CN207648475U - 一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，包括超声波流量检测模块、单片机、电磁阀模块、节点振动检测模块、通讯模块、上位机；所述超声波流量检测模块安装于待检测管道的内壁且与单片机电性连接；所述单片机还与电磁阀模块电性连接；所述节点振动检测模块数量为多个，且多个节点振动检测模块把待检测管道等距划分；所述上位机通过通讯模块与节点振动检测模块通讯连接；所述节点振动检测模块为紧贴于待测管道外壁的超声波探测仪。不仅利用超声波探测技术对管道的破损进行高精度检测，而且在管道漏水的情况下能够及时阻断水流量，防止水资源浪费。

Description

一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置

技术领域

本实用新型涉及管道检测领域，具体的说，是一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置。

背景技术

随着世界人口和经济的迅猛发展，因为输送管道破损而泄漏的原因造成的水资源或气体资源的浪费已经成为社会经济发展的主要约束因素之一。我国城市自来水供给系统每年因管道泄漏造成的损失相当惊人，既浪费了宝贵的水资源也造成了巨大的经济损失；而天然气或者是其它燃气因为管道破损而造成的泄漏不仅会造成资源的浪费而且更是有可能会造成安全事故。如何快速的查找泄漏点，为管道工程技术人员提供有效的检漏方法和装置，一直是从事供水管道工作的科技人员和学者致力研究的重要目标。

如今最常用的管道泄漏检测方法为听音法，指用某种传声工具倾听漏水或者漏气的声音，根据漏水声或漏气声的大小与音质特点来判断漏水或漏气的位置，从简单的机械式听漏棒到各类听音检漏仪，这一方法从本质上说应叫声振法。目前发展相当迅速，是国内外应用的最为普遍而有效的方法，然而，这种检测方法也存在一定缺陷，当泄漏量较小或则检测距离较远，泄漏信号一般都比较微弱，导致探测头并不能良好的采集到振动信号，而且探测头在采集信号的同时，会受到来自各个方面的杂音干扰，例如电路噪声、检测环境噪声等，从而影响我们对管道的监测准确度。

有鉴于此，提供一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置实现高精度的管道漏水检测是非常有必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，不仅利用超声波探测技术对管道的破损进行高精度检测，而且在管道漏水的情况下能够及时阻断水流量，防止水资源浪费。

本实用新型通过下述技术方案实现：一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，包括超声波流量检测模块、单片机、电磁阀模块、节点振动检测模块、通讯模块、上位机；所述超声波流量检测模块安装于待检测管道的内壁且与单片机电性连接；所述单片机还与电磁阀模块电性连接；所述节点振动检测模块数量为多个，且多个节点振动检测模块把待检测管道等距划分；所述上位机通过通讯模块与节点振动检测模块通讯连接；所述节点振动检测模块为紧贴于待测管道外壁的超声波探测仪。

其工作原理：一方面，超声波流量检测模块对其管道内流量变化进行实时检测，具体的，当管道有流体流过时，以管道作为固定的坐标系时，超声波信号在管道内部的顺逆流传播速度是不同的。而传播速度差法就是利用顺流传播速度和逆流传播速度之差与管道中流体流速之间的关系来计算出流量。另一方面，节点振动检测模块对其管道壁上漏水的破损处的振动情况进行检测，具体利用超声波探测仪贴附于管道外壁进行检查，超声波探测仪再把采集的数据通过通讯模块传输到上位机，在上位机中进行波形显示，其中，上位机包括必备仪器脉冲发生接收器、数字示波器以对采集数据进行显示；上位机再通过显示的脉冲波形情况判断管道是否破损。

在管道严重突发漏水的情况下，超声波流量检测模块能够及时检测到水流量的突变信息，突变数据被单片机接收以后经过处理转化成控制指令，控制指令再传输至电磁阀模块，控制电磁阀闭合，以避免水资源的浪费。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述超声波流量检测模块包括第一发射换能器、第一接收换能器、第二发射换能器、第二接收换能器以及信号处理模块；所述第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器均嵌设于待测管道内壁两侧形成一对交叉声道且第一接收换能器、第二接收换能器分别与信号处理模块电性连接。通过所述第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器均嵌设于待测管道内壁两侧形成一对交叉声道，因其声道的对称性，所以不需要考虑声道权重的调配问题，能够较全面的对其管内流量进行精准检测。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述信号处理模块包括依次连接的电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端差分电路、AD转换电路。经过电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端差分电路、AD转换电路一系列的信号处理，实现回波信号的滤波和放大，使得波形更加清晰，放映更加准确。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述电磁阀模块包括电磁阀与电磁阀驱动电路且电磁阀通过电磁阀驱动电路与单片机连接，所述电磁阀驱动电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感L1、二极管D1、第一三极管、第二三极管、光电耦合器；所述光电耦合器的接口1通过电阻R1连接VCC；光电耦合器的接口2接第一三极管的集电极，第一三极管的基极通过电阻R2连接第二三极管的发射极；光电耦合器的接口3通过电阻R4接接电压V0；光电耦合器的接口4连接第二三级管的基极，且分支出一条支路通过电阻R3接第二三级管的发射极；第二三级管的集电极通过电感L1接电压V0，且电感L1并联有串联的电阻R5和二极管D1。由于单片机输出控制信号为TTL电平，不能直接控制电磁阀动作，需要增加电磁阀驱动电路，电路采用光电耦合器将控制信号输出电路与电磁阀驱动电路隔离，从而抑制驱动电路的高频干扰进入控制电路部分，以保证其正常工作。电阻R5和二极管D1在喷油器关闭时构成放电通路，以防止功率三极管损坏，它们和电磁阀线圈组成消弧电路。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述单片机为C8051F980单片机。为了满足低功耗的应用需求，C8051F980单片机提供五种电源管理模式：正常、停机、空闲、睡眠以及挂机。该控制器支持1.8V到3.6V的供电电压，具有QFN20的小型化封装，不仅在功耗方面得到降低，在体积和重量方面也符合便携式设计的理念。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述通讯模块为ZigBee模块。采用ZigBee模块是因为ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了它适合于承载数据流量较小的业务。而ZigBee还具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的特点，这些特点使得其在传感器网络领域有很大的发展空间，用在本装置作为多个传感器的通信模块也非常适合。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述ZigBee模块主要由芯片U2组成，所述芯片U2为XBee-PROS2，且XBee-PROS2的引脚DOUT接STM32F107的引脚PC11；XBee-PROS2的引脚DIN接STM32F107的引脚PC10。这里采用XBee-PROS2，是因为XBee-PROS2扩展了ZigBee无线网络通讯距离并且增强了信号，组成冗余网络路径，使网状网更加可靠，体积紧凑，易于部署，而且安全性高，具有很高的可靠性。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型通过利用超声波探测技术，能够通过其反映的波形检测出微小的管道破损口，而且检测精准；再通过无线通讯模块将采集数据发送至上位机进行处理显示，避免了冗杂的布线操作，并且传输稳定便于维修；通过流量检测和电磁阀自动控制，在紧急的严重漏水情况发生后能够及时阻断水流量，避免造成水资源的过多浪费。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中的原理框图；

图2为本实用新型实施例2中的超声波流量检测模块结构示意图；

图3为本实用新型实施例3中电压放大电路图；

图4为本实用新型电磁阀模块电路原理图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，如图1所示：包括超声波流量检测模块、单片机、电磁阀模块、节点振动检测模块、通讯模块、上位机，所述上位机还通过脉冲发生接收器、数字示波器与通讯模块连接。所述超声波流量检测模块安装于待检测管道的内壁且与单片机电性连接；所述单片机还与电磁阀模块电性连接；所述节点振动检测模块数量为多个，且多个节点振动检测模块把待检测管道等距划分；所述上位机通过通讯模块与节点振动检测模块通讯连接；所述节点振动检测模块为紧贴于待测管道外壁的超声波探测仪。

其工作原理：一方面，超声波流量检测模块对其管道内流量变化进行实时检测，具体的，当管道有流体流过时，以管道作为固定的坐标系时，超声波信号在管道内部的顺逆流传播速度是不同的。而传播速度差法就是利用顺流传播速度和逆流传播速度之差与管道中流体流速之间的关系来计算出流量。另一方面，节点振动检测模块对其管道壁上漏水的破损处的振动情况进行检测，具体利用超声波探测仪贴附于管道外壁进行检查，超声波探测仪再把采集的数据通过通讯模块传输到上位机，在上位机中进行波形显示，其中，上位机包括必备仪器脉冲发生接收器、数字示波器以对采集数据进行显示；上位机再通过显示的脉冲波形情况判断管道是否破损。

在管道严重突发漏水的情况下，超声波流量检测模块能够及时检测到水流量的突变信息，突变数据被单片机接收以后经过处理转化成控制指令，控制指令再传输至电磁阀模块，控制电磁阀闭合，以避免水资源的浪费。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图2所示：所述超声波流量检测模块包括第一发射换能器、第一接收换能器、第二发射换能器、第二接收换能器以及信号处理模块；所述第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器均嵌设于待测管道内壁两侧形成一对交叉声道且第一接收换能器、第二接收换能器分别与信号处理模块电性连接。通过所述第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器均嵌设于待测管道内壁两侧形成一对交叉声道，因其声道的对称性，所以不需要考虑声道权重的调配问题，能够较全面的对其管内流量进行精准检测。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上做进一步优化，如图3所示：所述信号处理模块包括依次连接的电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端差分电路、AD转换电路。经过电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端差分电路、AD转换电路一系列的信号处理，使得波形更加清晰，放映更加准确。

其中，如图3所示：电压放大电路由运算放大器和外部电容电阻组成。运算放大器选取TI公司的100MHz低噪声高速运放，如图3.4所示。它的输入电压噪声低至1.6nV/Hz，压摆率却高达100V/us。当信号频率为1MHz，负载电阻为150Ω时，信号的失真率仅为72dB，最大可以输出90mA的电流，供电电源可从±5V到±15V变化。在数字信号处理中，需要得到回波信号的正极值点，因此电压放大电路采用了柔性设计理念，通过焊接对应的电阻，可以实现信号的正向放大和反相放大。当回波信号负向极值点较稳定时，将电阻R43和R54焊接上，实现回波信号的反相放大，当回波信号正向极值点更稳定时，将电阻R47和R59焊接上实现回波信号的同相放大。而电容C22和C23用于滤除回波信号的直流偏置，防止运放饱和。

其中，带通滤波电路由运算放大器和外部电容电阻组成。运算放大器选用MAXIM公司的4阶连续时间有源滤波器芯片。

其中，自增益放大电路由运算放大器、AGC芯片和外围电容电阻组成，不需要软件参与，不仅减少了系统计算量，而且调节速度更快、更稳定。

其中，单端转差分电路由差分运算器和外部电阻电容组成。差分运放选用ADI公司的低失真ADC驱动器，电路通过差分输出，有效地抑制偶次谐波的干扰。

本实施例的其他部分与实施例2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上做进一步优化，如图4所示：所述电磁阀模块包括电磁阀与电磁阀驱动电路且电磁阀通过电磁阀驱动电路与单片机连接，所述电磁阀驱动电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感L1、二极管D1、第一三极管、第二三极管、光电耦合器；所述光电耦合器的接口1通过电阻R1连接VCC；光电耦合器的接口2接第一三极管的集电极，第一三极管的基极通过电阻R2连接第二三极管的发射极；光电耦合器的接口3通过电阻R4接接电压V0；光电耦合器的接口4连接第二三级管的基极，且分支出一条支路通过电阻R3接第二三级管的发射极；第二三级管的集电极通过电感L1接电压V0，且电感L1并联有串联的电阻R5和二极管D1。由于单片机输出控制信号为TTL电平，不能直接控制电磁阀动作，需要增加电磁阀驱动电路，电路采用光电耦合器将控制信号输出电路与电磁阀驱动电路隔离，从而抑制驱动电路的高频干扰进入控制电路部分，以保证其正常工作。电阻R5和二极管D1在喷油器关闭时构成放电通路，以防止功率三极管损坏，它们和电磁阀线圈组成消弧电路。

本实施例的其他部分与实施例3相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上做进一步优化，所述单片机为C8051F980单片机。为了满足低功耗的应用需求，C8051F980单片机提供五种电源管理模式：正常、停机、空闲、睡眠以及挂机。该控制器支持1.8V到3.6V的供电电压，具有QFN20的小型化封装，不仅在功耗方面得到降低，在体积和重量方面也符合便携式设计的理念。

所述通讯模块为ZigBee模块。采用ZigBee模块是因为ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了它适合于承载数据流量较小的业务。而ZigBee还具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的特点，这些特点使得其在传感器网络领域有很大的发展空间，用在本装置作为多个传感器的通信模块也非常适合。

所述ZigBee模块主要由芯片U2组成，所述芯片U2为XBee-PROS2，且XBee-PROS2的引脚DOUT接STM32F107的引脚PC11；XBee-PROS2的引脚DIN接STM32F107的引脚PC10。这里采用XBee-PROS2，是因为XBee-PROS2扩展了ZigBee无线网络通讯距离并且增强了信号，组成冗余网络路径，使网状网更加可靠，体积紧凑，易于部署，而且安全性高，具有很高的可靠性。

本实施例的其他部分与实施例4相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：包括超声波流量检测模块、单片机、电磁阀模块、节点振动检测模块、通讯模块、上位机；所述超声波流量检测模块安装于待检测管道的内壁且与单片机电性连接；所述单片机还与电磁阀模块电性连接；所述节点振动检测模块数量为多个，且多个节点振动检测模块把待检测管道等距划分；所述上位机通过通讯模块与节点振动检测模块通讯连接；所述节点振动检测模块为紧贴于待测管道外壁的超声波探测仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：所述超声波流量检测模块包括第一发射换能器、第一接收换能器、第二发射换能器、第二接收换能器以及信号处理模块；所述第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器均嵌设于待测管道内壁两侧形成一对交叉声道且第一接收换能器、第二接收换能器分别与信号处理模块电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：所述信号处理模块包括依次连接的电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端差分电路、AD转换电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：所述电磁阀模块包括电磁阀与电磁阀驱动电路且电磁阀通过电磁阀驱动电路与单片机连接，所述电磁阀驱动电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电感L1、二极管D1、第一三极管、第二三极管、光电耦合器；所述光电耦合器的接口1通过电阻R1连接VCC；光电耦合器的接口2接第一三极管的集电极，第一三极管的基极通过电阻R2连接第二三极管的发射极；光电耦合器的接口3通过电阻R4接接电压V0；光电耦合器的接口4连接第二三级管的基极，且分支出一条支路通过电阻R3接第二三级管的发射极；第二三级管的集电极通过电感L1接电压V0，且电感L1并联有串联的电阻R5和二极管D1。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：所述单片机为C8051F980单片机。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：所述通讯模块为ZigBee模块。

7.根据权利要求6所述的一种基于超声波技术的管道漏水节点检测装置，其特征在于：所述ZigBee模块主要由芯片U2组成，所述芯片U2为XBee-PROS2，且XBee-PROS2的引脚DOUT接STM32F107的引脚PC11；XBee-PROS2的引脚DIN接STM32F107的引脚PC10。