CN112984389B - 基于tdc-gp30的供热管道运维方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TDC‑GP30的供热管道运维方法及系统，涉及管道无损检测技术领域，包括管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测和管道滴漏检测，首先，充分利用超声波在不同介质中的衰减传播特性，对管道的结垢情况、水流固体颗粒度和气泡大小进行检测；其次，充分发掘TDC‑GP30超声波流量转换器在零流量检测时高精度和高灵敏度的特点，对管道的滴漏情况进行检测；之后，量化了阈值检测标准，提升了云平台报警信息的可靠性和准确性；最后将维护结果反馈至云平台，实现了检测和维护的闭环。

Description

基于TDC-GP30的供热管道运维方法及系统
技术领域
本发明涉及管道无损检测技术领域，具体涉及一种基于TDC-GP30的供热管道运维方法及系统。
背景技术
管道运输是供热行业中的重要一环，但由于所输送水中含有的固体颗粒物以及化学反应产生的碳酸盐、金属氢氧化物的长期堆积，致使管道内壁容易出现结垢的现象，该现象轻则导致水的浊度和水中的气泡增加，影响流量仪表的测量精度；重则会腐蚀、堵塞管道，引发泄漏、爆管等生产事故。因此，建立一个包括管道的结垢、水中固体颗粒度和气泡以及滴漏等检测在内的运维系统，对于供热管道运输来说意义重大。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于TDC-GP30的供热管道运维方法及系统，实现了对供热管道全周期的、闭环的检测和维护，提升了云平台报警信息的可靠性和准确性。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于TDC-GP30的供热管道运维方法，包括：
管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测：在供热低峰时段，计算回波时间，单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励安装于管道外壁的换能器P1发射超声波信号，随后换能器P1按时序接收回波信号，GP30芯片存储回波数量和幅值数据；单片机读取GP30芯片存储数据并计算超声波衰减系数，间隔固定周期上传至云平台；云平台对回波数量和超声波衰减系数进行阈值检测，判断管道结垢情况、水中固体颗粒度及气泡大小并发送报警信息；
管道滴漏检测：在非供热时段，单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励安装于管道外壁的两个换能器P2、P3分别发射和接收超声波信号，GP30芯片检测滴漏产生的瞬时流量并存储；单片机间隔固定周期读取GP30芯片瞬时流量数据，取均值后上传至云平台，云平台对瞬时流量数据进行阈值检测并发送报警信息。
进一步的，所述的换能器P1发射超声波信号，具体为：单片机与GP30芯片上电复位，在t0时刻，单片机通过SPI通信控制GP30芯片产生1个方波脉冲，激励换能器P1，使换能器P1产生一个电压幅值为A0的超声波信号，同时，GP30芯片存储该电压幅值；随后换能器P1立即进入接收状态，GP30芯片定时器开始计时。
进一步的，换能器P1按时序接收回波信号，具体为：若在ti(1≤i≤5)时刻，换能器P1接收到第i个回波Bi，则GP30芯片测量换能器P1电压幅值Ai并存储；否则停止接收回波，GP30芯片赋值回波数标变量BF＝i-1并存储，同时GP30芯片定时器复位，并计时ΔT后再次由单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励换能器P1发射超声波信号；
若在t6时刻，换能器P1接收到第六个回波B6，则GP30芯片测量换能器P1电压幅值A6，赋值回波数变量BF＝6，并存储电压幅值A6和回波数变量BF，同时停止接收回波，GP30芯片定时器复位，并计时ΔT后再次由单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励换能器P1发射超声波信号；否则直接停止接收回波，GP30芯片赋值回波数标变量BF＝5并存储，同时GP30芯片定时器复位，并计时ΔT后再次由单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励换能器P1发射超声波信号。
进一步的，计算超声波衰减系数，具体为：单片机读取GP30芯片存储的回波数标变量和电压幅值数据，若BF≥4，计算各个回波的衰减系数αi；
Figure BDA0002952011040000021
式中，D为管道外径；
再求得实际超声波衰减系数差值Δα并进行存储；
Figure BDA0002952011040000022
若BF<4，则舍弃该组数据；
至此，完成一次管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测。
进一步的，所述单片机每间隔n个检测周期，通过NB-IoT模块将该段时间内的若干组有效BF和Δα数据上传至云平台。
进一步的，若在p组数据中，BF≥5的组数q占比超过70％，且p组数据的实际超声波衰减系数差值Δα的平均值
Figure BDA0002952011040000023
则云平台向热网调度中心发送报警信息。
进一步的，所述管道滴漏检测，具体为：首先在云平台存储滴漏瞬时流量下限Qlmin＝0.5L/h；其次，GP30芯片检测瞬时流量并存储，单片机每间隔1小时即从GP30芯片连续读取十条瞬时流量数据，求得均值
Figure BDA0002952011040000024
并上报至云平台；最后，云平台对
Figure BDA0002952011040000025
进行阈值检测，若
Figure BDA0002952011040000026
则云平台向热网调度中心发送报警信息。
一种基于TDC-GP30的供热管道运维系统，使用上述的供热管道运维方法，包括：换能器P1、换能器P2、换能器P3、TDC-GP30超声波流量转换器、单片机、LCD显示模块、NB-IoT模块、电源模块及外围电路；所述换能器P1、换能器P2、换能器P3通过耦合剂固定在管道外壁上且分别与TDC-GP30超声波流量转换器连接，TDC-GP30超声波流量转换器通过SPI方式与单片机通信，单片机与NB-IoT模块通过串口进行通信；LCD显示模块与单片机连接，用于显示流量读数；电源模块为各硬件部分供电。
本发明有益效果：结合超声波检测技术、物联网技术和热网调度系统，实现了对供热管道的全周期的、闭环的检测和维护。首先，充分利用超声波在不同介质中的衰减传播特性，对管道的结垢情况、水流固体颗粒度和气泡大小进行检测；其次，充分发掘TDC-GP30超声波流量转换器在零流量检测时高精度和高灵敏度的特点，对管道的滴漏情况进行检测；之后，量化了阈值检测标准，提升了云平台报警信息的可靠性和准确性；最后将维护结果反馈至云平台，实现了检测和维护的闭环。
附图说明
图1是本发明换能器安装位置示意图；
图2是本发明基于TDC-GP30的供热管道运维方法及系统通信示意图；
图3是本发明管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测原理图；
图4是本发明管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测流程图；
图5是本发明管道滴漏检测原理图；
图6是本发明管道滴漏检测流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
针对供热管道运维问题和相关检测技术的现状，本发明建立了基于TDC-GP30的供热管道运维系统。首先安装并连接各硬件模块；其次在供热低峰时段进行管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测，云平台分析检测数据并报警；然后在非供热期进行管道滴漏检测，云平台分析检测数据并报警；最后，在新的供热期开始前，热网调度中心派遣维护人员进行维护，并将维护结果反馈至云平台。
常用的管道结垢检测方法有共振回音法、内部探测法、红外热成像法、CT法、射线检测法和超声波检测法等。相比于其他检测方法，超声波法的优点是：无污染和放射性、原理和实现简单、检测精度和可靠性高。而TDC-GP30是ACAM公司推出的一款超声波流量转换器，它适用于超声波流量测量及信号处理等应用场景，精度高、功耗低、稳定性好，被广泛应用于超声波流量计和热量表产品的研发和生产中。
整体方案如下：管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测：在供热低峰时段，计算回波时间，单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励安装于管道外壁的换能器P1发射超声波信号，随后换能器P1按时序接收回波信号，GP30芯片存储回波数量和幅值数据；单片机读取GP30芯片存储数据并计算超声波衰减系数，间隔固定周期上传至云平台；云平台对回波数量和超声波衰减系数进行阈值检测，判断管道结垢情况、水中固体颗粒度及气泡大小并发送报警信息；
管道滴漏检测：在非供热时段，单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励安装于管道外壁的两个换能器P2、P3分别发射和接收超声波信号，GP30芯片检测滴漏产生的瞬时流量并存储；单片机间隔固定周期读取GP30芯片瞬时流量数据，取均值后上传至云平台，云平台对瞬时流量数据进行阈值检测并发送报警信息。
具体步骤如下：
1.硬件安装与连接
基于TDC-GP30的供热管道运维系统，其硬件包括换能器P1、P2、P3、TDC-GP30超声波流量转换器(以下简称GP30)、单片机、LCD显示模块、NB-IoT模块、电源模块及外围电路。换能器P1、P2、P3与GP30连接，并通过耦合剂固定在管道外壁上，具体安装方位如附图1所示；单片机与GP30通过SPI方式通信，与NB-IoT模块通过串口进行通信；LCD显示模块与单片机连接，用于显示流量读数；电源模块为其他硬件部分供电。基于TDC-GP30的供热管道运维方法及系统的通信过程如附图2所示。
2.管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测
在供热低峰时段(如凌晨)，对于一段外径为D，內径为d，满管水流流速为v的供热管道，管道运维系统对其结垢情况、水流中的固体颗粒物杂质和气泡含量进行检测。检测原理如附图3所示，检测流程如附图4所示。
2.1.计算回波时间
设换能器P1与管道外壁距离为l1，管壁厚度为l2，管道上侧结垢平均厚度为l3，管道下侧结垢平均厚度为l4，超声波在水中的传播速度为c0，在耦合剂中的传播速度为c1，在管壁中的传播速度为c2，在结垢层中的传播速度为c3。则换能器P1从发射超声波开始，到接收到相应回波所用的时间分别为：
Figure BDA0002952011040000051
Figure BDA0002952011040000052
Figure BDA0002952011040000053
Figure BDA0002952011040000054
Figure BDA0002952011040000055
Figure BDA0002952011040000056
2.2超声波发射与回波接收
2.2.1超声波发射
硬件安装与连接完毕后，单片机与GP30芯片上电复位，准备测量、计算、存储和传输数据。
单片机通过SPI通信控制GP30芯片产生1个1MHz的方波脉冲，激励超声波换能器P1，使其通过逆压电效应产生一个电压幅值为A0的超声波信号；同时，GP30存储其电压幅值A0。
2.2.2接收超声回波
在t0时刻，换能器P1发射上述超声波信号后立即进入接收状态；同时GP30芯片的定时器开始计时。
若在t1时刻(t1≤t0+Δt1)，换能器P1接收到第一个回波B1，则GP30测量其电压幅值A1并存储；否则停止接收回波，赋值回波数标变量BF＝0并存储，同时GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P1发射超声波。
若在t2时刻(t2≤t0+Δt2)，换能器P1接收到第二个回波B2，则GP30测量其电压幅值A2并存储；否则停止接收回波，赋值回波数标变量BF＝1并存储，同时GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P1发射超声波。
若在t3时刻(t3≤t0+Δt3)，换能器P1接收到第三个回波B3，则GP30测量其电压幅值A3并存储；否则停止接收回波，赋值回波数标变量BF＝2并存储，同时GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P1发射超声波。
若在t4时刻(t4≤t0+Δt4)，换能器P1接收到第四个回波B4，则GP30测量其电压幅值A4并存储；否则停止接收回波，赋值回波数标变量BF＝3并存储，同时GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P发射超声波。
若在t5时刻(t5≤t0+Δt5)，换能器P1接收到第五个回波B5，则GP30测量其电压幅值A5并存储；否则停止接收回波，赋值回波数标变量BF＝4并存储，同时GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P1发射超声波。
若在t6时刻(t6≤t0+Δt6)，换能器P1接收到第六个回波B6，则GP30测量其电压幅值A6，赋值回波数变量BF＝6，并存储上述两个变量，同时停止接收回波，GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P1发射超声波；否则直接停止接收回波，赋值回波数标变量BF＝5并存储，同时GP30定时器复位，并计时ΔT后再次控制换能器P1发射超声波。
2.3计算超声波衰减系数
单片机读取GP30存储的回波数标变量BF和电压幅值数据，并计算衰减系数α。具体过程如下：
若BF≥4，则通过公式计算各个回波的衰减系数：
Figure BDA0002952011040000061
式中，D—管道外径。
再求得实际超声波衰减系数差值Δα：
Figure BDA0002952011040000062
并进行存储。
若BF<4，则舍弃该组数据。
至此完成一次管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测。将检测过程时长tBF-t0和检测间隔时长ΔT之和定义为一个检测周期，NB-IoT模块每间隔n个检测周期，就将该段时间(n(tBF-t0+ΔT))内单片机存储的若干组有效BF和Δα数据通过NB-IoT模块上传至云平台。
2.4云平台数据分析和报警
云平台对单片机上传的BF和Δα数据进行存储、分析，必要时进行报警。
云平台首先对历史BF数据进行阈值检测。若在p组数据中，BF≥5的组数q占比超过70％，即
Figure BDA0002952011040000071
则说明数据来源管段至少一侧存在结垢情况。其次，云平台继续比较上述p组数据对应的实际超声波衰减系数差值Δα数据进行阈值检测。先计算上述p组数据的实际超声波衰减系数差值Δα的平均值
Figure BDA0002952011040000072
若
Figure BDA0002952011040000073
则说明该管段水流中存在较大的气泡或固体颗粒物；若
Figure BDA0002952011040000074
则说明该管段水流中存在一般大小的气泡或固体颗粒物；若
Figure BDA0002952011040000075
则说明该管段水流中存在微小的气泡或固体颗粒物。综合以上判断，若
Figure BDA0002952011040000076
且
Figure BDA0002952011040000077
则云平台向热网调度中心发送报警信息。
3.管道滴漏检测
在非供热期，出于对管网维护和保养的考虑，管道中仍充满水，但流速接近于0，此时管道运维系统对其进行滴漏检测。检测原理如附图5所示，检测流程如附图6所示。
3.1 GP30超声波流量测量原理
GP30可以交替发射出两路驱动换能器的1Mhz脉冲，然后测量这个脉冲经由液体媒介从换能器P2到P3的飞行时间，然后反向测量从换能器P3到P2的飞行时间。由于在顺流中超声波的飞行时间要比在逆流当中飞行时间短，那么若能得到两个飞行时间的差值，就可计算出流速，从而计算出流量。
设流体的流动速度为v,流体中声速为c0，换能器P2与换能器P3之间的距离为L,管道內径为d，那么超声波的上游飞行时间tup及下游飞行时间tdown分别为
Figure BDA0002952011040000078
Figure BDA0002952011040000079
GP30对上游飞行时间tup及下游飞行时间tdown作差，由于c0＞＞v，从而得到上下游飞行时间差为
Figure BDA0002952011040000081
则流体的流速为
Figure BDA0002952011040000082
瞬时流量为
Figure BDA0002952011040000083
3.2基于GP30的滴漏检测
在非供热期，由于管道中水的流速接近于0，所以瞬时流量理论上也为0。但当阀门未完全关闭或管道存在微小漏点时，会出现滴漏的情况，GP30能检测到阀门或漏点处水流的低速流动，从而产生相应的瞬时流量数据。
针对GP30芯片的这一特点，在云平台存储滴漏瞬时流量下限Qlmin＝0.5L/h。GP30检测瞬时流量并存储，单片机每间隔1小时就从GP30连续读取10条瞬时流量数据，求得均值
Figure BDA0002952011040000084
并上报至云平台。云平台对
Figure BDA0002952011040000085
进行阈值检测，若有
Figure BDA0002952011040000086
则判定该管段存在滴漏情况，云平台向热网调度中心发送报警信息。
4.维护与反馈
在新的供热期开始前，热网调度中心根据所汇集的云平台报警信息，派遣维护人员对相应管段进行统一维护，并将维护结果反馈至云平台。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于TDC-GP30超声波流量转换器的供热管道运维方法，其特征在于，包括：
管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测：在供热低峰时段，计算回波时间，单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励安装于管道外壁的换能器P1发射超声波信号，随后换能器P1按时序接收回波信号，GP30芯片存储回波数量和幅值数据；单片机读取GP30芯片存储数据并计算超声波衰减系数，间隔固定周期上传至云平台；云平台对回波数量和超声波衰减系数进行阈值检测，判断管道结垢情况、水中固体颗粒度及气泡大小并发送报警信息；
管道滴漏检测：在非供热时段，单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励安装于管道外壁的两个换能器P2、P3分别发射和接收超声波信号，GP30芯片检测滴漏产生的瞬时流量并存储；单片机间隔固定周期读取GP30芯片瞬时流量数据，取均值后上传至云平台，云平台对瞬时流量数据进行阈值检测并发送报警信息；
所述的换能器P1发射超声波信号，具体为：单片机与GP30芯片上电复位，在t0时刻，单片机通过SPI通信控制GP30芯片产生1个方波脉冲，激励换能器P1，使换能器P1产生一个电压幅值为A0的超声波信号，同时，GP30芯片存储该电压幅值；随后换能器P1立即进入接收状态，GP30芯片定时器开始计时；
换能器P1按时序接收回波信号，具体为：若在ti时刻，其中1≤i≤5，换能器P1接收到第i个回波Bi，则GP30芯片测量换能器P1电压幅值Ai并存储；否则停止接收回波，GP30芯片赋值回波数标变量BF＝i-1并存储，同时GP30芯片定时器复位，并计时ΔT后再次由单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励换能器P1发射超声波信号；
若在t6时刻，换能器P1接收到第六个回波B6，则GP30芯片测量换能器P1电压幅值A6，赋值回波数变量BF＝6，并存储电压幅值A6和回波数变量BF，同时停止接收回波，GP30芯片定时器复位，并计时ΔT后再次由单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励换能器P1发射超声波信号；否则直接停止接收回波，GP30芯片赋值回波数标变量BF＝5并存储，同时GP30芯片定时器复位，并计时ΔT后再次由单片机控制GP30芯片产生方波脉冲，激励换能器P1发射超声波信号；
计算超声波衰减系数，具体为：单片机读取GP30芯片存储的回波数标变量和电压幅值数据，若BF≥4，计算各个回波的衰减系数αi；
Figure FDA0003928785880000011
式中，D为管道外径；
再求得实际超声波衰减系数差值Δα并进行存储；
Figure FDA0003928785880000021
若BF<4，则舍弃该组数据；
至此，完成一次管道结垢、水流固体颗粒度和气泡检测。
2.根据权利要求1所述的基于TDC-GP30超声波流量转换器的供热管道运维方法，其特征在于，所述单片机每间隔n个检测周期，通过NB-IoT模块将该段时间内的若干组有效BF和Δα数据上传至云平台。
3.根据权利要求1所述的基于TDC-GP30超声波流量转换器的供热管道运维方法，其特征在于，若在p组数据中，BF≥5的组数q占比超过70％，且p组数据的实际超声波衰减系数差值Δα的平均值
Figure FDA0003928785880000022
则云平台向热网调度中心发送报警信息。
4.根据权利要求1所述的基于TDC-GP30超声波流量转换器的供热管道运维方法，其特征在于，所述管道滴漏检测，具体为：首先在云平台存储滴漏瞬时流量下限Qlmin＝0.5L/h；其次，GP30芯片检测瞬时流量并存储，单片机每间隔1小时即从GP30芯片连续读取十条瞬时流量数据，求得均值
Figure FDA0003928785880000023
并上报至云平台；最后，云平台对
Figure FDA0003928785880000024
进行阈值检测，若
Figure FDA0003928785880000025
则云平台向热网调度中心发送报警信息。
5.一种基于TDC-GP30超声波流量转换器的供热管道运维系统，使用权利要求1-4任一项所述的供热管道运维方法，其特征在于，包括：换能器P1、换能器P2、换能器P3、TDC-GP30超声波流量转换器、单片机、LCD显示模块、NB-IoT模块、电源模块及外围电路；所述换能器P1、换能器P2、换能器P3通过耦合剂固定在管道外壁上且分别与TDC-GP30超声波流量转换器连接，TDC-GP30超声波流量转换器通过SPI方式与单片机通信，单片机与NB-IoT模块通过串口进行通信；LCD显示模块与单片机连接，用于显示流量读数；电源模块为各硬件部分供电。
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Denomination of invention: TDC-GP30 based heating pipeline operation and maintenance method and system

Effective date of registration: 20230711

Granted publication date: 20230131

Pledgee: Guangfa Bank Co.,Ltd. Dalian Branch

Pledgor: DALIAN HAIXIN INFORMATION ENGINEERING CO.,LTD.

Registration number: Y2023210000172