CN202903233U - 低温型埋地油气管道参数自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种用于监测高寒冻土地区埋地长输油气管道阴极保护电位、管壁及管道周围土壤温度参数的低温型埋地油气管道参数自动监测系统，涉及金属材料的一般防蚀、温度的测量、测量电变量和管道系统技术领域。它由数据采集器、便携式数据表、上位机PC组成;数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线连接；数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC连接。本实用新型在设定的工作模式下，对高寒区缺乏通讯信号的区域实现管道运行参数监测和采集，并传输可靠。

Description

低温型埋地油气管道参数自动监测系统

技术领域

本实用新型是一种用于监测高寒冻土地区埋地长输油气管道阴极保护电位、管壁及管道周围土壤温度等参数的低温型埋地油气管道参数自动监测系统，涉及金属材料的一般防蚀、温度的测量、测量电变量和管道系统技术领域。

背景技术

随着我国能源需求的迅速增加，管道建设也经历着跨越式发展。截止2011年底，我国已建油气管道总长度已接近10万公里，形成了纵贯南北、横跨东西、连通国外的油气管网格局。随着能源输送量的迅速增加和社会关注度的不断提高，管道安全运行工艺参数能否正常管道运行方是最为关注的问题之一。在管道干线众多运行参数中，阴极保护运行参数和管道工艺输送参数尤为重要。具体来讲，管道直流和交流电位可作为评判管道阴极保护系统是否有效运行和管道受外界杂散电流干扰程度的重要指标；管道沿线的管壁温度和周围土壤环境温度则对原油（特别是高粘易凝原油）的低成本安全运行工艺具有重要的参考价值。

目前为止，管道的阴极保护运行参数运行的采集通常采用人工到管道测试桩定期采集，再汇总上报。这不可避免地存在采集工作效率低，劳动强度大，数据量少且可靠性不足，不能连续采集等弊端。尤其在东北、青藏高原等高寒冻土区，冬天工作环境恶劣，更无法保证定期获得管道相关参数，这为管道安全运行带来隐患。

对于原油输送温度的采集，目前国内常用的主要有两种方法：1）在进出站两端进行测量，管道沿线温度依靠计算和经验进行估计；2）野外开挖测量。除此之外，尚无其它可靠管道沿线原位温度检测手段。但结合现场实际可知,以上两种方法工作量大，精度低，自动化程度较差。加之高寒冻土区气候恶劣，施工期短，很难获得可靠地沿管线温度数据参数，不利于对管道沿线温度动态的掌握和节能运行目标。

针对上述不足，国内已开展了采用无线传输技术的研究，如刘明辉等（刘明辉，李志勇等，油气储运，长输管道阴极保护参数自动采集系统，200524（2）50-53）提出应用无线传输技术可实现长输管道阴极保护参数自动采集，这使得采集效率和数据的精度也大大提高，但相对于有线传输技术，无线传输技术仍存在设备多且复杂的缺点，尤其在卫星信号较弱的高寒冻土区，传输可靠性仍难以保证。

此外，已授权专利“埋地管道现场参数采集系统”（授权号：ZL200420066793.9）针对无线传输存在的不足，开发研制一套通过有线传输的埋地管道阴极保护现场采集系统，可实现对温度及管地直流电位的采集合存储，但无法实现对交流电压的测量。此外，由于设备所采用的电子元件抗低温性能较弱，因此在高寒冻土区仍难以直接应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种在设定的工作模式下对高寒区缺乏通讯信号的区域实现管道运行参数监测和采集并传输可靠的低温型埋地油气管道参数自动监测系统。

本实用新型的技术方案如下：

本自动监测系统组成如图1所示，由数据采集器、便携式数据表、上位机PC组成。数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线连接，进行参数设置和数据传输；数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC连接，进行数据传输。

所述数据采集器安装于管道沿线阴极保护测试桩中，可按照设定模式（每分钟，每小时或者每天进行参数采集）定时测量并存储管道现场参数；数据采集器(见图1)包含由一个为数据采集器供电的大容量锂电池、微处理器、温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟和双数据总线接口、传输接口;管道及参比电极接交直流电压采样,交直流电压采样输出依次串接运放电路、A/D转换电路,A/D转换电路输出接微处理器输入;温度传感器输出接微处理器输入;微处理器有存储器、实时时钟和双数据总线接口;数据表与双数据总线接口连接;电池接微处理器、温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟,为它们供电;数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线进行参数设置和数据传输；

其中:

数据采集器的电源电路如图4-1所示,主要由U2、U13组成;其中，U2选用型号为ICL7660的小功率极性反转电源转换器;U13选用型号为MAX1797的DC-DC转换器I2C升压芯片，可将电压由3.7V升至5V；+3.7V直流电的正极并联电容C0后接U13的8脚,8脚与6脚之间接电感L0,U13的2脚和5脚接地,7脚到地并接电容C1和电容C2后接U2的8脚,U2的2脚和4脚之间接电容C3,5脚到地之间接电容C4;U2的8脚输出+5V,U2的5脚输出-5V;

数据采集器的微处理器电路如图4-2所示,主要由U1组成，U1选用型号为ATMEGA16L的单片机，内存为16K;U1的5脚接DC3.7V,同时DC3.7V经电阻R25后接4脚,6脚和7脚经电容C18接地,7脚和8脚之间并接晶振X1,并晶振X1的两端各接一电容C18和电容C19到地,9脚接PD01的2脚;27脚经电容C21接地,并经电感L1接DC3.7V;29脚接U12的2脚;

数据采集器的存储器及时钟部分的电路如图4-3所示,主要由U10、U11组成;U10选用型号PCF8563的含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片,U11选用型号为Atmel公司生产的AT24C1024的大容量串行EEPROM,其容量为128KB;其中DC3.7V接U11的2脚和8脚,4脚和7脚接地,5脚和6脚分别接PC0和PC1;DC3.7V经电阻R24接U10的5脚,经电阻R23接U10的6脚;U10的1脚经电容C15接地,2脚经晶振X2和电容C15串联后接地;3脚接PB2,4脚接地;DC3.7V经电阻R22接PB2,DC3.7V接8脚,DC3.7V经电容C16和电容C17接地;

数据采集器的交流电位测量部分的电路如图4-4所示,主要由O3和U3组成;O3为2组型号为G3VM_352C的光耦继电器,U3选用型号为AD736的AC/DC转换器;微处理器U1的PD2、PD3、PD4、PD5分别经电阻R2、R3、R4、R5接O3的1脚、3脚、5脚、7脚,O3的2脚、4脚、6脚、8脚接地;AC经电容C5后接16脚,16脚和14脚之间接电阻R6,14脚和12脚之间接电阻R7,12脚和10脚之间接电阻R8,10脚经电阻R9接地;9脚、11脚、13脚、15脚连接后经电阻R10到U3的2脚,+5V经二极管D1接2脚,-5V经二极管D2接2脚;U3的1脚经电容C18接地,8脚接地,3脚经电容C8接6脚并接PA6,4脚接-5V,-5V经电容C7接地;U3的5脚经电容C9接-5V,6脚接PA6,7脚经电容C6接地;

数据采集器的直流电位测量部分的电路如图4-5所示,主要由O4、U7、U8和U9组成;O4选型号为PS2501-2的光电耦合隔离器,U7和U8均选工业级且型号为LM258的运算放大器,U9选用型号为TCL393的过零比较器;AC经电阻R11和电阻R12串联后接U7的3脚,且在电阻R11和电阻R12之间由电容C11接地,3脚经电容C12接地;1脚和2脚经电阻R13和电阻R14串联后接U7的5脚,且电阻R13和电阻R14之间由电容C13接地,5脚经电容C14接地;4脚接-5V,8脚接+5V;6脚和7脚相接后一路经电阻R15接U8的2脚,U8的1脚和2脚之间接电阻R16,1脚接O4的8脚,U8的3脚接地,4脚接-5V,7脚接O4的6脚,O4的5脚和7脚接PA5,2脚和4脚接地,1脚经电阻R17接PC6,3脚经电阻R18接PC7;U7的6脚和7脚相接后另一路经电阻R19后再接并联到地的电阻R23、二极管D3、二极管D4到U9的3脚;U9的1脚接PD6,2脚和4脚接地,8脚接+5V;数据采集器的温度测量及LED闪灯部分的电路如图4-6所示,温度传感器选用的型号为18B20，其中1引脚接+5V，2引脚接PB6，3引脚接地;PB7经串联的电阻R27和LED接地;18B20的3脚接+5V,2脚接PB6,2脚和3脚之间接电阻R21,1脚接DGND,DGND经电阻Z0接地;

数据采集器的光耦通断部分的电路如图4-7所示,主要由型号为PVA3354光耦通断O2组成;O2的1脚经电阻R0接+5V,2脚接地,4脚与2脚接AC的1脚和2脚,3脚接AC;数据采集器的JTAG和USB接口部分的电路如图4-8所示，JTAG接口的1脚接DC 3.7V,2脚-5脚分别接PC2-PC5,6脚接地;USB的1脚接DC 3.7V,2脚、3脚分别接PC0、PC1,4脚接地;

数据采集器的温度测量及LED闪灯部分的电路如图4-6所示,主要由18B20组成;PB7经串联的电阻R27和LED接地;18B20的3脚接+5V,2脚接PB6,2脚和3脚之间接电阻R21,1脚接DGND,DGND经电阻Z 0接地;

所述便携式数据表由管道巡线人员携带，定期到管道测试桩读取数据采集器中的储存的现场数据，并将这些数据传输至上位机软件中。由图2可以看到,数据表由一个为数据表供电的电池、微处理器、按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟、RSS232串行通讯电路、MAX232串行通讯接口和数据总线、传输接口组成。接PC机输出的MAX232串行通讯接口输出接RSS232串行通讯电路,RSS232串行通讯电路输出接微处理器输入;微处理器有按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟和双数据总线接口;双数据总线接口接数据采器;电池接按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟,为它们供电;数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC软件进行数据传输;

其中:

便携式数据表的电源部分电路原理图如图5-1所示,主要包括型号为AMS1117的稳压器U0;BAT14.5V为数据表提供电源，U0正极接地,负极经开关S0接U0的3脚,U0的2脚接3.3V,1脚接地;

便携式数据表的时钟部分电路原理图如图5-2所示,主要包括U2;U2选用型号为DS1302的时钟芯片。U2的1脚接VCC,并与地之间接电容C6,2脚与3脚之间接晶振X2,4脚接地,8脚接NK,7-5脚分别接PB1-PB3;

便携式数据表的LCD显示部分电路原理图如图5-3所示,显示屏由JLX12864G-0088图像点阵型模块构成;PM的1-6脚分别接PA3、PA2、PA1、PA0、PA4、3.3V,7脚和14脚接地,12脚经电容C12接地;8脚和9脚之间接电容C10,10脚和11脚之间接电容C11;

便携式数据表的微处理器部分电路原理图如图5-4所示,主要包括U1和USB;U1选用32K内存的ATMEGA32芯片;其中,U1的1脚、2脚、3脚分别接PB5、PB6、PB7,4脚经电阻R10接VCC,且4脚一经电容C9接地,另一路经开关S1与电阻R9串联后接地;5脚接VCC,6脚接地,7脚和8脚分别经电容C8电容C7接地,并7脚和8脚之间接晶振X1;9脚、10脚、11脚分别接PB0、PB2、PB3,12脚、13脚、14脚、19脚、20脚、21脚、22脚分别接PB3、PB4、PB5、PB0、PB1、PB2;23脚、24脚、25脚、26脚、30脚、31脚、32脚、33脚分别接PB4、PB5、PB6、PB7、PB7、PB6、PB5、PB4;34脚、35脚、36脚、37脚、40脚、41脚、42脚、43脚、44脚分别接PA3、PA2、PA1、PA0、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4;18脚、28脚接地,38脚接VCC;USB的1脚接VCC,4脚接地,2脚经电阻R1接PC0,3脚经PC1电阻R2接PC1;

便携式数据表的书写器部分和按键输入部分电路原理图如图5-5所示,主要包括CON6的D-WR和定制的按键器BUTTON;WR的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚分别接VCC、PC2、PC3、PC4、PC5、地;BUTTON的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚分别接PB0、PA5、PA6、PA7、PC7、PC6、PD3、PD4、PD5;

便携式数据表的提示音部分电路原理图如图5-6所示,主要包括三极管Q1和U4;三极管的集电极接VCC,基极经电阻R20接PD2,发射极经U4接地;Q1选NPN管;

便携式数据表的串口部分电路原理图如图5-7所示,主要包括U3和DB9;其中U3选用型号为MAX232的单电源电平转换芯片，DB9为9芯DB头塑料壳/USB接口。其中U31脚和3脚之间接电容C1,4脚和5脚之间接电容C3,2脚经电容C2接16脚,16脚与11脚之间接电容C5,11脚接地,6脚经电容C4接地;7脚和8脚分别接DB9的2脚和3脚,DB9的5脚接地;13脚和14脚相连,9脚和10脚分别接PD0和PD1;

便携式数据表的SD卡存储部分电路原理图如图5-8所示,主要包括8GSD卡;SD卡的1脚一经电阻R6接PB4,二经电阻R3接地;2脚一经电阻R7接PB5,二经电阻R4接地;5脚一经电阻R8接PB7,二经电阻R5接地;3脚和6脚接地,4脚接3.3V,7脚接PB6;

所述上位机PC(见图3)包含PC机COM通讯接口和PC机操作界面;用于接收便携式数据表中的电位数据，并在PC机上建立相应的数据库，从而实现对上述电位数据的管理。

本发明技术特点:

1)双数据总线通讯

该系统的技术特点是在数据采集器和便携式数据表中微处理器采用双数据总线与各自系统中的存储器以及数据时钟进行数据通讯，具体电路参考图4和图5。由图可见，数据采集器的微处理器之SCL、SDA端分别与存储器、和实时时钟和数据总线、传输接口的SCL、SDA端通过双数据总线相连；现场温度传感器的输出由导线直接接至微处理器的PB6引脚，交流电压采样电路与微处理器的PA6引脚相连，直流电压采样电路与微处理器的PA7引脚相连。便携式数据表的微处理器之SCL、SDA端分别与存储器和实时时钟和数据总线、传输接口的SCL、SDA端通过双数据总线相连。数据采集器的双数据总线接口通过双股电缆线与数据表中的双数据接口连接。数据表微处理器的PD0、PD1端接RS232串行通讯电路，再通过串行通讯接口与PC机的COM通讯接口相连。

2）模式设置简单

为了能在数据表上方便管理人员对采集器工作模式进行设置和切换，按键输入器设有9只按键，分别在微处理器的八处引脚（PA5、PA6、PA7、PB0、PC6、PC7、PD3、PD4、PD5）通过SPI总线实现信号传输；为了在便携式数据表上更直观的观察到数据采集器的工作模式的设置、切换以及判断采集器当前的工作状态是否正常，特设置LCD显示屏与微处理器的PA0-PA4端用SPI总线相连。为了实现SD存储器能存储数据采集器中的数据，需通过SPI总线分别与微处理器的PA0-PA4、PB4-PB7以及PC2-PC5相连。为了简便、快捷的实现预定的程序，采集器及数据表内的微处理器、存储器及时钟采用具有4种以上寻址方式的集成块。

3）测量供电模块稳定

本采集系统所涉及到的现场参数为温度、管道交流电位及管地直流电位。由数据采集器电路图（附图4）可见，不同参数的采集及数据传输相对独立，使得系统的可靠性显著提高。其中，温度参数是由温度传感器与采集器微处理器直接相连，这是因为选用的数字式的温度传感器可直接产生数字信号直接送入微处理器。此外，管道交、直流电位的测量是由系统外的管道和参比电极与电压采样模块相连，采集的信号经运放电路和A/D转换由导线直接接到微处理器输入端。

数据采集器锂电池与微处理器、数字温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟和数据总线、传输接口相连并未其供电。便携式数据表锂电池与微处理器、按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟、RSS232串行通讯电路、MAX232串行通讯接口和数据总线、传输接口相连并为之供电。

本实用新型应用高寒冻土区的埋地长输油气管道运行参数自动监测及采集系统，该系统采用耐低温电子元件，通过有线传输方式，实现在设定的工作模式下对高寒区缺乏通讯信号的区域，进行实现管道运行参数监测和采集，解决了现有技术中传输可靠性差，设备难以在低温下正常工作等实际问题。

附图说明

图1数据采集器系统框图

图2便携式数据表系统框图

图3上位机软件系统框图

图4-1数据采集器电源部分电路原理图

图4-2数据采集器微处理器部分电路原理图

图4-3数据采集器存储器及时钟部分电路原理图

图4-4数据采集器交流电位测量部分电路原理图

图4-5数据采集器直流电位测量部分电路原理图

图4-6数据采集器温度测量及LED闪灯部分电路原理图

图4-7数据采集器光耦通断部分电路原理图

图4-8数据采集器JTAG和USB接口部分电路原理图

图5-1便携式数据表电源部分电路原理图

图5-2便携式数据表时钟部分电路原理图

图5-3便携式数据表LCD显示部分电路原理图

图5-4便携式数据表微处理器部分电路原理图

图5-5便携式数据表烧写器和按键输入部分电路原理图

图5-6便携式数据表提示音部分电路原理图

图5-7便携式数据表串口部分电路原理图

图5-8便携式数据表SD卡存储部分电路原理图

具体实施方式

实施例.本自动监测系统组成如图1所示，由数据采集器、便携式数据表、上位机PC组成。数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线连接，进行参数设置和数据传输；数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC连接，进行数据传输。

所述数据采集器安装于管道沿线阴极保护测试桩中，可按照设定模式（每分钟，每小时或者每天进行参数采集）定时测量并存储管道现场参数；数据采集器(见图1)包含由一个为数据采集器供电的大容量锂电池、微处理器、温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟和双数据总线接口、传输接口;管道及参比电极接交直流电压采样,交直流电压采样输出依次串接运放电路、A/D转换电路,A/D转换电路输出接微处理器输入;温度传感器输出接微处理器输入;微处理器有存储器、实时时钟和双数据总线接口;数据表与双数据总线接口连接;电池接微处理器、温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟,为它们供电;数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线进行参数设置和数据传输；

所述便携式数据表由管道巡线人员携带，定期到管道测试桩读取数据采集器中的储存的现场数据，并将这些数据传输至上位机软件中。由图2可以看到,数据表由一个为数据表供电的电池、微处理器、按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟、RSS232串行通讯电路、MAX232串行通讯接口和数据总线、传输接口组成。接PC机输出的MAX232串行通讯接口输出接RSS232串行通讯电路,RSS232串行通讯电路输出接微处理器输入;微处理器有按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟和双数据总线接口;双数据总线接口接数据采器;电池接按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟,为它们供电;数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC软件进行数据传输;

所述上位机PC(见图3)包含PC机COM通讯接口和PC机操作界面;用于接收便携式数据表中的电位数据，并在PC机上建立相应的数据库，从而实现对上述电位数据的管理。

1.数据采集器

1.1数据采集器技术指标

数据采集器安装于沿线测试桩中用于测量和存储管道阴极保护电位和温度，其主要技术指标如下：

●适用温度范围：—40℃-+80℃（设计指标）

●电位测量范围：+2.5V--2.5V

●电位测量精度：±10mV

●交流电压测量范围：0-100V

●交流电压测量精度：0.1V

●温度传感器（测数据采集器环境温度）

●数据存储量：大于5760（1分钟4条，1天的记录量）条数据记录

●换一次电池连续工作时间：大于5年（日模式）

●休眠期电耗：小于5μA

●工作期电耗：小于15mA

●采用120mm×55mm×33mm防水模具，外面加涂防水胶等措施保证能够正常使用。

●适于低温环境下埋地安装的数据采集器模具及数据传输方案

1.2.硬件系统设计

1）单片机

选用Atmel公司低功耗Atmega16L单片机,工作电压为2.7V-5.5V，内部16K字节的可编程flash。单片机Atmega16L的PB2脚通过上位电阻与时钟PCF8563的INT脚相连。当PCF8563的INT脚输出一个低电平脉冲时，单片机Atmega16L通过PB2低电平脉冲中断被唤醒。单片机Atmega16L被唤醒后，由休眠状态转为测量状态，进行一次阴极保护电位测量并将数据存储，然后再次进入休眠状态。

2）电源系统设计

数据采集器采用三洋18650锂电池作为电源，电池电压3.7V，容量为2600mA.h。数据采集器供电系统分为两部分，数据处理部分供电系统，数据采样部分供电系统。两部分分别采用一节工作电压为3.7V的锂电池供电。数据处理部分包括Atmega16L单片机、AT24C1024存储器及PCF8563时钟。

数据采集器的工作状态分为两种，一种为休眠状态，一种为测量状态。休眠状态下仅数据处理部分供电系统工作，数据采样部分供电系统关闭。测量状态下数据处理部分供电系统和数据采样部分供电系统共同工作。

3）系统数据总线

数据采集器单片机ATMEGA16L与其外围元件存储器AT24C1024及时钟PCF8563通讯均采用双数据总线。存储器AT24C1024写地址为A4、读地址为A5；时钟PCF8563写地址为A2、读地址为A3。采集器双数据总线与便携式数据表连接，以便于便携式数据表读取或者修改存储器AT24C1024及时钟PCF8563中的数据。

4）数据采集器存储器

数据采集器用存储器采用AT24C1024，工作电压范围为2.7-5.5V。存储器通过双数据总线总线与数据采集器单片机ATMEGA16L及便携式数据表单片机ATMEGA32L通讯。

存储器AT24C1024数据地址范围为0X00000-0X1FFFF。AT24C1024的前16字节的地址用来存储数据采集器ID等相关信息，从第17个地址字节开始存储电压温度等数据。

存储器前16个地址字节所存储信息的意义如下：

A1  A2  B1  B2  C1  C2

00  03  49  44  00  01  11  11  11  11  11  11  11  11  11  11

A1、A2表示当前在存储芯片内已存储的数据条数，数据格式为十六进制。

B1、B2分别为英文字母I、D的ASSCI I码，用来表示采集器的ID

C1、C2表示采集器的ID号

剩余的10个字节用来以后扩展使用。

数据指针由16个字节组成，它们的组成及对应的意义如下所示：

00 01    11 10 21  18 34 51   01 40    2D 22 75    2B 19 70

序 号    年 月 日  时 分 秒   交 流    +/- 直流    +/- 温度

注：在上面的数据指针中，序号表示第几条数据；

正号“+”用它的ASSCII码2B表示，负号“-”用ASSCII码2D表示

5）数据采集器时钟

数据采集器时种采用PCF8563，由一次性锂电池供电，工作电压为1.0-5.5V。通过I2C总线与数据采集器单片机ATMEGA16L及便携式数据表单片机ATMEGA32L通讯。

时钟PCF8563的INT脚通过上拉电阻与单片机ATMEGA16L的PB2脚相连，通过INT脚输出低电平脉冲可定时唤醒单片机ATMEGA16L。通过对PCF8563寄存器的设置可以实现PCF8563的INT脚低电位脉冲三种不同周期的输出，进而改变数据采集器采集数据的模式。便携式数据表可以通过双数据总线对PCF8563寄存器进行设置，从而改变时钟PCF8563的脉冲输出周期，最终改变数据采集器的工作模式。

6）阴极保护电位的电位采样电路

■直流电压采样电路

阴极保护电位输入后，首先经过2个二级RC低通滤波，用于滤除交流电压信号和其他高频干扰信号，每个二级RC低通滤波后面跟一个电压跟随器电路进行隔离。其工作过程大致如下：管道电压经滤波调理处理之后，首先经一个过零比较器，判断直流电压的正负极性，然后过零比较器的输出端接微处理器的PD6引脚，根据不同的电压极性，微处理器通过引脚PC6、PC7控制电压跟随器和反向比例放大器的通断，然后再经A/D转换，便得到正确的直流电压。

■交流电压采样电路

本设计中交流电压测量部分的核心采用2组光耦继电器G3VM_352C和AD公司的真有效值/直流变换器AD736。光耦继电器及电路可实现对交流电压进行自动衰减，以达到A/D变换器的测量范围0-500mA内。AD736的真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真有效值，它不是采用普通万用表上采用的整流加平均测量技术，而是采用信号平方后再积分的平均技术。AD736的主要特点是：准确度高，灵敏性好，测量速率快，频率特性好，输入阻抗高，输出阻抗低。

1.3.数据采集器工作流程

数据采集器软件流程如附图6所示。

数据采集器工作流程是系统加电，在满足测试条件下，系统从休眠状态下被唤醒，进行管道交直流电位和温度的测量、读取时钟时间并存储时间和数据，然后按照系统设定的工作模式一直执行下去，反复循环。

2.便携式数据表开发

2.1便携式数据表主要功能及技术指标

便携式数据表由管理人员使用，可用于设置、读取数据采集器的信息，其主要功能及技术指标如下：

●可以显示、设置数据表ID号

●可以显示、设置数据采集器I D号

●可以显示数据表的时间及基本信息

●可以显示数据采集器的时间及基本信息

●可以读取数据采集器中的数据

●可以校准数据采集器的时间

●可以改变数据采集器的工作模式

●可以将数据表中的数据通过串口传到上位机中

●适用温度范围：-40℃-+60℃（设计指标）

●数据存储量：可管理50个数据采集器；

●采用135mm×70mm×25mm的塑料材质模具；

●五号电池供电：可连续工作20小时。

2．2硬件系统开发

1）单片机

数据表单片机选用Atmel公司ATMEGA32L单片机。

2）电源系统设计

电源采用3节5号电池，稳压芯片采用AMS1117,为LCD和SD卡提供3.3V电压。

3）系统数据总线

数据表单片机ATMEGA32L与双数据数据总线与数据采集器连接，以便于便携式数据表读取或者修改存储器AT24C1024及时钟PCF8563中的数据，便携式数据表通过双数据总线仅对AT24C1024和时钟PCF8563进行操作，不涉及数据采集器单片机ATMEGA16L。

4）数据表存储器

数据表SD卡进行数据存储，工作电压范围为2.0-3.6V；通信电压范围为2.0-3.6V，在实际应用中通过电阻分压解决了SD卡与ATMEGA32L的电平匹配问题。

SD卡通过SPI总线与便携式数据表单片机ATMEGA32L通讯，本设计中没有涉及SD卡的文件系统制作。

5）数据表时钟

数据表用时钟采用DS1302，工作电压为2.0-5.5V，在2.0V的工作电压时，工作电流小于300nA。与单片机之间采用简单的三线连接。

6）LCD显示屏

显示屏为JLX12864G-0088显示模块，可以显示128列*64行点阵单色图片，或显示8个/行×4行16×16点阵的汉字，或显示16个/行×8行8×8点阵的英文、数字、符号，采用4线SPI串行接口，宽温范围为-20-+50℃。

由于SD卡与单片机ATMEGA32L是通过SPI接口连接的，为避免SPI端口复用，本设计中LCD模块与单片机的接口采用普通I/O口模拟SPI总线。

7）串口

便携式数据表可以采用MAX232芯片与PC机进行串口通讯。

8）按键系统

本数据表设置了9个独立按键分别与ATMEGA32L单片机连接。根据目前的需要，配合LCD菜单显示，这9个键分别为复位、校时、模式、读数、返回、UP、DOWN、Left、Right。

2.3.便携式数据表工作流程

便携式数据表的工作流程是系统加电，用电缆线连接双数据总线接口于数据采集器总线接口，读取、显示数据采集器时间和模式，接受按键指令并根据指令进行工作，即对数据采集器时钟进行校对、读取数据采集器的数据、进行数据采集器工作模式切换。同时,用电缆将便携式数据表通讯接口和PC机通讯接口相连后判断是否接受PC机指令，如接受，则可完成以下指令：校对数据表时间，读取及清空数据表中的数据，如不接受PC机数据传输指令，则返回系统上电后的流程。数据表不与采集器相连时，则读取数据表时钟并在LCD上显示时间，或不接受按键指令时均可以转入是否接受PC机指令的判断。

3上位机软件开发

3.1上位机软件实现的功能

本软件用于处理从现场取回的数据的下位机数据表中读取数据并对其进行相应的处理，主要包括如下功能：

●读取数据表中的数据；

●将读到的数据进行分析保存至数据库；

●将数据打包成XML和EXCEL文件便于与主机的通信；

●将数据导出到WORD模板文件中；

●将采集到的电位数据分别按照时间和里程两种计量方式以曲线图形的形式呈现出来，可以对图形进行缩放；还可以对大批数据进行均值和方差计算，便于对比分析；

●打印曲线图形以纸质的形式予以保存。

3.2上位机软件工作流程

当用电缆将便携式数据表通讯接口和上位机软件通讯接口连接之后，可对数据表发出接受指令，如果数据表选择接受，则可完成数据表时间校对、读取和清空数据表中存储的现场参数的数据，进而在PC机上对数据进行图形

分析。

4小结

综上可见，本系统可实现如下功能：

1)数据采集器根据设定模式（分钟、小时或天）定期进行现场参数（如管道交直流电位及管道周围环境温度）的自动测量和存储；

2)通过数据表LCD屏可以观察采集器工作是否正常；

3)通过数据表可以在现场对采集器模式进行设置、切换并可实现对时间的校正；

4)通过PC机可实现对数据表的时间进行校正并可实现对数据表内的数据进行读取和初步分析。

本例操作简单，不同模式间转换方便，可以定期采取不同模式对管道交直流电位和温度进行自动采集和存储。此外，系统采用有线传输方式，虽然需要定期到现场采集数据，但较以往人工测量可靠性更高，还解决了无GPS卫星信号地区参数无法传输的的问题，较无限传输更稳定。本系统结构较为简单,紧凑，既可以埋在地下也可以放在测试桩内，现场施工方便。此外，本系统采用耐低温电子元件，最低可耐-40℃以上的低温，便于高寒地区管道阴极保护系统的管理和维护。

Claims (12)

1.一种低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是它由数据采集器、便携式数据表、上位机PC组成;数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线连接；数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC连接。 

2.根据权利要求1所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是数据采集器安装于管道沿线阴极保护测试桩中，按照设定模式定时测量并存储管道现场参数；数据采集器包含由一个为数据采集器供电的大容量锂电池、微处理器、温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟和双数据总线接口、传输接口;管道及参比电极接交直流电压采样,交直流电压采样输出依次串接运放电路、A/D转换电路,A/D转换电路输出接微处理器输入;温度传感器输出接微处理器输入;微处理器有存储器、实时时钟和双数据总线接口;数据表与双数据总线接口连接;电池接微处理器、温度传感器、A/D转换电路、运放电路、交直流电压采样、存储器、实时时钟,为它们供电;数据采集器通过双数据总线接口与便携式数据表之间通过双数据总线进行参数设置和数据传输。 

3.根据权利要求1所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是便携式数据表由管道巡线人员携带，到管道测试桩读取数据采集器中的储存的现场数据；数据表由一个为数据表供电的电池、微处理器、按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟、RSS232串行通讯电路、MAX232串行通讯接口和数据总线、传输接口组成；接PC机输出的MAX232串行通讯接口输出接RSS232串行通讯电路,RSS232串行通讯电路输出接微处理器输入;微处理器有按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟和双数据总线接口;双数据总线接口接数据采器;电池接按键输入、LCD显示屏、SD存储器、实时时钟,为它们供电;数据表分别通过双数据总线和MAX232串行通讯接口与数据采集器和上位机PC连接。 

4.根据权利要求2所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述数据采集器的电源电路主要由U2、U13组成;+3.7V直流电的正极并联电容C0后接U13的8脚,8脚与6脚之间接电感L0,U13的2脚和5脚接地,7脚到地并接电容C1和电容C2后接U2的8脚,U2的2脚和4脚之间接电容C3,5脚到地之间接电容C4;U2的8脚输出+5V,U2的5脚输出-5V;U2选ICL7660;U13选MAX1797。 

5.根据权利要求1所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述数据采集器的微处理器电路主要由U1组成;U1的5脚接DC3.7V,同时DC3.7V 经电阻R25后接4脚,6脚和7脚经电容C18接地,7脚和8脚之间并接晶振X1,并晶振X1的两端各接一电容C18和电容C19到地,9脚接PD01的2脚;27脚经电容C21接地,并经电感L1接DC3.7V;29脚接U12的2脚;U1选ATMEGA16L。 

6.根据权利要求2所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述数据采集器的存储器及时钟部分的电路主要由U10、U11组成;U10选用型号PCF8563的含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片,U11选用型号为AT24C1024的大容量串行EEPROM;DC3.7V接U11的2脚和8脚,4脚和7脚接地,5脚和6脚分别接PC0和PC1;DC3.7V经电阻R24接U10的5脚,经电阻R23接U10的6脚;U10的1脚经电容C15接地,2脚经晶振X2和电容C15串联后接地;3脚接PB2,4脚接地;DC3.7V经电阻R22接PB2,DC3.7V接8脚,DC3.7V经电容C16和电容C17接地。 

7.根据权利要求2所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述数据采集器的交流电位测量部分的电路主要由O3和U3组成;O3为2组型号为G3VM_352C的光耦继电器,U3选用型号为AD736的AC/DC转换器;微处理器U1的PD2、PD3、PD4、PD5分别经电阻R2、R3、R4、R5接O3的1脚、3脚、5脚、7脚,O3的2脚、4脚、6脚、8脚接地;AC经电容C5后接16脚,16脚和14脚之间接电阻R6,14脚和12脚之间接电阻R7,12脚和10脚之间接电阻R8,10脚经电阻R9接地;9脚、11脚、13脚、15脚连接后经电阻R10到U3的2脚,+5V经二极管D1接2脚,-5V经二极管D2接2脚;U3的1脚经电容C18接地,8脚接地,3脚经电容C8接6脚并接PA6,4脚接-5V,-5V经电容C7接地;U3的5脚经电容C9接-5V,6脚接PA6,7脚经电容C6接地。 

8.根据权利要求2所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述数据采集器的直流电位测量部分的电路主要由O4、U7、U8和U9组成;O4为PS2501-2的光电耦合隔离器,U7和U8为LM258的运算放大器,U9选用型号为TCL393的过零比较器;AC经电阻R11和电阻R12串联后接U7的3脚,且在电阻R11和电阻R12之间由电容C11接地,3脚经电容C12接地;1脚和2脚经电阻R13和电阻R14串联后接U7的5脚,且电阻R13和电阻R14之间由电容C13接地,5脚经电容C14接地;4脚接-5V,8脚接+5V;6脚和7脚相接后一路经电阻R15接U8的2脚,U8的1脚和2脚之间接电阻R16,1脚接O4的8脚,U8的3脚接地,4脚接-5V,7脚接O4的6脚,O4的5脚和7脚接PA5,2脚和4脚接地,1脚经电阻R17接PC6,3脚经电阻R18接PC7;U7的6脚和7脚相接后另一路经电阻R19后 再接并联到地的电阻R23、二极管D3、二极管D4到U9的3脚;U9的1脚接PD6,2脚和4脚接地,8脚接+5V。 

9.根据权利要求2所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述数据采集器的光耦通断部分的电路主要由PVA3354光耦通断O2组成;O2的1脚经电阻R0接+5V,2脚接地,4脚与2脚接AC的1脚和2脚,3脚接AC;数据采集器的JTAG和USB接口部分的电路为:JTAG接口的1脚接DC3.7V,2脚-5脚分别接PC2-PC5,6脚接地;USB的1脚接DC3.7V,2脚、3脚分别接PC0、PC1,4脚接地。 

10.根据权利要求3所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述便携式数据表的微处理器部分电路主要包括U1和USB;U1为ATMEGA32芯片;其中,U1的1脚、2脚、3脚分别接PB5、PB6、PB7,4脚经电阻R10接VCC,且4脚一经电容C9接地,另一路经开关S1与电阻R9串联后接地;5脚接VCC,6脚接地,7脚和8脚分别经电容C8电容C7接地,并7脚和8脚之间接晶振X1;9脚、10脚、11脚分别接PB0、PB2、PB3,12脚、13脚、14脚、19脚、20脚、21脚、22脚分别接PB3、PB4、PB5、PB0、PB1、PB2;23脚、24脚、25脚、26脚、30脚、31脚、32脚、33脚分别接PB4、PB5、PB6、PB7、PB7、PB6、PB5、PB4;34脚、35脚、36脚、37脚、40脚、41脚、42脚、43脚、44脚分别接PA3、PA2、PA1、PA0、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4;18脚、28脚接地,38脚接VCC;USB的1脚接VCC,4脚接地,2脚经电阻R1接PC0,3脚经PC1电阻R2接PC1。 

11.根据权利要求3所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述便携式数据表的串口部分电路主要包括U3和DB9;U3为MAX232的单电源电平转换芯片，DB9为9芯DB头塑料壳/USB接口;U3的1脚和3脚之间接电容C1,4脚和5脚之间接电容C3,2脚经电容C2接16脚,16脚与11脚之间接电容C5,11脚接地,6脚经电容C4接地;7脚和8脚分别接DB9的2脚和3脚,DB9的5脚接地;13脚和14脚相连,9脚和10脚分别接PD0和PD1。 

12.根据权利要求3所述的低温型埋地油气管道参数自动监测系统,其特征是所述便携式数据表的SD卡存储部分电路主要包括8GSD卡;SD的1脚一经电阻R6接PB4,二经电阻R3接地;2脚一经电阻R7接PB5,二经电阻R4接地;5脚一经电阻R8接PB7,二经电阻R5接地;3脚和6脚接地,4脚接3.3V,7脚接PB6。 

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