CN216954383U - 一种管道阀门角度在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种管道阀门角度在线监测装置，包括分立的检测模块与环形辅助模块，检测模块固定设置于阀门的手柄，环形辅助模块与手柄同轴设置、且固定安装于阀门本体；环形辅助模块上朝向检测模块设有逐级变化的多个台阶面，检测模块上设有多个正对台阶面的第一TOF传感器；检测模块内设有IMU模块和主控模块，IMU模块和第一TOF传感器分别与主控模块通信连接；IMU模块检测手柄的第一旋转角度值；第一TOF传感器检测检测模块相对于台阶面的距离变化值；主控模块将距离变化值换算成第二旋转角度值，还计算第二旋转角度值与第一旋转角度值之间的差值，当差值大于误差阈值时发出报警信息。本实用新型提升了检测装置的测量精度，且成本较低。

Description

一种管道阀门角度在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及监测系统技术领域，具体涉及一种管道阀门角度在线监测装置。

背景技术

目前石油、化工等行业远距离运输线上基本都是使用传统机械阀门来控制开启和关闭，随着与日俱增的需求量，相应的管道阀门数量也是快速增长，管道日常保养、检修时由于人工操作疏忽，没有确认管道阀门处于完全关闭状态而造成的安全事故越来越多。

管道的日常保养、检修时，人工来确认管道阀门是否完全闭合，需要花费较多的时间成本、人力成本，所以对自动监测管道阀门开合角度的装置及系统的需求就变得尤为迫切。

目前已经面世的电磁阀门具有功耗高、成本高、调节精度受限等原因不适合在上述行业大规模推广及改造。此外当前电磁阀门只有开启和关闭两种状态，中间位置无法得知。

TOF(Time of Flight，时间飞行)传感器具有体积小、误差小、性能稳定、成本低、功耗低等优点，另外具有强的抗灰尘和抗强光能力。

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)IMU(InertialMeasurement Unit，惯性传感器)同样具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、生产成本低等优点，但具有长期累积漂移的缺点。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种管道阀门角度在线监测装置，其通过IMU监测阀门的开度，同时通过TOF传感器检测的角度去监测IMU的累积角度漂移是否已经达到误差阈值，防止IMU长期累积漂移造成的测试误差未被发现，能保证整个监测装置的测量精度。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种管道阀门角度在线监测装置，包括分立的检测模块与环形辅助模块，所述检测模块固定设置于阀门的手柄，所述环形辅助模块与阀门的手柄同轴设置、且固定安装于阀门的本体；所述环形辅助模块上朝向检测模块设有逐级变化的多个台阶面，所述检测模块上设有多个正对所述台阶面的第一TOF传感器；所述检测模块内设有IMU模块和主控模块，所述IMU模块和第一TOF传感器分别与主控模块通信连接；

所述IMU模块用于检测手柄的第一旋转角度值；

所述第一TOF传感器用于检测检测模块相对于台阶面的距离变化值；

所述主控模块用于将所述距离变化值换算成第二旋转角度值，还用于计算第二旋转角度值与第一旋转角度值之间的差值，当所述差值大于误差阈值时发出报警信息。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

优选的，所有的台阶面首尾相连共同组成环形台阶，多个第一TOF传感器对准环形台阶呈圆周阵列排布；所述检测模块跟随阀门的手柄同轴旋转时，呈圆周阵列排布的多个第一TOF传感器同步沿环形台阶的周向位移。

优选的，所述台阶面的高度为逐级升/降，除去最高台阶面与最低台阶面之间的高度差之外，其余相邻台阶面的高度差一致。

优选的，所述台阶面的数量设置使得相邻台阶面的高度差对应的单位角度比所述误差阈值小。

优选的，所述检测模块内设有无线通信模块，所述无线通信模块与主控模块通信连接，所述无线通信模块用于实现本装置与上位机的无线通信。

优选的，所述检测模块内设有加密鉴权模块，所述加密鉴权模块与主控模块通信连接，所述加密鉴权模块内预存有身份验证信息。

优选的，所述检测模块上设有第二TOF传感器，所述第二TOF传感器的检测端朝向阀门的手柄的径向，所述第二TOF传感器与主控模块通信连接，用于检测本装置所处环境中是否有目标靠近本装置；当第二TOF传感器检测到有目标靠近本装置时，向主控模块输出唤醒信号。

优选的，所述检测模块内设有电源模块，电源模块包括可充电电池与电源转换芯片，所述电源转换芯片的输入端与外部电源接口连接，所述电源转换芯片的输出端与可充电电池、检测模块内的用电负载分别连接。

优选的，所述检测模块上设有电源开关和/或操作按钮，所述电源开关与电源转换芯片电气连接，所述操作按钮与所述主控模块通信连接。

优选的，所述检测模块上设有指示灯，所述指示灯与电源转换芯片电气连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的装置通过IMU模块监测阀门的手柄旋转角度，从而间接监测阀门的开度；同时通过第一TOF传感器检测的台阶面距离变化值换算成角度、去监测IMU的累积角度漂移是否已经达到误差阈值，防止IMU长期累积漂移造成的测试误差未被发现，能保证整个监测装置的测量精度。本装置使用无线通信模块可以实现大规模终端组网，从而实现统一管理；所使用TOF传感器和IMU模块功耗低，且监测装置可以使用电池供电，装置能效高，运行过程中损耗低，使用寿命长，在后续维护中，基本上只需要更换监测装置的电池即可继续使用，运行维护成本低。

附图说明

图1为本实用新型一种管道阀门角度在线监测装置的结构安装示意图；

图2为本实用新型检测模块与环形辅助模块相配合示意图；

图3为本实用新型检测模块结构组成框图；

图4为本实用新型进行距离检测时初始位置台阶面检测示意图；

图5为本实用新型进行距离检测时终点位置台阶面检测示意图；

图6为本实用新型的多个监测装置组网示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1～2所示，本实施例提供一种管道阀门角度在线监测装置，包括分立的检测模块与环形辅助模块，所述检测模块固定设置于阀门的手柄，所述环形辅助模块与阀门的手柄同轴设置、且固定安装于阀门的本体；所述环形辅助模块上朝向检测模块设有逐级变化的多个台阶面，所述检测模块上设有多个正对所述台阶面的第一TOF传感器；所述检测模块内设有IMU模块和主控模块，所述IMU模块和第一TOF传感器分别与主控模块通信连接；

所述IMU模块用于检测手柄的第一旋转角度值；

所述第一TOF传感器用于检测检测模块相对于台阶面的距离变化值；

所述主控模块用于将所述距离变化值换算成第二旋转角度值，还用于计算第二旋转角度值与第一旋转角度值之间的差值，当所述差值大于误差阈值时发出报警信息。

本实施例中，主控模块优选采用集成了单片机的SOC板，其作为本监测装置的控制核心，参与本实施例方案中的数据运算过程。IMU模块优选采用MEMS IMU组合惯导传感器，用于测量阀门的手柄旋转角度。MEMS IMU组合惯导传感器测量旋转角度的方法为本领域的现有技术，本专利中不再赘述。本实施例中，IMU模块可使用型号LSM6DSR。当旋转阀门的手柄时，阀门的开度随之同步变化，因此，监控阀门的手柄的旋转角度即可监控阀门的开度。TOF(Time of Flight)传感器即飞行时间传感器，其属于激光测距传感器的一类，其使用微小的激光发射红外光，其中产生的红外光会从任何物体反弹并返回到传感器，根据光的发射与被物体反射后返回传感器之间的时间差，传感器可以测量物体与传感器之间的距离。本实施例中，第一TOF传感器可使用型号CH201，采用多个第一TOF传感器组成阵列。当阀门的手柄在调节阀门开度的过程中进行旋转，导致第一TOF传感器进行位移，第一TOF传感器的检测端沿着各个台阶面位移，检测到不同台阶面的距离变化值，这个距离变化值简而言之就是终点的台阶面相对于初始点的台阶面之间的高度差。需要注意的是，此处所描述的高度的方向，并非指垂直于地心的方向，而是指阀门的手柄的转轴的轴向。由于阀门的安装方向根据使用场景的不同而灵活多变，其转轴的轴向不一定位于竖直方向，因此，为了便于描述，本文中定义阀门的手柄的转轴的轴向为高度的方向。由于环形辅助模块的台阶面为逐级变化的，各个台阶面之间的高度差与手柄的旋转角度呈一定的数学关系，通过换算，即可将各台阶面之间的高度差转换为手柄的旋转角度值。例如，根据需要的测量精度需求设置台阶数量以及相邻台阶之间的高度差，每个高度差对应一个旋转角度值，台阶数越多，则测量的精度越高。由于台阶数量是固定的，可以反推出每旋转过一个台阶的角度也是固定的，因此通过监测第一TOF传感器阵列到台阶的距离变化可以知道相对于起始位置变化的角度。另外第一TOF传感器阵列的自身布局的位置可根据台阶数来灵活设计。例如：假设台阶数量为N个，那么相邻台阶的高度差(即一个高度差)对应的角度值为360/N，如果检测终点到起点经历了x个高度差(即跨越了x个台阶)，则高度差换算成的旋转角度值等于360/N＊x。

由于IMU模块检测的旋转角度值存在角度漂移，若是长期不进行消除，则会造成较大的累积漂移，影响装置的测量精度。因此，采用第一TOF传感器检测的高度差换算成的旋转角度值(即前文所述第二旋转角度值)对IMU模块的角度漂移进行监测，当IMU模块的角度漂移累积到足够大时，第一旋转角度值与第二旋转角度值之间的差值的绝对值也会增大，将这个差值与预设的误差阈值相比对，即可判断IMU模块的检测精度是否符合要求。当判断IMU模块的检测精度已经达不到要求时，主控模块输出报警信号，以提醒管理人员需消除IMU模块的误差，避免造成检测结果不准确的问题，以提升本装置的检测精度。请参考图4～5所示进行距离检测时检测台阶面的初始位置与终点位置对比示意图，本实施例以采用四个第一TOF传感器进行举例说明，进行距离变化值的检测以及将距离变化值换算成第二旋转角度值与第一旋转角度值进行比对的的计算过程举例如下：

(1)、假设环形阶梯为N级，每级台阶高度差为δ_h，则每一级台阶表示的角度值Ω_s＝360/N。

(2)、假设标定零位监测设备相对于环形阶梯面的位置为图4所示，其中A1/B1/C1/D1四个检测点对应于T0时刻图2所示检测模块正对阶梯面上的四个第一TOF传感器的位置。此时监测装置中四个第一TOF传感器到环形阶梯的距离依次分别为S1/S2/S3/S4。

(3)、假设检测模块跟随手柄绕Z轴(如前文提及的，Z轴默认为手柄的转轴的轴向)转动，在T1时刻转动角度Ω_r，如图5所示，其中A2/B2/C2/D2对应于T1时刻图2所示检测模块正对阶梯面上的四个第一TOF传感器的位置。此时监测装置中四个第一TOF传感器到环形阶梯的距离依次分别为S1’/S2’/S3’/S4’。

(4)、监测装置中四个第一TOF传感器监测到环形阶梯面的距离变化量依次分别为δ₁＝S₁’-S₁，δ₂＝S₂’-S₂，δ₃＝S₃’-S₃，δ₄＝S₄’-S₄，从而估算出每个第一TOF传感器检测到的角度变化量分别为：

Ω₁＝δ₁/δ_h＊Ω_s，Ω₂＝δ₂/δ_h＊Ω_s，Ω₃＝δ₃/δ_h＊Ω_s，Ω₄＝δ₄/δ_h＊Ω_s。

(5)、将四个第一TOF传感器检测的角度变化量求平均，得到第二旋转角度值。然后将第二旋转角度值与IMU模块测得的第一旋转角度值作差并取绝对值，获得的差值与预设的误差阈值相比对，当差值小于误差阈值时，监测装置正常工作，当差值大于或等于误差阈值时，表示IMU模块的测量精度已降低，不能满足测试需求，主控模块向上位机输出报警信号，提醒管理员对此处的监测装置进行处理。

在上述技术方案的基础上，本实施例还可以做如下改进。

如图1及图2所示，所有的台阶面首尾相连共同组成环形台阶，且所有台阶面占有环形台阶的弧长相同，多个第一TOF传感器对准环形台阶呈圆周阵列排布；所述检测模块跟随阀门的手柄同轴旋转时，呈圆周阵列排布的多个第一TOF传感器同步沿环形台阶的周向位移。

多个均匀分布的台阶面组成弧形台阶，每个台阶面在圆周方向占有的角度值相等，使得所有台阶面均分圆周的360度，例如，设有N个台阶面，则每跳变一个台阶面的旋转角度默认为360/N，每个360/N即一次高度跳变对应的单位角度；N的值越大，则换算后的单位角度值越小，检测精度越大。多个第一TOF传感器呈圆周阵列排布，使得手柄旋转过程中，第一TOF传感器的检测端始终对准环形辅助模块的台阶面；且通过多个第一TOF传感器同步检测，可防止出现局部的第一TOF传感器故障导致的检测结果有误。第一TOF传感器的具体数量，可根据需要灵活设置。

如图1及图2所示，所述台阶面的高度为逐级升/降，除去最高台阶面与最低台阶面之间的高度差之外，其余相邻台阶面的高度差一致。由于每一次高度差跳变代表一个单位角度的正向或反向叠加，例如通过统计初始位置到终点位置的高度差跳变数量，即可得到第一TOF传感器检测的旋转角度值(即第二旋转角度值)。

本实施例中，所述台阶面的数量设置使得相邻台阶面的高度差对应的单位角度比所述误差阈值小。也即，根据使用需求设置IMU模块需要的误差阈值，根据误差阈值来计算台阶面高度差对应的单位角度。理论上来讲，设置台阶面的数量越多，则第一TOF检测到的第二旋转角度值精度越高，从而通过第二旋转角度值能监控更小的角度漂移量。

如图3所示，所述检测模块内设有无线通信模块，所述无线通信模块与主控模块通信连接，所述无线通信模块用于实现本装置与上位机的无线通信。本实施例中优选使用LoRa模块作为无线通信模块，进一步的，检测模块可采用集成了主控模块与LoRa模块的SOC板，例如型号STM32WLE4CC。本监测装置检测到阀门开度改变，通过无线通信模块上报当前位置以及监测数据，当监测到IMU模块的检测精度降低到一定值时，还通过无线通信模块上报报警信号。如图6所示，分布在各处的多个无线通信模块可分别与网关通信，实现多个监测装置的组网，便于实现统一管理。

本实施例中，如图3所示，所述检测模块内设有加密鉴权模块，加密鉴权模块采用加密芯片，所述加密鉴权模块与主控模块通信连接，所述加密鉴权模块内预存有身份验证信息。在本装置开机时，远程设备可通过无线通信模块向本机发送身份识别信息，本装置接收到该身份识别信息后与加密鉴权模块内的身份验证信息进行匹配，如匹配成功，则可以预备监测阀门的手柄旋转角度，从而监测阀门开度；若匹配不成功，则身份验证失败，本装置拒绝接受该远程设备的指令。此设置可防止程序被非法修改和复制。加密鉴权模块采用的加密芯片型号可使用RJGT102WDT6。

本实施例中，如图2所示，所述检测模块上设有第二TOF传感器，第二TOF传感器的原理与型号可与第一TOF传感器一致。所述第二TOF传感器的检测端朝向阀门的手柄的径向，所述第二TOF传感器与主控模块通信连接，用于检测本装置所处环境中是否有目标靠近本装置；当第二TOF传感器检测到有目标靠近本装置时，向主控模块输出唤醒信号。

例如，如图1及图2所示，本实施例中在检测模块的周向分散设置多个第二TOF传感器，第二TOF传感器可用于检测工作人员是否靠近本装置，当检测到有人靠近本装置时，主动唤醒本装置进入正常工作状态。在未检测到有人靠近时，检测模块可进入低功耗模式，以定时检测的方式，采用预设的采样频率监测并上报阀门的开度，以降低本装置的功耗。

如图1及图3所示，所述检测模块内设有电源模块，电源模块包括可充电电池与电源转换芯片，可充电电池优选采用锂电池。所述电源转换芯片的输入端与外部电源接口连接，便于充电或是通过外界电源供电，所述电源转换芯片的输出端与可充电电池、检测模块内的用电负载分别连接。电源转换芯片经过电源转换后为电池充电、并为检测模块内的用电负载提供工作电源。根据实际需求，可电源转换芯片可提供单路输出或多路输出。

如图1及图2所示，本装置的检测模块上还设有电源开关，电源开关与电源转换芯片连接，用于控制整个装置电源的开启与关闭。

如图1所示，本装置的检测模块上还设有操作按钮，所述操作按钮与所述主控模块通信连接，用于手动输入信号，例如在设备初次安装时，根据阀门的开闭极限来标定检测模块的初始角度与最大检测角度。当然，也可通过无线通信模块对本装置进行角度标定，此标定方法不在本专利讨论的范围内，本实施例仅对通过操作按钮进行手动标定进行举例说明。具体而言，角度标定即将阀门的开度范围对应到阀门手柄的旋转角度上，例如阀门的开度从0～100％的过程中，阀门的手柄从旋转起点到终点对应的旋转角度可能为小角度(＜90°)，也可能为大角度(＞360°)，为了便于描述，本实施例对介于小角度与大角度之间的旋转角度进行举例。

对阀门进行角度标定的步骤如下：首先将阀门开度调到0(即完全关闭状态)，此时对应阀门的手柄的最小角度状态，记录下此时的角度值A；然后将阀门的开度调节到100％(即最大开度状态)，此时对应阀门的手柄的最小角度状态，记录下此时的角度值B；由于本次是以旋转角度范围介于90°与360°之间进行举例，在不考虑旋转角度超过360°的情况下，介于A与B之间的旋转角度值即对应了阀门处于部分开启的中间比例状态。因此，本实施例的监测方法既可监测阀门的开闭状态，还可监测其中间比例状态，比传统的监测方法精度更高。在装置上设置操作按钮，用于在角度标定过程中手动发出指令，在未连接网关之前，通过按下操作按钮手动记录标定的角度。例如，按下第一个按钮，装置记录下当前角度值作为角度值A；继续进行角度标定，按下第二个按钮，装置记录下当前角度值作为角度值B。

作为本实施例的进一步扩展，本监测装置的工作模式可设置正常工作模式与低功耗模式，以节约装置的能耗。其中：

正常工作模式时，持续监测阀门的实时角度值，当监测到阀门的实时角度值持续预设的时间阈值保持不变，则通过实时角度值计算手柄的旋转角度值，然后转入低功耗模式。例如，预设时间阈值为10s，在正常工作模式下监测到手柄的实时角度值保持在某一角度且持续10s仍未发生改变时，表示阀门开度达到稳定，手柄处于静止状态，此时的实时角度值与阀门关闭时的手柄角度值之差即表示手柄的旋转角度值，通过旋转角度值即可推算出阀门的开度，实现对阀门开度的监测。

低功耗模式时，进入休眠状态，当接收到唤醒信号时，监测装置被完全唤醒，转为正常工作模式；可为低功耗模式设置固定的采样频率，在未接收到唤醒信号时，使其定期进行一次检测并进行检测数据上报。即低功耗模式时，采用休眠+心跳+唤醒的模式，以降低装置的能耗。其中，休眠是指不进行数据采样时关闭第一TOF传感器、第二TOF传感器或MEMSIMU的检测通道，心跳是指在固定的采样频率下进行定时检测以及数据上报，唤醒是指接收到唤醒信号时进行检测以及数据上报。

所述唤醒信号的来源包括监测到有目标靠近阀门(例如前文所述第二TOF传感器检测到有人靠近本装置)、手动设置(例如有人在对本装置进行操作)或通过无线通信方式设置(例如管理员通过上位机或APP为本装置下发检测的指令)。

工作原理：

本实施例的监测装置可以在现有的机械管道阀门上不做任何物理修改，采取阀门和监测装置分离的方式安装，适合大规模改造、安装；通过IMU模块监测阀门的手柄旋转角度，从而间接监测阀门的开度；同时通过第一TOF传感器检测的台阶面距离变化值换算成角度、去监测IMU的累积角度漂移是否已经达到误差阈值，二者结合可以防止IMU长期累积漂移造成的测试误差未被发现，能保证整个监测装置的测量精度；使用无线通信模块(不限于LoRa模块)可以实现大规模终端组网，统一通过网关进行管理，实现了对分布各处的监测装置的集中化管理，提升了管理效率；所使用TOF传感器和IMU模块功耗低，且监测装置可以自动进入低功耗模式和自动唤醒进入正常工作模式，进一步节省能耗；可以使用电池供电，装置能效高；本监测装置除了可以获取阀门的开启和关闭状态，还可以将测得的旋转角度值换算成阀门开度，以监控阀门中间任意位置的角度值；装置运行过程中损耗低，使用寿命长，在后续维护中，基本上只需要更换监测装置的电池即可继续使用，运行维护成本低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，包括分立的检测模块与环形辅助模块，所述检测模块固定设置于阀门的手柄，所述环形辅助模块与阀门的手柄同轴设置、且固定安装于阀门的本体；所述环形辅助模块上朝向检测模块设有逐级变化的多个台阶面，所述检测模块上设有多个正对所述台阶面的第一TOF传感器；所述检测模块内设有IMU模块和主控模块，所述IMU模块和第一TOF传感器分别与主控模块通信连接；

所述IMU模块用于检测手柄的第一旋转角度值；

所述第一TOF传感器用于检测检测模块相对于台阶面的距离变化值；

所述主控模块用于将所述距离变化值换算成第二旋转角度值，还用于计算第二旋转角度值与第一旋转角度值之间的差值，当所述差值大于误差阈值时发出报警信息。

2.根据权利要求1所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所有的台阶面首尾相连共同组成环形台阶，多个第一TOF传感器对准环形台阶呈圆周阵列排布；所述检测模块跟随阀门的手柄同轴旋转时，呈圆周阵列排布的多个第一TOF传感器同步沿环形台阶的周向位移。

3.根据权利要求1或2所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述台阶面的高度为逐级升/降，除去最高台阶面与最低台阶面之间的高度差之外，其余相邻台阶面的高度差一致。

4.根据权利要求3所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述台阶面的数量设置使得相邻台阶面的高度差对应的单位角度比所述误差阈值小。

5.根据权利要求1、2、4中任一项所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述检测模块内设有无线通信模块，所述无线通信模块与主控模块通信连接，所述无线通信模块用于实现本装置与上位机的无线通信。

6.根据权利要求5所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述检测模块内设有加密鉴权模块，所述加密鉴权模块与主控模块通信连接，所述加密鉴权模块内预存有身份验证信息。

7.根据权利要求1、2、4、6中任一项所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述检测模块上设有第二TOF传感器，所述第二TOF传感器的检测端朝向阀门的手柄的径向，所述第二TOF传感器与主控模块通信连接，用于检测本装置所处环境中是否有目标靠近本装置；当第二TOF传感器检测到有目标靠近本装置时，向主控模块输出唤醒信号。

8.根据权利要求7所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述检测模块内设有电源模块，电源模块包括可充电电池与电源转换芯片，所述电源转换芯片的输入端与外部电源接口连接，所述电源转换芯片的输出端与可充电电池、检测模块内的用电负载分别连接。

9.根据权利要求8所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述检测模块上设有电源开关和/或操作按钮，所述电源开关与电源转换芯片电气连接，所述操作按钮与所述主控模块通信连接。

10.根据权利要求8或9所述一种管道阀门角度在线监测装置，其特征在于，所述检测模块上设有指示灯，所述指示灯与电源转换芯片电气连接。

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