CN111561965B - 一种空气蓄能罐故障监测装置及状态监测、测评方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种空气蓄能罐故障监测装置及状态监测、测评方法，空气蓄能罐故障监测装置包括空气蓄能罐和故障监测器，所述空气蓄能罐增设压力传感器、状态检测模块；所述故障监测器包括预设有监测程序的MCU模块，连接通讯模块、存储卡、人交互模块、报警LED灯和GPS模块；所述MCU模块为微处理单元，可判断空气蓄能罐故障和自动切换数据采集模式；MCU模块的逻辑处理程序，对于数据的记录存储和发送，分连续和定时两种模式。基于前述空气蓄能罐的故障监测方法，远程终端可对接收到的压力和液位或重量数据进行图形化处理，查看压力和罐内液位或重量的变化形态，并做出相应的调整措施。

Description

一种空气蓄能罐故障监测装置及状态监测、测评方法

技术领域

本发明涉及流体输送管道和压力设备，尤其涉及一种空气蓄能罐故障监测装置及状态监测、测评方法。

背景技术

空气蓄能罐是有压流输送管道中，安全防护功能最强大的管道保护设备，是唯一具有抑制管道水锤高压，和弥补水锤低压双重功效的水锤防护装置，同时由于其与主管道旁路贯通无泄压的优点，可避免清洁水水质污染和排水浪费，对于石油和其他介质输送管道，又可杜绝泄放造成的污染和排放回收设备投资。

空气蓄能罐在实际应用中，常见故障是压缩气体泄漏和内胆破裂，导致空气蓄能罐防护失效，如果不能及时监测发现故障和维护检修，就会造成重大泵站和管道安全事故。另外，空气蓄能罐在项目设计中，虽经过严格计算选型，但在投用后，由于管道施工高程、局部水头损失、管道材料摩阻系数和弹性模量等，都和设计数据以及理论值有一定偏差，造成空气蓄能罐防护性能达不到管道在瞬变流工况下的防护预期，需要进一步设置和调整。同时，常规RTU采集传输单元，一般只能做数据大于1秒的定时采集传输，无法提供连续的数据精确采集、存储和传送机制，从而无法判断空气蓄能罐的防护作用，并对其性能提出有效性评价和调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是针对空气蓄能罐的压缩气体泄漏、溃胆、低液位和超压故障，以及管道在瞬变流工况下，空气蓄能罐的防护状态，提供一种空气蓄能罐的故障监测装置和有效性评测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空气蓄能罐的故障监测装置，包括电源、空气蓄能罐、压力传感器、状态检测模块、故障监测器、天线、接线电缆和远程终端。压力传感器安装在空气蓄能罐的进出水管道上，状态检测模块设置于空气蓄能罐罐体，故障监测器固定在罐体或室内墙壁，并由接线电缆连接电源、压力传感器和状态检测模块。另外，故障监测器根据配置需要，有天线连接至井外或室外，或网线连接有线网络。

进一步地所述电源为市电、太阳能板和蓄电池。

进一步地所述状态检测模块为磁翻板液位计，其高压口连接空气蓄能罐底部进水口，低压口与空气蓄能罐的补气口连接导通，可提供空气蓄能罐内液位直观显示和模拟信号输出。

进一步地所述状态检测模块为差压变送器，其高压口连接空气蓄能罐底部进水口，低压口与空气蓄能罐的补气口连接导通，可提供罐内液位显示和模拟量信号输出。

进一步地所述状态检测模块为称重传感器，设置于罐体支腿，可计量罐内液体重量和提供模拟量信号输出。

进一步地所述压力传感器可检测相对正压和负压，在负0.01MPa至额定高压量程范围内有效测量管道压力，并输出模拟量信号或数字信号。

一种空气蓄能罐的故障监测装置和有效性监测方法，其特征在于，应用上述的故障监测器，包括设置在防水壳体内，预设有逻辑处理程序的MCU模块，由电路板连接通讯模块、存储卡、人交互模块、LED故障灯和GPS模块。在故障监测器侧，电路连接有用于检测管道内压力的压力传感器，和检测空气蓄能罐内液位的状态检测模块通讯模块，电源可为MCU模块提供电能，MCU模块编制有逻辑处理程序，用于采集压力信号和空气蓄能罐状态信号，控制和协调各个模块和故障灯工作，以及和远程终端的通讯。

进一步地所述故障监测器内的GPS模块可为MCU模块提供精确的授时、校时和定位功能，用于确保时间的准确性和地理定位信息。

进一步地所述故障监测器内的人机交互模块为蓝牙模块，可通过专门开发的智能手机端程序与MCU模块通讯，建立人机交互通道，就地显示报警信息和数据状态，设定MCU模块的限值参数和报警逻辑。

进一步地所述故障监测器内的人机交互模块为LCD显示屏和键盘，可就地显示报警信息和数据状态，设定MCU模块的控制参数和监测逻辑。

进一步地所述故障监测器的LED故障灯可现场显示空气蓄能罐报警类型，提示操作人员定性维护和排除故障。

进一步地所述故障监测器内的通讯模块根据现场应用条件，可采用工业通讯模块、无线模块或4G通讯传输模块，以有线或无线方式实现故障测控器与远程终端的数据传输和信息分类报警。

进一步地所述MCU模块为微处理单元，并编制有逻辑处理程序，可判断空气蓄能罐故障和自动切换数据采集模式；当通过状态检测模块，检测到高于设定的高液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和间隔时间条件下依然超出高液位阈值时，逻辑判断空气蓄能罐预充压不足故障，并开启LED故障灯中的气压故障灯，同时本地记录和向远程终端发送报警信息，提示操作人员空气蓄能罐压缩空气泄漏或内胆破裂。当通过状态检测模块，检测到低于设定的低液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和间隔时间条件下依然低于低液位阈值时，逻辑判断蓄能罐低液位故障，并开启LED故障灯中的低液位故障灯，同时本地记录和向远程终端发送报警信息，提示操作人员空气蓄能罐有低压损害风险。当MCU模块通过压力传感器检测到的压力，大于设定的高压力阈值或小于设定的低压力阈值时，经通讯模块和天线向远程终端发送超压报警信息，同时，故障监测器开启LED故障灯的超压故障灯，并本地记录报警信息至存储卡；

进一步地MCU模块的连续记录和发送是依靠高性能的MCU模块，以及特有的触发机制予以实现。MCU模块可外接8G以上大容量高速存储卡，并具有数据本地存储和SOCKET分包发送处理功能。

MCU模块的逻辑处理程序，对于数据的记录存储和发送，分连续和定时两种模式，常态下为定时采集上报模式，可定时采集、记录和传输空气蓄能罐的压力和液位数据至远程终端。

当MCU模块通过压力传感器，检测到管道压力在单位时间内的变化值大于触发阈值时，进入连续模式，可在设定的时间内连续记录压力和液位数据，保存至本地存储卡，并同时上传至远程终端。连续记录时长可设置。

进一步地所述远程终端，为布设在本地或云端的软件平台管理系统的空气蓄能罐管理模块，可通过故障监测器发送的压力波动和状态变化数据，进一步图形化合成处理，用于查看分析空气蓄能罐的补水和高压防护能力，重新设置空气蓄能罐的空气预充压和调整进出水管道面积等参数，或者提出再配置方案。

本发明的积极效果在于，通过故障监测器，能够对空气蓄能罐故障提供分类报警，便于维护人员及时检修和正确操作，并具有差异化的数据记录和传输功能，可在稳定运行条件下，定时上传空气蓄能罐的压力和状态数据，而在瞬态工况的触发条件下，可连续记录和上传空气蓄能罐的液位和压力数据至远程终端，既避免了大量的冗余数据，又可获得空气蓄能罐的完整的瞬态工况压力和液位数据，对于准确设置空气蓄能罐防护参数和再配置方案的确定具有重大意义。

附图说明

本发明的具体结构由以下的附图和实施例给出：

图1为本发明的实施例1的结构原理图；

图2为本发明的实施例2的结构原理图；

图3为本发明的一个实测和调整后的数据图；

图4为本发明的一个实测和调整后的数据图；

图5为远程终端接收到的开启压力偏高时合成压力和开启、最大和关闭节点的变化图；

图6为通过调整开启设定值，监测得到的压力和开启、最大及关闭节点合成变化图。

图例：1、空气蓄能罐，2、电源，3、压力传感器，4、状态检测模块，5、故障监测器，6、MCU模块，7、LED故障灯。8、人机交互模块，9、存储卡，10、通讯模块，11、天线，12、远程终端，13、有线网络。

具体实施方式

本申请不受下述实施例的限制，可根据本申请的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式，下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图1所示，一种空气蓄能罐的故障监测装置，包括空气蓄能罐1、电源2、压力传感器3、状态检测模块4、故障监测器5、天线11和远程终端12组成。故障监测器5包括电路板连接预设有监测程序的MCU模块6、LED故障灯7、人机交互模块8、存储卡9和通讯模块10，并封装在一个防水壳体内。

示例性的，状态检测模块4具体为磁翻板液位计，可直观显示空气蓄能罐1内的液位和提供模拟量输出。

示例性的，状态检测模块4具体为差压变送器，可显示空气蓄能罐1内的液位和提供模拟量输出。

示例性的，故障监测器5内的人机交互模块8具体为蓝牙模块，可通过专门开发的智能手机端的程序，与MCU模块6通讯，建立人机交互通道，就地显示报警信息和数据状态，设定MCU模块6的限值参数和报警逻辑。

示例性的，故障监测器5内的通讯模块10具体为无线模块或4G通讯传输模块，可以通过天线13实现故障监测器5与远程终端12的数据传输和信息分类报警。

应用图1实施例中的空气蓄能罐的故障监测装置和有效性评测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过智能手机端的开发程序与人机交互模块8（蓝牙模块）通讯，或经通讯模块10通过远程终端14，设定MCU模块6的高、低液位阈值，高、低压力阈值，重复比对参数、定时数据记录时间间隔值、瞬态工况压力波动触发设定值和连续记录时间值。

步骤2：当MCU模块6经状态检测模块4检测到液位高于设定的高液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和时间条件下，依然超出高液位阈值时，经通讯模块10和天线11向远程终端12发送预充压不足报警信息，故障监测器5点亮LED故障灯7的气压故障灯，同时本地记录报警信息至存储卡9。

步骤3：当MCU模块6经状态检测模块4检测到低于设定的低液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和时间条件下，依然低于低液位阈值时，经通讯模块10和天线11向远程终端12发送低液位报警信息，故障监测器5点亮LED故障灯7的低液位故障灯，同时本地记录报警信息至存储卡9。

步骤3：当MCU模块6通过压力传感器3检测到的压力，大于设定的高压力阈值或低于低压力阈值时，经通讯模块10和天线11向远程终端12发送超压报警信息，同时，故障监测器5开启LED故障灯7的超压故障灯，并本地记录报警信息至存储卡9。

步骤4：当管道的压力在单位时间内变化值大于MCU模块6的内部逻辑处理程序设定的波动阈值时，MCU模块6按设定时间连续记录压力和液位数据至存储卡9，并通过通讯模块10和天线11向远程终端12发送数据。

步骤5：管道压力正常状态下，MCU模块6经通讯模块10和天线11向远程终端12定时发送压力和液位数据。

实施例2：如图2所示，一种空气蓄能罐的故障监测装置，包括空气蓄能罐1、电源2、压力传感器3、状态检测模块4、故障监测器5、有线网络13和远程终端12组成。故障监测器5包括电路板连接预设有监测程序的MCU模块6、人机交互模块7、通讯模块8、存储卡9和GPS模块10，并封装在一个防水壳体内。

示例性的，状态检测模块3具体为称重传感器，可连续检测空气蓄能罐1的液体重量，并输出开关量信号至MCU模块6。

示例性的，故障监测器5内的通讯模块8具体为工业通讯模块，可以通过有线网络13实现故障监测器5与远程终端12的数据传输和信息分类报警。

示例性的，故障监测器5内的人机交互模块7具体为LCD显示屏和键盘，可就地显示报警信息和数据状态，设置MCU模块6的逻辑参数。

应用实施例中的先导式安全阀的增安控制装置和状态监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过人机交互模块7的键盘和LCD显示屏，或远程终端12经有线网络13通过通讯模块8，设定MCU模块6的液体重量高、低报警参数，重复比对参数，高压、低压报警参数，定时数据记录时间间隔值，瞬态工况压力波动触发设定值和连续记录时间值。

步骤2：当MCU模块6经状态检测模块4检测到液体重量高于液体重量高报警参数时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和间隔时间条件下，依然超出液体重量高报警参数时，经通讯模块8和有线网络13向远程终端12发送预充压不足报警信息，故障监测器5的LCD显示屏显示气压故障，同时本地记录报警信息至存储卡9。

步骤3：当MCU模块6经状态检测模块4检测到液体重量低于液体重量低报警参数，可多次比对设定值，在设定的比对次数和间隔时间条件下，依然小于液体重量低报警参数时，经通讯模块8和有线网络13向远程终端12发送低液位报警信息，故障监测器5的LCD显示屏显示低液位故障，同时本地记录报警信息至存储卡9。

步骤4：当MCU模块6通过压力传感器3，检测到压力大于设定的高压报警参数或低于低压报警参数时，经通讯模块8和有线网络13向远程终端12发送超压报警信息，同时，故障监测器5的LCD显示屏显示超压故障，并本地记录报警信息至存储卡9。

步骤5：当压力在单位时间内变化值，大于MCU模块6内部逻辑处理程序设定的波动阈值时，MCU模块6按设定时间连续记录压力和液体重量数据至存储卡9，并通过通讯模块8经有线网络13向远程终端12发送压力和液体重量数据。

步骤6：管道压力正常状态下，MCU模块6经通讯模块10和有线网络13向远程终端12定时发送压力和液体介质重量数据。

空气蓄能罐的有效性评测方法：通过实施例1和实施例2中的连续模式，远程终端12可对接收到的压力和液位或重量数据进行图形化处理，查看压力和罐内液位或重量的变化形态，并做出相应的调整措施。

如图3所示，空气蓄能罐的预充压是一个非常重要的设定参数，其预充压的高低取决于对高压或负压防护的偏向性，应对于负压防护时，应考虑空气蓄能罐补入管道的水的体积能够满足大于负压限值的要求，则预充压值应该设置较低值，以保证罐体有足够的水能补入管道，而应对于高压防护时，应考虑空气蓄能罐有足够的空气容量，保证高压水进罐后的缓冲空间。图3示例了管道中同一个节点设置空气蓄能罐，应对于高压防护时，上图为预充压低的压力和液位监测图，下图为预充压力调整后的压力和液位监测图，验证了通过监测数据调整预充压后，管道压力得到了较好的控制。

如图4所示，空气蓄能罐的进出水管直径是一个非常重要的调整参数，尤其是应用于对管道高压防护有更高的要求条件下，差异化的配置空气蓄能罐的进出口管径具有重大意义。图4示例了管道中同一个节点设置空气蓄能罐，上图为进出水管直径相同压力和液位监测图，下图为进出水管直径差异化调整后的压力和液位监测图，验证了通过监测数据调整空气蓄能罐的进出水直径，对管道系统的压力控制效果。

以上所述实施例仅为充分说明本发明而举的较佳的实施例和方法，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所做的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：包括电源、压力传感器、状态检测模块、故障监测器、天线、接线电缆和远程终端；

其中，压力传感器安装在空气蓄能罐的进出水管道上；

其中，状态检测模块设置于空气蓄能罐罐体；

其中，故障监测器固定在罐体或室内墙壁；

并由接线电缆连接电源、压力传感器和状态检测模块；另外，故障监测器根据配置需要，有天线连接至井外或室外，或网线连接有线网络；

所述压力传感器可检测相对正压和负压，在负0.01MPa至额定高压量程范围内有效测量管道压力，并输出模拟量信号或数字信号；

所述故障监测器包括设置在防水壳体内，预设有监测程序的MCU模块，由电路板连接通讯模块、存储卡、人机交互模块、LED故障灯和GPS模块；在故障监测器侧，电路连接有用于检测管道内压力的压力传感器，和检测空气蓄能罐内液位的状态检测模块，电源可为MCU模块提供电能，所述MCU模块为微处理单元，MCU模块编制有逻辑处理程序，用于采集压力信号和空气蓄能罐状态信号，控制和协调各个模块和故障灯工作，以及和远程终端进行通讯；

所述逻辑处理程序根据压力信号和液位信号可分类发送报警信息，并判断空气蓄能罐故障和自动切换数据采集模式，报警信息包括预充压不足报警信息、低液位报警信息、超压报警信息；MCU模块的逻辑处理程序，对于数据的记录存储和发送，分连续和定时两种模式；当管道的压力变化值大于MCU模块的逻辑处理程序设定的波动阈值时，MCU模块按设定时间连续采集、存储压力和液位数据至存储卡，并通过通讯模块和天线向远程终端发送数据；管道压力正常状态下，MCU模块经通讯模块和天线向远程终端定时发送压力和液位数据。

2.根据权利要求1所述的一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：所述状态检测模块为磁翻板液位计，其高压口连接空气蓄能罐底部进水口，低压口与空气蓄能罐的补气口连接导通，可提供空气蓄能罐内液位直观显示和模拟信号输出。

3.根据权利要求2所述的一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：所述状态检测模块为差压变送器，其高压口连接空气蓄能罐底部进水口，低压口与空气蓄能罐的补气口连接导通，可提供罐内液位显示和模拟量信号输出。

4.根据权利要求1所述的一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：所述状态检测模块为称重传感器，设置于罐体支腿，可计量罐内液体重量和提供模拟量信号输出。

5.根据权利要求1所述的一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：所述故障监测器内的人机交互模块为蓝牙模块，可通过专门开发的智能手机端程序与MCU模块通讯，建立人机交互通道，就地显示报警信息和数据状态，设定MCU模块的限值参数和报警逻辑。

6.根据权利要求1所述的一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：所述故障监测器内的人机交互模块为LCD显示屏和键盘，可就地显示报警信息和数据状态，设定MCU模块的控制参数和监测逻辑。

7.根据权利要求1所述的一种空气蓄能罐故障监测装置，其特征在于：所述故障监测器的LED故障灯可现场显示空气蓄能罐报警类型，提示操作人员定性维护和排除故障。

8.一种空气蓄能罐的故障监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过人机交互模块通讯，或经通讯模块通过远程终端，设定MCU模块的高、低液位阈值，高、低压力阈值，重复比对参数、常态存储发送数据时间间隔值、瞬态工况压力波动触发设定值和连续记录时间值；

步骤2：当MCU模块经状态检测模块检测到液位高于设定的高液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和时间条件下，依然超出高液位阈值时，经通讯模块和天线向远程终端发送预充压不足报警信息，故障监测器点亮LED故障灯的气压故障灯，同时本地记录报警信息至存储卡；

步骤3：当MCU模块经状态检测模块检测到液位低于设定的低液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和时间条件下，依然低于低液位阈值时，经通讯模块和天线向远程终端发送低液位报警信息，故障监测器点亮LED故障灯的低液位故障灯，同时本地记录报警信息至存储卡；

步骤4：当MCU模块通过压力传感器检测到的压力，大于设定的高压力阈值或小于设定的低压力阈值时，经通讯模块和天线向远程终端发送超压报警信息，同时，故障监测器开启LED故障灯的超压故障灯，并本地记录报警信息至存储卡；

步骤5：当管道的压力变化值大于MCU模块的逻辑处理程序设定的波动阈值时，MCU模块按设定时间连续采集、存储压力和液位数据至存储卡，并通过通讯模块和天线向远程终端发送数据；

步骤6：管道压力正常状态下，MCU模块经通讯模块和天线向远程终端定时发送压力和液位数据。

9.根据权利要求8所述的一种空气蓄能罐的故障监测方法，其特征在于：所述MCU模块为微处理单元，并编制有逻辑处理程序，可判断空气蓄能罐故障和自动切换数据采集模式；当通过状态检测模块，检测到高于设定的高液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和间隔时间条件下依然超出高液位阈值时，逻辑判断空气蓄能罐预充压不足故障，并开启LED故障灯中的气压故障灯，同时本地记录和向远程终端发送报警信息，提示操作人员空气蓄能罐压缩空气泄漏或内胆破裂。

10.根据权利要求8所述的一种空气蓄能罐的故障监测方法，其特征在于：所述MCU模块为微处理单元，并编制有逻辑处理程序，可判断空气蓄能罐故障和自动切换数据采集模式；当通过状态检测模块，检测到低于设定的低液位阈值时，可多次比对设定值，在设定的比对次数和间隔时间条件下依然低于低液位阈值时，逻辑判断蓄能罐低液位故障，并开启LED故障灯中的低液位故障灯，同时本地记录和向远程终端发送报警信息，提示操作人员空气蓄能罐有低压损害风险。

11.根据权利要求8或10所述的一种空气蓄能罐的故障监测方法，其特征在于：MCU模块的逻辑处理程序，对于数据的记录存储和发送，分连续和定时两种模式：

常态下为定时采集上报模式，可定时采集、记录和传输空气蓄能罐的压力和液位数据至远程终端；

当MCU模块通过压力传感器，检测到管道压力波动大于触发阈值时，进入连续模式，可在设定的时间内连续采集记录压力和液位数据，保存至本地存储卡，并同时上传至远程终端。

12.一种空气蓄能罐的故障测评方法，其特征在于：基于前述权利要求8-11中任意一项的一种空气蓄能罐的故障监测方法，远程终端可对接收到的压力和液位数据进行图形化处理，查看压力和罐内液位的变化形态，并做出相应的调整措施。

13.如权利要求12所述的空气蓄能罐的故障测评方法，其特征在于：空气蓄能罐的预充压高低取决于对高压或负压防护的偏向性，应对于负压防护时，空气蓄能罐补入管道的水的体积能够满足大于负压限值的要求，则预充压值应该设置较低值，以保证罐体有足够的水能补入管道；而应对于高压防护时，空气蓄能罐有足够的空气容量，保证高压水进罐后的缓冲空间。

14.如权利要求12所述的空气蓄能罐的故障测评方法，其特征在于：应用于管道高压防护时，需要根据监测数据来调整空气蓄能罐的进出水管直径，差异化的配置空气蓄能罐的进出水管直径。

Images