平衡式电流传感器)。
在一个实施例中，以霍尔电流传感器为开环电流传感器为例进行说明。在本实施例中，从每个开环电流传感器的磁环中引出一根导线作为检测线，将不同开环电流传感器的检测线通过输出端口连接到不同牺牲阳极与管道连线的不同测量点上，使得检测线内通入待测电流。待测电流在周围产生磁场。在磁场作用下，磁环气隙处的霍尔元件在两个端面之间产生霍尔电压。通过测量霍尔电压就能够进一步计算得到正比于霍尔电压的检测线电流，也就是牺牲阳极与管道之间一个测量点的电流。
在另一个实施例中，以霍尔电流传感器为闭环电流传感器为例进行说明。闭环电流传感器与开环电流传感器的不同在于，磁环上缠绕有副边补偿线圈。在本实施例中，在闭环电流传感器的磁环上缠绕导线作为检测线。其中，检测线与副边补偿线圈分别缠绕在磁环的相对侧。将不同闭环电流传感器的检测线通过输出端口连接到不同牺牲阳极与管道连线的不同测量点上，使得检测线内通入待测电流。待测电流在周围产生磁场。副边补偿线圈产生的磁场与待测电流产生的磁场大小相等、方向相反，从而使磁环气隙处的霍尔元件处于磁平衡状态。检测线内的待测电流和检测线匝数之积与副边补偿线圈内的电流和其匝数之积相等。副边补偿线圈的电流可以通过测量霍尔元件的霍尔电压进一步计算得出。通过副边补偿线圈的电流和匝数就能够进一步计算得到检测线电流，也就是牺牲阳极与管道之间一个测量点的电流。
在本实施例中，数据采集设备100采用霍尔电流传感器，不再需要将电阻接入管道及牺牲阳极构成的回路中，能够实现非接触式的检测，不会对原有的被测信号造成影响，测量结果较为准确。此外，通过预先在电流传感模块101内布置检测线，可以避免将牺牲阳极与管道连线直接插入磁环或缠绕在磁环上的不便操作，提高了测量效率。
在其中一个实施例中，电压采集模块102可以是多通道电压采集模块，在本实施例中，以电压采集模块102采用AD7606芯片为例进行说明。
AD7606芯片是16位同步采样AD芯片。不同型号的AD7606芯片通道数量不同，可以是8通道，可以是6通道，也可以是4通道。在一个实施例中，AD7606多通道电压采集模块具有6个采集通道。其中，至少两个采集通道用于测量电流传感模块101中霍尔元件的霍尔电压，剩余的采集通道用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值。
在本实施例中，数据采集设备100通过采用具有16位模数转换电路的AD7606芯片作为电压采集模块102，提高了采集到的电压数据的可靠性。
在其中一个实施例中，无线网络通信模块103为GPRS无线通信模块、WIFI无线通信模块、4G移动数据通信模块中的至少一种。因此，无线网络通信模块103能够将实时采集的牺牲阳极与管道之间的电压电流数据发送给服务器200，以使服务器200能够对电压电流数据进行存储和计算。
在其中一个实施例中，数据采集设备100还包括电压转换芯片和主控芯片。
电压转换芯片，用于按预设时间间隔断开无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源。
主控芯片，用于按预设时间间隔激活无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源。
预设时间间隔指的是数据采集设备100的一个工作周期，也就是数据采集设备100完成牺牲阳极与管道之间电压电流数据的采集和发送，并进行休眠的完整过程所需要的时间。
在一个实施例中，假设数据采集设备100以一分钟为工作周期。在一个工作周期中，数据采集设备100首先对牺牲阳极与管道之间的电压电流数据进行采集和发送，接着电压转换芯片断开无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源，使数据采集设备进入休眠状态。在休眠状态下，数据采集设备100的工作电流小于1mA。当下一个工作周期到来时，主控芯片激活无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源，数据采集设备100进入工作状态，再次对牺牲阳极与管道之间的电压电流数据进行采集和发送。
在本实施例中，数据采集设备100通过电压转换芯片和主控芯片实现了工作状态和休眠状态的转换，有效降低了功耗。此外，本实施例提供的数据采集设备100相较于采用低功耗器件组装的数据采集设备，降低了设计成本。
在其中一个实施例中，数据采集设备100还包括时钟模块。时钟模块用于产生时钟信号，提供实时时间，从而使电压转换芯片和主控芯片能够按预设时间间隔断开和激活无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源。
具体地，时钟模块可以是RTCC(Real Time Clock and Calender，实时时钟和日历)时钟模块。
在其中一个实施例中，数据采集设备100还包括控制模块104。控制模块104与上述电流传感模块101、电压采集模块102及无线网络通信模块103电连接。这里的控制模块104相当于数据采集设备100的中央处理器，用于从整体上控制电流传感模块101、电压采集模块102及无线网络通信模块103的行为。
具体地，控制模块104可以是PIC24微控制器。
在一个具体的实施例中，如图2所示，数据采集设备100主要包括电流传感模块101，电压采集模块102，无线网络通信模块103以及控制模块104。在本实施例中，以电流传感模块101采用两个霍尔电流传感器为例进行说明，通过测量霍尔元件的霍尔电压计算得到正比于霍尔电压的待测电流，也就是牺牲阳极与管道之间一个测量点的电流。电压采集模块102采用具有6个数据采集通道的AD7606芯片。其中，两个数据采集通道用于测量电流传感模块101中霍尔元件的霍尔电压，剩余的采集通道用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值。无线网络通信模块103为GPRS无线通信模块、WIFI无线通信模块、4G移动数据通信模块中的至少一种。无线网络通信模块103能够将实时采集的牺牲阳极与管道之间的电压电流数据发送给服务器，以使服务器能够对电压电流数据进行存储和计算。控制模块104采用PIC24微控制器，相当于数据采集设备100的中央处理器，用于从整体上控制电流传感模块101、电压采集模块102及无线网络通信模块103的行为。
数据采集设备100还包括电压转换芯片和主控芯片。其中，电压转换芯片用于按预设时间间隔断开无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源。主控芯片用于按预设时间间隔激活无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源。在一个工作周期中，数据采集设备100首先对牺牲阳极与管道之间的电压电流数据进行采集和发送，接着电压转换芯片断开无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源，使数据采集设备进入休眠状态。在休眠状态下，数据采集设备的工作电流小于1mA。当下一个工作周期到来时，主控芯片激活无线网络通信模块103和电流传感模块101的电源，数据采集设备进入工作状态，再次对牺牲阳极与管道之间的电压电流数据进行采集和发送。
在一个实施例中，数据采集设备100还包括用于容纳所有模块的外壳105；也可以包括用于为整个设备供电的电池106；该数据采集设备100还可以包括输出端口107，从而可以将不同霍尔电流传感器的检测线分别连接到输出端口107，进而与不同的牺牲阳极与管道连线相连以对相应测量点的电流进行检测，避免了将牺牲阳极与管道连线直接插入磁环或缠绕在磁环上的不便操作，提高了测量效率。
本申请的一个实施例提供一种在线监控系统，如图3所示，用于监测管道牺牲阳极剩余寿命，包括：
如上所述的数据采集设备100，用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的信号数据，并发送给服务器200。
服务器200，用于接收信号数据，并根据信号数据确定牺牲阳极的剩余寿命。
其中，信号数据包括牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值及电压值。服务器200可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
详细地，数据采集设备100通过输出端口连接到不同牺牲阳极与管道连线的不同测量点上，测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电压和电流数据，并按照预设频率将采集到的牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据发送给服务器200。服务器200接收到牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据后，根据预设算法确定牺牲阳极的剩余寿命。
在其中一个实施例中，在线监控系统还包括：前端交互设备300。前端交互设备300用于供用户在线查看服务器200中牺牲阳极的剩余寿命。
其中，前端交互设备300可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。
在一个实施例中，用户主动通过前端交互设备300查询牺牲阳极的剩余寿命。
详细地，用户通过前端交互300设备登录服务器200，服务器200通过前端交互设备300的图形交互界面301呈现用户查询的牺牲阳极剩余寿命。值得注意的是，用户也可以通过前端交互设备300查询牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据。
在另一个实施例中，服务器200主动向前端交互设备300推送牺牲阳极的剩余寿命。
详细地，服务器200根据数据采集设备300采集到的牺牲阳极与管道之间的电压和电流值计算得到牺牲阳极的寿命以后，主动向前端交互设备300推送牺牲阳极的寿命信息。前端交互设备300通过图形交互界面301呈现上述牺牲阳极寿命信息，以供用户查看。值得注意的是，服务器200也可以直接推送牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据。
在其中一个实施例中，上述服务器200还用于当牺牲阳极的剩余寿命达到预设阈值时，向前端交互设备300发送报警信息。
详细地，服务器200根据数据采集设备100采集到的牺牲阳极与管道之间的电压和电路数据确定牺牲阳极的剩余寿命后，将其与预设阈值进行比较。当牺牲阳极的剩余寿命小于或等于该预设阈值时，服务器200向前端交互设备300发送报警信息，提示用户及时补充或更换现有的牺牲阳极。
在一个具体的实施例中，在线监控系统包括数据采集设备100、服务器200以及用户计算机310。数据采集设备100通过输出端口连接到不同牺牲阳极与管道连线的不同测量点上，利用电流传感模块101和电压采集模块102分别测量牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据。接着，数据采集设备100通过无线网络通信模块103将上述电压和电流数据发送给服务器200。服务器200接收上述电压和电流数据，并根据预设算法确定牺牲阳极的剩余寿命。服务器200将得出的牺牲阳极剩余寿命与预设阈值进行比较，当牺牲阳极的剩余寿命小于或等于该预设阈值时，服务器200向用户计算机310发送报警信息，用户计算机310通过图形交互界面301呈现提示信息，提醒用户及时补充或更换现有的牺牲阳极。值得注意的是，服务器200也可以直接推送牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据。当用户需要查询牺牲阳极的剩余寿命信息时，用户可以通过用户计算机310登录服务器200，在线查看牺牲阳极的剩余寿命。值得注意的是，用户也可以通过用户计算机310查询牺牲阳极与管道之间的电压和电流数据。
上述数据采集设备100及在线监控系统能够同时测量牺牲阳极与管道不同位置之间的多组电流值和电压值，提高了对牺牲阳极剩余寿命评估的精确性。同时，由于不再需要多台设备进行测量，有效降低了测量成本。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种数据采集设备，其特征在于，包括：
电流传感模块，用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值；
电压采集模块，用于测量所述牺牲阳极与管道不同位置之间的电压值；
无线网络通信模块，用于按预设频率将采集到的所述牺牲阳极与管道不同位置之间的电流值及电压值发送到服务器。
2.根据权利要求1所述的数据采集设备，其特征在于，还包括：
电压转换芯片，用于按预设时间间隔断开所述无线网络通信模块和电流传感模块的电源；
主控芯片，用于按预设时间间隔激活所述无线网络通信模块和电流传感模块的电源。
3.根据权利要求2所述的数据采集设备，其特征在于，还包括:
时钟模块，用于产生时钟信号，提供实时时间。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的数据采集设备，其特征在于，所述电流传感模块包括至少两个霍尔电流传感器。
5.根据权利要求4所述的数据采集设备，其特征在于，所述霍尔电流传感器为开环电流传感器、闭环电流传感器中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的数据采集设备，其特征在于，所述无线网络通信模块为GPRS无线通信模块、3G无线通信模块、4G无线通信模块、WIFI无线通信模块中的至少一种。
7.一种在线监控系统，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述的数据采集设备以及服务器，
所述数据采集设备用于测量牺牲阳极与管道不同位置之间的信号数据，并发送给服务器；
所述服务器用于接收所述信号数据，并根据所述信号数据确定所述牺牲阳极的剩余寿命。
8.根据权利要求7所述的在线监控系统，其特征在于，还包括：前端交互设备，用于供用户在线查看所述服务器中牺牲阳极的剩余寿命。
9.根据权利要求8所述的在线监控系统，其特征在于，所述服务器还用于当所述牺牲阳极的剩余寿命达到预设阈值时，向所述前端交互设备发送报警信息。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的在线监控系统，其特征在于，所述信号数据包括所述牺牲阳极与所述管道不同位置之间的电流值及电压值。
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