CN112833964B - 一种瞬变流监测方法和多通道水锤侦测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多通道水锤侦测仪，包括设置在防水壳体内的MCU模块，MCU模块通过电路板连接的通讯模块、GPS模块和数据存储模块；还提供了一种瞬变流监测方法能够试下定时记录模式和峰值模式之间通过条件触发转换。本发明以可设置的平均采样率和基于标准差的阈值算法，在主通道传感器信号快速改变时，能够自动转换数据记录模式，各通道传感器能够同步高频率记录峰值变化数据，本地存储、查看和分包传输至远程终端数据库，方便终端平台系统或PC机进行快速数据和图形分析，可对危险水锤提前预警。对于重新界定控制设备的约束条件，改善运行工艺，合理设置和再配置防护设备系统，以及管道爆管和漏损的压力瞬态监测控制具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于管道输水领域，尤其涉及输水管道运行过程中的调节、停泵或关阀导致的瞬变流数据采集方法和侦测装置。
背景技术
水锤是管道中流速迅速变化而引起的压力剧烈波动现象，也称瞬变流、涌浪和水力过渡过程，在扬水泵站和重力流输水系统中都可能发生。输水管网和管道中由于水锤导致的爆管事故屡见不鲜，严重影响供水管网安全和造成水资源的浪费，极端情况下也会导致人员生命危害和国家财产损失。严重的水锤事故可直接导致爆管，但即使是较轻微的水锤，如果在长期运行中反复出现，也会导致管道受损，减少管道的使用寿命，增加管道的爆管漏失和水质污染。
水锤在线监测一直是管道输水行业追求的目标，完整的界定和监测到管网管道水锤的波动幅度、频率、时长和时间节点是一个难题，原因在于水锤是一个偶发或突发工况，水锤工况发生时的波动频率很高，波动源和时间节点很难确定。在实验室条件下，短时间人为停泵关阀制造水锤，使用常规仪器监测水锤不存在大的技术问题，但在实际工程运行过程中，采用常规数据记录仪进行连续采集和数据传输，稳定运行时会产生庞大的无效数据，查找水锤波动数据和查看分析图线非常困难。同时现有的网络传输条件，很难满足多路、大量和高频不间断数据的传送，加上网络断线和数据丢包，无法完整记录水锤工况下的多路管道特性数据、运行设备数据和重要防护设备效能数据的采集和传输。
为了实施在线水锤检测，现有技术也有一定的研究，专利号为201710459250.5的基于在线实时监测预防正负压水锤的装置及其预警方法,提供了用于实时、稳定在线监测输水管道发生水锤时水压变化的检测方案，可以为相关工况下水锤的所造成的水压函数模型进行研究，但是这种方案无法实现在瞬变流工况下记录快速变化的传感器信号值，也没有没有对大量冗余数据进行对应性的解决方法，也缺少合理的水锤峰值检测的阈值判断的具体方法。
发明内容
针对现有技术中采用常规数据记录仪进行连续采集和数据传输，稳定运行时会产生庞大的无效数据，查找水锤波动数据和查看分析图线非常困难，同时现有的网络传输条件，很难满足多路、大量和高频不间断数据的传送，加上网络断线和数据丢包，无法完整记录水锤工况下的多路管道特性数据、运行设备数据和重要防护设备效能数据的采集和传输的技术问题，本发明提供了一种瞬变流监测方法，并采用分布式的多通道水锤侦测仪，在管道水锤工况发生时，能够自动切换数据峰值模式采集，完整地捕捉管道、水泵、各类控制设备和安全防护设备在瞬态条件下的流量、压力、液位、时间、声波和速度等数据，本地存储、查看和传输数据至远程终端，同时，对于具有危害的瞬变流工况，能够发送告警信息和输出开关量控制信号。
为实现上述目的，本发明通提供了一种多通道水锤监测仪：
本发明提供的一种多通道水锤监测仪，包括设置在防水壳体内，预设有linux程序处理系统的MCU模块，MCU模块通过电路板连接的通讯模块、时钟和定位模块、数据存储模块、人交互模块和LED信号灯。
在水锤监测仪侧面，设置多路模拟量或数字量传感器输入接口、两路开关量输出接口和电源接口。电源可为MCU模块提供电能，MCU模块编制有逻辑处理程序，用于采集记录多路传感器信号，控制和协调各个模块，以及和远程终端的通讯和数据传送。
进一步地所述电源为市电、太阳能板和大容量电池。
进一步地所述时钟和定位模块为GPS模块、北斗模块或者两者兼用模块，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。
本发明中的LED信号灯，可提供电源、GPS、传感器信号采集、通讯连接和故障的状态显示。
进一步地所述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，对多通道水锤记录仪进行定义和设置操作。
进一步地所述人机交互模块为LCD触摸屏，可就地显示报警信息和数据状态，对多通道水锤记录仪进行定义和设置操作。
进一步地所述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水锤监测仪与远程终端的数据传输和信息分类报警。
进一步地所述数据存储模块为大容量高速存储卡或U盘，可存储监测的记录数据。
进一步地所述MCU模块为微处理单元，构建有linux程序处理系统，将各通道传感器的模拟量信号转换为数字量信号，或直接读取数字量信号，可通过人机交互模块或远程终端定义多通道水锤记录仪的标签码和各通道传感器的量程及安全运行范围值，安全运行范围值是指该传感器信号的正常运行的最大值和最小值。
进一步地所述MCU模块编制linux程序处理系统，可设置多通道传感器中的一个传感器为主通道，并以主通道为准，同步同时记录其他各通道的信号数据，并分定时记录和峰值记录两种模式，数据记录模式可自动切换。MCU模块以秒为计算单位，对主通道传感器的信号按设定的采样率，连续计算开始阈值和停止阈值，当后一秒的第一个采样信号绝对值大于设定开始阈值和设定绝对差时，切换各通道传感器信号数据记录为峰值记录模式，同时同步按设定的高频率记录其它各通道的信号数据，在小于设定停止阈值和设定绝对差时，切换为定时记录模式。所记录的数据通过通讯模块分包发送至远程终端，所记录的峰值数据在大于安全运行范围值时，可向远程终端报警，和输出开关量信号用于控制相应设备。
本发明还提供了一种瞬态工况下的传感器信号峰值触发记录方法：
所述传感器信号峰值触发记录方法包括定时记录模式和峰值模式，定时记录模式和峰值模式之间通过条件触发转换。
根据所选用的主通道传感器的固有采样率(响应时间)，设定基于传感器固有采样率限定条件下，峰值检测需要的平均采样率(每秒采样数)n，平均采样率n的大小决定了对信号峰值变化的敏感度，对大量样本，x1至xn求平均值会导致样本平均值变化得更慢，并使峰值突出，但可以识别出实际上并不存在的峰值，但平均太少的样本可能会错过峰值。设定平均采样率后的样本平均值/>由下式计算：
依据计算出的样本平均值计算样本标准差SD，样本标准差是开始记录和停止记录的依据，由下式计算：
触发数据的波动峰值记录，取决于开始阈值、停止阈值和绝对差，表示信号样本值可以偏离样本平均值而不被识别为峰值的数值，开始阈值、停止阈值基于样本标准差SD，它们的绝对值会随着实际传感器数据的变化量而变化。当传感器值稳定时，标准差较小，当传感器值发生变化时，其标准差较大。
开始阈值和停止阈值为样本标准差SD的倍数M1和M2的乘积，停止阈值倍数M2小于开始阈值倍数M1，以确保能够记录整个峰值，并用以下公式计算：
开始阈值＝SD×M1 (3)
停止阈值＝SD×M2 (4)
正常情况下，传感器的读数相当稳定，几乎没有变化，在这种情况下，阈值表示与信号样本平均值非常小的偏差，这使得峰值检测非常敏感，当它实际上只是一个无关紧要的变化时，可能会检测到一个峰值，为确保监测值实际上与信号样本平均值/>有足够大的差异，还需增加一个限值绝对差Δ，是下一秒的第一个检测值x1与前一秒信号样本平均值/>之间的差，绝对差Δ是设定的估算值，单位为传感器信号标称计量单位。
通过上述公式(1)～(4)建立系统算法，设定平均采样率n、峰值记录单位时间(频率)、定时记录间隔时间、开始阈值倍数M1、停止阈值倍数M2和绝对差Δ，可构建MCU模块的峰值数据记录机制，并形成以下触发方法：
1、平均采样率n、样本平均值样本标准差SD以秒为单位时间计算，并以开始阈值和停止阈值的倍数M1和M2计算每秒的开始阈值和停止阈值，后一秒的第一个传感器信号检测绝对值x1与前一秒的开始阈值和绝对差Δ比对；
2、当后一秒的第一个传感器信号检测绝对值x1大于前一秒的开始阈值和绝对差Δ时，触发MCU模块以峰值记录单位时间(频率)记录传感器信号值；
3、当第N秒的第一个传感器信号检测绝对值xN1小于前一秒的停止阈值和绝对差Δ时，停止峰值记录，只按设定的时间间隔记录传感器信号数据。
多通道水锤监测仪对水锤峰值的记录模式，可分为自动、自动延时和手动三种方式。
自动方式是当主通道的传感器当前的信号样本绝对值，大于前一秒的绝对差Δ和开始阈值时，MCU模块自动切换为峰值记录模式，可按设定的峰值记录单位时间(频率)记录各通道传感器信号值，当主通道的传感器在第N秒的第一个传感器信号检测绝对值xN1小于前一秒的停止阈值和绝对差Δ时，终止峰值检测模式，切换为定时数据记录模式，再次满足峰值记录条件时，记录模式会再次切换。
自动延时方式是当主通道的传感器的当前信号样本绝对值大于前一秒的绝对差Δ和开始阈值时，MCU模块自动切换为峰值记录模式，可按设定的峰值单位时间(频率)记录各通道传感器信号值，并在设定的时长后终止峰值记录模式，转换为定时记录模式。
手动方式，不自动记录峰值，只按定时记录各通道传感器数据，但可按设定的时长，手动开启按设定的峰值单位时间(频率)记录数据，并在设置的时长后终止峰值记录，重新转换为定时记录模式。
本发明的有益技术效果：本发明以可设置的平均采样率和基于标准差的阈值算法，在主通道传感器信号快速改变时，能够自动转换数据记录模式，各通道传感器能够同步高频率记录峰值变化数据，本地存储、查看和分包传输至远程终端数据库，方便终端平台系统或PC机进行快速数据和图形分析，可对危险水锤提前预警。对于重新界定控制设备的约束条件，改善运行工艺，合理设置和再配置防护设备系统，以及管道爆管和漏损的压力瞬态监测控制具有重大意义。
附图说明
图1为本发明水锤监测仪结构框图。
图2为本发明的数据采样记录设置图。
图3为本发峰值自动记录方式设置图。
图4为本发明的峰值记录说明图。
图5为本发明的明的数据采样说明图。
图6为本发明的峰值自动延时记录方式设置图。
图7为本发明的峰值手动记录方式设置图。
具体实施方式
下面结合附图1至附图7和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明装置不限于下述实施例。
本发明中，下述实施例中防水壳体、预设有监测程序的MCU模块4、电路板、通讯模块7、GPS模块9、数据存储模块6、人交互模块8和LED信号灯5都属于本领域技术人员通过市场购买选用或者定制，属于常见的器件，不限制本发明的实施。
实施例一：本发明的多通道水锤监测仪
参照图1所示，本发明的水锤监测仪由封装在防水壳体内，电路板连接有多通道传感器接口2、开关量信号输出接口3、MCU模块4、LED信号灯5、存储卡6、通讯模块7、人机交互模块8、GPS模块9和天线10所组成，电源1可为水锤监测仪提供电能。多通道传感器接口2可连接多路各类传感器，开关量信号输出接口3可提供两路开关量信号输出，用于在峰值监测数据超出安全范围值时，控制相应设备开启或关闭。天线10用于通讯模块7与远程终端11数据通讯和发送报警信息。
示例性的通讯模块10具体为无线模块或4G通讯传输模块，可通过天线10实现监测仪与远程终端11的数据传输和信息报警。
示例性的人机交互模块8具体为触摸屏，可显示各通道传感器数据状态和报警信息，对多通道水锤记录仪进行定义和设置操作。
示例性的远程终端11具体为云平台管理系统，可与水锤监测仪进行数据交互和通讯，接收水锤监测仪的上传数据，并可远程对多通道水锤记录仪进行定义和设置操作。
实施例二：本发明的瞬变流监测方法
应用实施例中的水锤监测仪，构建有linux程序处理系统，实现瞬变流的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：通过人机交互模块8或远程终端11，可对管道中的若干个多通道水锤监测仪定义标签码，便于平台系统识别，并设置各通道传感器的量程和安全运行范围值。
步骤2：参照图2所示，在多通道传感器中选择一个传感器为主通道传感器，按传感器的标识设置主传感器的采样率(Hz)，根据需要的峰值敏感度，设置平均采样率n(Hz)，设定平均采样率后的信号样本平均值由程序系统按下式计算：
同时，依据计算出的样本平均值按下式计算样本标准差SD：
步骤3：设置峰值记录所需要的单位时间(ms)，该单位也可换算为峰值记录期间的频率(Hz)，可设范围一般为2-1000ms，并根据需要设置定时记录的间隔时间(s)，可设范围一般为1-86400s(秒)。
步骤4：参照图3所示，设置峰值记录的开始阈值和停止阈值的倍数M1和M2，M1大于M2，程序系统根据样本标准差SD和倍数自动计算阈值，开始阈值和停止阈值按下式计算：
开始阈值＝SD×M1
停止阈值＝SD×M2
步骤5：设置峰值记录所需的绝对差，可根据峰值监测需要输入一个指定值，以压力监测为例，可以理解为每秒压力所允许的变化值，单位为传感器的计量单位。
步骤6：参照图4和图5所示的为自动方式的压力监测示例，设定为20倍标准差的开始阈值和15倍标准差的停止阈值，绝对差设定为0.1BAR，峰值记录单位时间为100ms(10Hz)，定时记录时间间隔为1s。示例中的图例展示了检测过程中样本平均值、开始阈值、绝对差和停止阈值的关系，以及水锤峰值的记录过程，在A点，当后一秒的第一个传感器信号检测值大于前一秒的开始阈值和绝对差时，监测仪以峰值单位时间100ms记录传感器信号样本值，而在B点，当后一秒的第一个传感器信号检测值低于前一秒的停止阈值和绝对差时，停止峰值监测模式，恢复为定时记录模式，C点至D点遵循这个规则，是一个连续的峰值记录过程。图5所示的E点，虽然后一秒的第一个传感器信号检测值大于前一秒的开始阈值，但小于绝对差，所以不会触发峰值记录，而F点满足这两个条件，该区间的信号值则会作为峰值模式记录。
MCU模块4记录的各通道峰值和定时数据至本地存储卡6的同时，通过通讯模块7分包发送数据至远程终端，所记录的峰值数据在大于安全运行范围值时，可向远程终端11报警，和输出开关量信号给开关量信号输出接口3，用于控制相应设备。开关量信号输出如不需要，可设置关闭。
实施例三：本发明的瞬变流监测方法
参照图6所示，步骤6水锤监测仪在选择自动延时数据记录方式时，需要设置开始阈值、绝对差和峰值记录时长，峰值记录的触发和自动方式相同，但记录过程是在一个设定的时长后，恢复为定时记录模式，不以停止阈值和绝对差作为峰值记录的停止条件，当再次满足峰值记录条件时，该过程可重复进行。
实施例四：本发明的瞬变流监测方法
参照图7所示，步骤6水锤监测仪在选择手动记录方式时，只需设置手动峰值记录时长，包括主通道内的所有传感器只以设定的间隔时间定时记录数据，只有启动峰值记录时，可按设定的峰值记录时长，以峰值单位时间(频率)高频记录样本值，并在一个设定的时长后，恢复为定时记录模式。
水锤记录仪的自动、自动延时和手动三种峰值记录方式具有各自的应用场景，自动方式比较适合对瞬态峰值过程捕捉记录的应用，自动延时方式比较适合对瞬态峰值出现后，在一个时间段的连续数据变化过程高频的记录。而手动方式适用于人工瞬态峰值记录试验。
通过上述系列实施例，针对现有技术中采用常规数据记录仪进行连续采集和数据传输，稳定运行时会产生庞大的无效数据，查找水锤波动数据和查看分析图线非常困难，同时现有的网络传输条件，很难满足多路、大量和高频不间断数据的传送，加上网络断线和数据丢包，无法完整记录水锤工况下的多路管道特性数据、运行设备数据和重要防护设备效能数据的采集和传输的技术问题。本发明以可设置的平均采样率和基于标准差的阈值算法，在主通道传感器信号快速改变时，能够自动转换数据记录模式，各通道传感器能够同步高频率记录峰值变化数据，本地存储、查看和分包传输至远程终端数据库，方便终端平台系统或PC机进行快速数据和图形分析，可对危险水锤提前预警。并对于重新界定控制设备的约束条件，改善运行工艺，合理设置和再配置防护设备系统，以及管道爆管和漏损的压力瞬态监测控制具有重大意义。
如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种瞬变流监测方法，其特征在于，所述监测方法包括定时记录模式和峰值模式，定时记录模式和峰值模式之间通过条件触发转换；
所述监测方法在多通道传感器中选择一个传感器为主通道传感器，并以主传感器的记录模式协同其他通道传感器同步记录和传送数据；
所述峰值模式和定时记录模式转化通过如下步骤实现：设定平均采样率n、峰值记录单位时间、定时记录间隔时间、开始阈值倍数M1、停止阈值倍数M2和绝对差Δ，M1大于M2；根据采样率和采集到的传感器信号样本计算样本标准差SD，利用样本标准差SD和开始阈值的倍数M1、停止阈值的倍数M2计算每秒的开始阈值和停止阈值；后一秒的传感器第一个检测采样信号绝对值x1与前一秒的开始阈值和绝对差Δ比对，当后一秒的传感器信号检测绝对值x1大于前一秒的开始阈值和绝对差Δ时，触发MCU模块以峰值模式记录单位时间记录传感器信号值；当第N秒的传感器信号检测绝对值小于前一秒的停止阈值和绝对差Δ时，停止峰值模式记录，只按定时记录模式设定的定时记录时间间隔记录传感器信号数据；
根据所选用的主通道传感器的固有采样率和工作环境的采集精度要求设置所述平均采样率n(Hz)，单位时间采集的传感器样本信号为x1至xn，计算获得样本平均值和样本标准差SD，/>据样本标准差SD和倍数计算开始阈值和停止阈值，开始阈值＝SD×M1，停止阈值＝SD×M2；
根据峰值监测需要输入一个指定值作为峰值记录所需的绝对差Δ；根据现场需要选择自动方式、自动延时方式或者手动方式作为峰值记录模式的记录方式；所述自动方式为当后一秒的第一个传感器信号检测值大于前一秒的开始阈值和绝对差时，监测仪以峰值单位时间t记录传感器信号样本值，当后一秒的第一个传感器信号检测值低于前一秒的停止阈值和绝对差时，停止峰值监测模式，恢复为定时记录模式；所述自动延时方式是指当后一秒的第一个传感器信号检测值大于前一秒的开始阈值和绝对差时，监测仪以峰值单位时间t记录传感器信号样本值，记录过程是在一个设定的时长后，恢复为定时记录模式；所述手动方式为传感器以设定的间隔时间定时记录数据，只有启动峰值记录时，按设定的峰值记录时长，以峰值单位时间高频记录样本值，并在一个设定的时长后，恢复为定时记录模式。
2.根据权利要求1所述的瞬变流监测方法，其特征在于：所述数据定时记录模式和峰值记录模式按照分包机制的形式发送传感器信息记录值到远程终端。
3.一种多通道水锤侦测仪，包括防水壳体和MCU模块，其特征在于：所述MCU模块设置在防水壳体内，MCU模块通过电路板连接有通讯模块、时钟和定位模块、数据存储模块；所述多通道水锤侦测仪侧面设置多路模拟量或数字量传感器输入接口、两路开关量输出接口和电源接口，多路模拟量或数字量传感器输入接口、两路开关量输出接口和电源接口与MCU模块电性连接；
所述电源接口为水锤监测仪提供电能，所述传感器输入接口连接多路各类传感器，开关量输出接口用于在峰值监测数据超出安全范围值时，控制相应设备开启或关闭；MCU模块采用如权利要求1所述的瞬变流监测方法进行定时记录模式和峰值模式之间的条件触发转换。
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