CN206145439U - 数字化网络传输仪和泄漏监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供数字化网络传输仪和泄露监测系统，数字化网络传输仪包括：供电模块、主控芯片、模拟电路部分、GPS&北斗授时模块、通信模块和传感器接口模块；供电模块分别连接主控芯片、模拟电路部分、通信模块，主控芯片连接时钟发生器和数模转换模块，接收并保存数模转换模块传送来的数字信号数据和时间数据；GPS&北斗授时模块与主控芯片连接，向主控芯片发送指令和数据，通信模块与主控芯片连接，用于传输主控芯片保存的数据；泄露监测系统包括数字化网络传输仪、传感器和判断模块。利用本实用新型，精度高、定位准，而且能实时监测管路的状态。

Description

数字化网络传输仪和泄漏监测系统

技术领域

本实用新型涉及管道输送领域，尤其涉及一种数字化网络传输仪和泄漏监测系统。

背景技术

管道输送是与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输行业之一，它作为一种特殊设备越来越广泛用于石油、化工化肥、电力、冶金等工业领域和城市燃气、供热系统，几乎一切流体在其生产、加工、运输及使用过程中都使用压力管道。截至2013年底，我国已建成油气管道约11万多公里，其中天然气管道6.4万公里，原油管道2.6万公里，成品油管道2万公里，城市内燃气管道3.5万公里。随着我国经济的持续发展，我国管道拥有量必将大大增加，其安全问题至关重要。

我国的城市埋地燃气输送管道，其中有40％已运行20年左右，不少管道已进入事故高发阶段。由于管线的老化，不可避免的腐蚀、自然或人为损坏等因素，管道泄漏事故频频发生。然而，目前，我国的管道监测技术方法非常落后，在泄露监测方面，没有能够快速、方便地确定泄露部位的技术和仪器。一旦管道发生泄露，往往需要花费大量的物力、人力和时间来寻找泄露点。因此大力发展和普及管道监测技术十分必要。

实用新型内容

为了克服现有的缺陷，本实用新型提出一种数字化网络传输仪。

根据本实用新型的一个方面，提出了一种数字化网络传输仪，包括：供电模块、主控芯片、模拟电路部分、GPS&北斗授时模块、通信模块和传感器接口模块，其中：

供电模块分别连接主控芯片、模拟电路部分和通信模块，并给主控芯片供3.3V电压、给模拟电路部分供5V电压、给通信模块供5V电压，其中模拟电路部分包括时钟发生器、数模转换模块；

主控芯片连接时钟发生器，通过配置时钟发生器的寄存器对时钟发生器的主时钟分频；主控芯片与数模转换模块相连，并接收并保存数模转换模块传送来的数字信号数据和时间数据；

优选的，主控芯片连接有0.05ppm的高精度时钟晶振；

时钟发生器与数模转换模块相连，为数模转换模块提供可变的主时钟，从而实现可变的采样率；调整范围为200Hz-144KHz，能够适应不同的应用场合；

数模转换模块与传感器相连，并将传感器的模拟信号转化为数字信号，并发送给主控芯片；

GPS&北斗授时模块，与主控芯片连接，向主控芯片发送数据，主控芯片通过解析GPS&北斗模块提供的符合NMEA-0183标准协议数据，得到标准的时钟数据，并把这个时钟同步到系统时钟，使得所有在网的网络传输仪系统时钟高度同步，时钟误差在1ms以内，能够有效提高判断泄露位置的精度，缩小误差范围；

通信模块，所述供电模块与通信相连，并给通信模块供5V电压，所述通信模块与主控芯片连接，用于传输主控芯片保存的数字信号数据和时间数据；

传感器接口模块连接模拟传感器和/或数字传感器，将采集的模拟信号送入数模转换模块，将数字信号发送给主控芯片。

进一步的，数字化网络传输仪还包括存储卡，比如，内置8G TF卡，与主控芯片和通信模块相连，在网络不畅的情况下能够对主控芯片传送来的数字信号数据和时间数据进行存储，当网络恢复后再通过通信模块进行传输，保证了数据的完整性。

优选的，供电模块的按照GB3836.4-2010中的EX(mb)ib〔ia Ga〕Ⅱb T4Gb的要求设计，并且分三路对不同部分进行供电，从而进行了能量限制。

优选的，数模转换模块采用德州仪器的24位高精度ADS1274芯片，供电模块降压后(如，通过DC-DC芯片)与LDO:TPS7A8001连接，LDO:TPS7A8001向ADS1274提供5V电源。ADS1274实现4路同步采样，提供极高的分辨率。

优选的，通信模块包括3G模块、WIFI模块或ADSL模块等。传输部分硬件采样模块化设计，可根据现场情况提供不同的传输方式，并且提供RJ45网络接口，可通过局域网传输。

进一步的，数字化网络传输仪还包括安全板，所述安全板与供电模块、数模转换模块、传感器连接，传感器监测到的信号通过安全板上的隔离栅电路输入到数模转换模块的输入端；24V供电通过安全板上的另一隔离栅电路对电压输出进行限制，然后向传感器提供符合GB3836.4-2010中的[Exia]ⅡC安全等级的本安电源。

优选的，所述数字化网络传输仪具有符合GN420中规定的防护等级为IP66的外壳。

优选的，所述数字化网络传输仪通过通信模块与调度室连接，通过调度室能够设置数字化网络传输仪的IP地址、采样率、采集方式。

本实用新型可以根据实际需求配置各模块，如WIFI模块、传感器模块、3G模块、定位模块等。

数字化网络传输仪的优势：

1)适合于煤气管道、石油管道或易燃易爆的化学管道传输，满足国际标准GB3836的防爆及防护要求；

2)能够连接电流型、电压型、RS485数据输出三种类型的次声波传感器；

3)数字化网络传输仪是一款通过采集和数据传输为主，可以基于ARM9、RS485的数据采集传输设备。满足低功耗、低价格与高性能的的需求，具备更强大的运算能力、更方便的网络功能、更先进的远程监控功能。

根据本实用新型的另一方面，提出一种泄露监测系统，包括上述的数字化网络传输仪、传感器和判断模块，在管道上设置多个与传感器连接的数字化网络传输仪，数字化网络传输仪实时地将采样信息传送给判断模块，判断模块能够判断管道上的泄露点。

泄露监测系统基于上述的数字化网络传输仪的精度，能很好地判断漏点的精度和准确度。

附图说明

图1是数字化网络传输仪结构示意图；

图2是TPS7A8001芯片的开关频率和电源抑制比的关系图，其中，不同颜色曲线代表不同输出电流下开关频率和电源抑制比的关系；

图3是数字化网络传输仪与调度室交互的流程示意图；

图4是数字化网络传输仪监测泄露点的示意图；和

图5是TPS73028芯片的开关频率和电源抑制比的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的网络传输仪和泄漏监测系统进行详细描述。

在以下的描述中，将描述本实用新型的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本实用新型的一些或者全部结构或者流程来实施本实用新型。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本实用新型。在其他情况下，为了不混淆本实用新型，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

图1所示为数字化传输仪的结构图，包括以下模块：一种数字化网络传输仪，包括供电模块、主控芯片、模拟电路部分、GPS&北斗授时模块、通信模块和传感器接口模块。

供电模块分别连接主控芯片、模拟电路部分和通信模块，并给主控芯片供3.3V电压、给模拟电路部分供5V电压、给通信模块供5V电压，其中模拟电路部分包括时钟发生器和与之相连的数模转换模块。

主控芯片连接时钟发生器，通过配置时钟发生器的寄存器对时钟发生器的主时钟分频；主控芯片与数模转换模块相连，并接收并保存数模转换模块传送来的数字信号数据和时间数据。

主控芯片连接数模转换模块相连，通过芯片上的SPI接口读取数模转换采集到的数据；与主控芯片相连的还有0.05ppm的高精度时钟晶振。

时钟发生器与数模转换模块相连，为数模转换模块提供可变的主时钟，从而实现可变的采样率。

数模转换模块与传感器接口模块相连，并将从传感器采集的模拟信号转化为数字信号，并发送给主控芯片。

GPS&北斗授时模块，与主控芯片连接，向主控芯片发送pps指令和数据。

通信模块，与主控芯片连接，用于传输主控芯片保存的数据。

传感器接口模块连接模拟传感器和/或数字传感器，将采集的模拟信号送入数模转换模块，将数字信号发送给主控芯片。

下面结合图1所示具体进行介绍。

供电模块，按照EX(mb)ib〔ia Ga〕Ⅱb T4Gb的要求，进行了防爆设计，把24V电源输入分隔成3部分，分别给主控芯片部分供3.3V电压、模拟部分电路(包括时钟发生器和与之相连的数模转换模块)供5V电压和所有功能模块(如通信模块、GPS&北斗授时模块)供5V电压，从而对3路供电进行能量限制。

主控芯片采用arm 9(当然，也可以采用其他类型)，它的SPI(其他CPU基本上也都有)接口连接时钟发生器，可通过配置时钟发生器的寄存器实现对时钟发生器的主时钟进行分频，时钟发生器的主时钟为一个精度为0.5ppm的有源晶振，时钟发生器与数模转换模块相连，为数模转换模块提供可变的主时钟，从而实现可变的采样率，并有效提高了数模转换模块的时钟精度。

数模转换模块(即ADC)采用德州仪器的24位高精度ADS1274芯片,有效位达到18位，同时采用具有在开关频率很高的情况下也有高的电源抑制比的LDO:TPS7A8001给ADS1274提供5V电源。普通的LDO只有在开关电源的开关频率较低的情况下才能有相对高的电源抑制比，消除开关电源产生的电源纹波，例如图5所示的就是一颗普通LDO:TPS73028的电源抑制比和开关频率的关系图，从图中可看出，从10Hz到10kHz的情况下有70db的电源抑制比，但是在频率超过1M的情况下，只有不到30db的电源抑制比，针对这个问题，我们选用了LDO:TPS7A8001，它在高频的情况下也有高的电源抑制比,如图2所示，可以看出从10HZ到1MHz，都能提供55db以上的电源抑制比，提供给模拟部分电路超低纹波的电源，从而消除开关电源产生的电源纹波，为AD芯片能够得到更高的有效位打下基础。

但是由于TPS7A8001的输入电压范围为不能超过7V，所以供电时先连接DC-DC芯片，用于把24V电压降压到6V，然后再连接到TPS7A8001的电压输入端。

在一个实施例中，数字化传输仪的传感器接口模块可以连接提供3个传感器(2个模拟量的传感器和1个数字量的传感器)，通过5pin的LEMO座连接。

模拟量的传感器通过安全板与数模转换模块连接，传感器监测到的信号通过安全板上的隔离栅电路输入到数模转换模块的输入端；24V供电通过安全板上的另一隔离栅电路对电压输出进行限制，然后向传感器提供符合[Exia]ⅡC安全等级的本安电源。

数字量传感器接口，可以连接RS485类型的传感器，接收来自传感器的数字信号，主控芯片通过传感器厂商提供的通讯协议，对数据进行解析，实现对数据的采集、传输、存储。

GPS&北斗授时模块，通过串口与主控芯片连接，GPS&北斗授时模块在允许的情况下接收GPS或北斗系统发送的信息，然后发送给主控芯片；主控芯片接收来自GPS&北斗授时模块的串口数据，通过解析串口数据，得到精确的时钟，结合GPS&北斗授时模块提供的1pps信号(1pps信号的误差为10ns)，每8分钟使用标准的GPS时钟对系统时钟进行同步，理论上所有在网的数字化传输仪的时钟的精度在100ns，由于软件处理时间，实际系统的时钟误差在1ms以内。

通信模块，通过USB接口与主控芯片连接，通信模块可以包含标准USB接口协议、3G/4G无线通讯(支持GPRS)、WIFI无线通讯、ADSL有线通信、RJ45网络接口等多种形式的实现，以满足不同环境下对采集的数据进行传输的需求。通信模块与调度室或其他控制系统相连，以便接收和发送数据及指令，其结构设计上采用模块化设计，即插即用，方便实用，升级简单。

数字化网络传输仪还可以内置32GB的TF卡网络，对采样数据进行同步保存，在断网的情况下也能保存数据，确保数据的完整性。网络连通后，可以通过通信模块将保存的数据传送出去。

数字化网络传输仪具有外壳，它的防护等级为IP66，能够适应比较恶劣的自然环境。

如图3所示，数字化网络传输仪可以通过通信模块与调度室连接，从而通过软件上的web界面对IP、采样率、采集方式等进行设置，通过FTP服务器对所有在网的数字化网络传输仪进行配置，及实现系统软件升级更新。

根据本实用新型提出了一种泄露监测系统，包括分布在管道上的网络传输仪、与网络传输仪相连接的传感器，以及判断模块。优选的，传感器为次声波传感器。

判断模块接收数字化网络传输仪发送的采样文件，对其进行判断，其原理是到达时间差(TDOA，Time Difference of Arrival)的方式,如图4所示，截取管网上一条10KM的管道，其两端分别放置2个次声波传感器和数字化网络传输仪，为提高泄露位置的定位准确性，通过泄漏信号到达2个传输仪的时间差计算出泄漏点的位置，针对长线传输，可在管道传输中的每个加压站安装1台传输仪，则2个数字化网络传输仪就可以监测这段管道的情况了。

针对不同的应用领域，由于次声波的频率和用户对数据量的需求，需要使用不同的采样率，例如针对地震监测，只需要几HZ的采样率，当使用在泥石流领域，则需要600HZ的采样率，管道监测一般使用1000HZ的采样率，由于ADS1274芯片的采样率只由它的时钟频率决定，所有我们采用了一个宽可变频率的时钟发生器，提供可变的时钟频率，从而提供可变的采样率，适应各种不同的应用领域，使得传输仪的应用面更广。

由于现有技术很多也是采用次声波对管道泄漏进行监测，但是现在基本上都是只能在泄漏瞬间对数据进行监测，但是当泄漏已经发生后，就没有办法再对管道的泄漏进行监测，并且现有技术只能把泄漏定位在这2个监测仪的中间，并不能很精确的对泄漏位置进行定位。而本实用新型的数字化传输仪能有效提高采集数据的精度和时钟精度，能够提高管道泄漏位置的定位精度，能够达到20米以内的误差。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方案，但本实用新型的保护范围并不仅仅局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替代或者改变，都应覆盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字化网络传输仪，包括供电模块、主控芯片、模拟电路部分、GPS&北斗授时模块、传感器接口模块和通信模块，其特征在于：

所述供电模块分别连接到所述主控芯片、所述模拟电路部分、所述通信模块，以给所述主控芯片提供3.3V电压、给所述模拟电路部分提供5V电压、给所述通信模块提供5V电压，其中所述模拟电路部分包括时钟发生器和与所述时钟发生器相连的数模转换模块；

所述主控芯片连接所述时钟发生器，通过配置所述时钟发生器的寄存器对所述时钟发生器的主时钟分频，所述主控芯片与所述数模转换模块相连，接收并保存所述数模转换模块传送来的数字信号数据和时间数据；

所述时钟发生器为所述数模转换模块提供可变的主时钟，从而实现可变的采样率，并且所述时钟发生器为所述主控芯片提供主时钟；

所述数模转换模块与所述传感器接口模块相连，以将从所述传感器接口传送来的模拟信号转化为数字信号并发送给所述主控芯片；

所述GPS&北斗授时模块与所述主控芯片连接，向主控芯片发送指令和数据；

所述通信模块与所述主控芯片连接，以用于传输所述主控芯片保存的数据；以及

所述传感器接口模块连接模拟传感器和/或数字传感器，以将采集的模拟信号送入所述数模转换模块并将数字信号发送给所述主控芯片。

2.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，还包括：

存储卡，所述存储卡与所述主控芯片和所述通信模块相连，以用于保存所述主控芯片传送来的数字信号数据和时间数据，通过所述通信模块传送所述数字信号数据和所述时间数据。

3.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，所述主控芯片还连接有高精度时钟晶振，以用于为主控芯片提供时钟。

4.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，所述供电模块按照EX(mb)ib〔ia Ga〕Ⅱb T4Gb的要求设计。

5.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，所述数模转换模块采用德州仪器的24位高精度ADS1274芯片，供电模块降压后与LDO:TPS7A8001连接，LDO:TPS7A8001向ADS1274提供5V电源。

6.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，所述通信模块包括3G模块、WIFI模块、ADSL模块和/或RJ45网络接口。

7.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，还包括：

安全板，所述安全板与所述供电模块、所述数模转换模块和所述传感器连接，所述传感器监测到的信号通过所述安全板上的隔离栅电路输入到所述数模转换模块的输入端，24V供电通过所述安全板上的另一个隔离栅电路对电压输出进行限制，然后向所述传感器提供符合[Exia]ⅡC安全等级的本安电源。

8.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，所述数字化网络传输仪具有防护等级为IP66的外壳。

9.根据权利要求1所述的数字化网络传输仪，其特征在于，所述数字化网络传输仪通过所述通信模块与调度室连接，通过所述调度室能够设置所述数字化网络传输仪的IP、采样率、采集方式。

10.一种泄露监测系统，其特征在于，所述泄露监测系统包括如权利要求1-9中任一项所述的数字化网络传输仪、传感器和判断模块，在管道上设置多个与传感器连接的所述数字化网络传输仪，所述数字化网络传输仪实时地将采样信息传送给所述判断模块，所述判断模块用于判断管道上的泄露点。