专利名称：声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统。涉及测量应力、 机械振动的测量、冲击的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
随着国民经济的发展，能源需求量的增加，油气管道运输作为一种安全、经 济的运输方式得到了更广泛的应用。而有效的保护石油管道的安全、平稳运行，防 止打孔盗油、非法开挖等事件对管道的破坏是十分必要的。
目前应用于管道安全防护的技术主要有以下几种
1、 视频摄像头监控的方法。当对应区域有情况时，通过摄像头采集对应区域 的图像信息，并送报警站进行分析、处理。这种方式虽然采集的信号信息量大， 但是防范的区域受限，成本往往也很高；
2、 光纤传感器预警方法。可以对长距离管道安全进行长期监测，由于监测的
距离较长，管道沿线自然条件复杂，因此该技术的稳定性较差，目前还处在实验
研究阶段；
3、 声音振动传感器预警方法。可以实现管道沿线打孔盗油重点区域的防护， 灵活方便，但是系统需要独立供电，长期使用需要更换电池。
上述的预警方案都突出一种保护技术，没有进行多技术的融合，其应用都有 一定的局限性，有很多问题无法解决。
发明内容
本发明的目的是发明一种节能、隐蔽、稳定、可靠、定位准确的声音振动与 电磁波相复合的管道安全预警系统。
本发明针对管道安全防卫的技术要求，融合声音振动传感器预警方案和管道 声波检测的方法，提出一种简单有效的结构，完成对破坏管道事件的检测和定位。 本发明的基本原理如图l所示。它由众多声音振动传感器监控终端l、接收器 3组成。按一定距离间隔在管道2上安装众多声音振动传感器监控终端1，由接收 器3采集所有声音振动监控终端1发出的信号。每个声音振动传感器监控终端1 的距离可以根据保护的区域灵活变化， 一般在1Km到10Km之间。不同的声音振动 传感器监控终端1对应发射不同的脉冲编码方式或信号频率；通过该编码方式和频率的不同实现对应振动检测装置的定位；声音振动传感器监控终端1的个数也 可以灵活调整。声音振动传感器监控终端l的主要作用是根据内部高灵敏传感探 头进行威胁事件的检测。
声音振动传感器监控终端l的原理框图见图2。它由传感器、信号调理电路、
单片机、脉冲信号发生器、数据存储器、数字信号处理器DSP、特征存储器、JTAG 接口及电源模块组成。传感器的输出与信号调理电路的输入连接，信号调理电路 的输出接单片机的输入，单片机有输出接脉冲信号发生器，脉冲信号发生器输出 接管道与地之间；单片机还有输出经数据存储器后接数字信号处理器DSP的输入， 数字信号处理器DSP有JTAG接口及有接口与特征存储器连接。整个系统由带有充 电接口的电池模块供电。JTAG接口用来写入和在线修改单片机和DSP系统中的程 序。
当外界事件碰触管道壁时，高灵敏声音振动传感器可以感受振动信号，并将 该信号信号调理电路送单片机进行初步处理，发现信号异常则激活数字信号处理 器进行进一步分析处理。数字信号处理器DSP —旦认为该事件是一次对管道造成 危害的事件后，会由驱动电路输出一个信号给将管道和大地构成回路的脉冲发生 器，通知脉冲信号发生器产生一定频率和编码方式的脉冲。不同的声音振动传感 器监控终端1对应发射不同的脉冲编码方式或信号频率。通过该编码方式和频率 的不同可以实现对应振动检测装置的定位。
其中
传感器为声音振动传感器，有巿销产品；
脉冲信号发生器可产生不同波形、频率及编码方式的脉冲信号，有巿销产品 选择。
其电原理如图3所示，INV9818传感器的输出端Q接电荷放大器的Q端，电荷 放大器的Vo端的输入端，电荷放大器的增益控制端接单片机MSP430F149的Pi. 1、 Pi. 2,输出端Vout接带通滤波器的Vi端，Vo端接有电压基准REF3325的A/D转 换ADS8325， A/D转换ADS8325的CS、 Dclk端分别接单片机MSP430F149的Pi. 3、 UCLK0端，A/D转换ADS8325的Dout通过SPI接口接S0MI0端；单片机MSP430F149 的Pi. 3端接2SA966三极管的基极，三极管由功率电源TPS62110供6V电源，三 极管输出接至管道上，功率电源TPS62110的地线接参比电极接地； 单片机MSP430F149的TMS端接JTAG接口 ， P2
端接8位拨码开关；单片机 MSP430F149的UTXD1、URXD1分别接DSP处理器TMS320F2812的SCIRXDA、SCITXDA端；单片机MSP430F149的P5. 7、 Pe[O.. 7] 、 P4
分别接FIFO数据交换 器IDT72V85的WR、DA
、DB
端，数据交换器IDT72V85的RD、QA
、 QB[O.. 7]端分别接DSP处理器TMS320F2812的XRD、 XD[O.. 7]、XD[8.. 15]端， 数据交换器IDT72V85的QA[O. 7] 、 QB[O.. 7]端分别接存储器CY71薩V33的 D[O.. 7]、D[8.. 15]端，并存储器CY711041V33的A[O.. 17] 、WE端分别接DSP 处理器TMS320F2812的XA[O. 17] 、 XWE端；DSP处理器TMS320F2812的TDI端 接JTAG接口； 12V蓄电池输出经LM2574 、 LM2574和TPS62110分别产生3. 3VA 模拟电源、3. 3VD数字电源和马达电源。 其中
振动传感器选压电式振动传感器INV9818; 可编程放大器选数字控制的可编程增益仪器放大器PGA202; A/D转换选16位微功耗釆样的ADS8325模数转化器； 脉冲信号发生器选用PNP三极管2SA966类型； 数据存储器选静态RAM存储器CY711041V33类型； FIFO数据交换器选双路异步先进先出存储器IDT72V85类型； 单片机选低功耗TI公司超低功耗微控制器MSP430F149类型； DSP处理器选美国TI公司TMS320类型；
电荷放大器特制，其电路构成如图5所示，是由运算放大器构成。 带通滤波器特制，其电路构成如图6所示，是由三只运算放大器构成。
油气管道铺设在地下，由钢管焊接形成数百公里管线，为了防止管道腐蚀， 管道外被覆了一层绝缘良好的防腐层。在传输过程中将管道视为内导体，防腐层 为起绝缘作用的介质层，四周的土壤可视为外导体。管道本身构成一条能够传输 电磁波的长天线。将功率信号施加到管道上会在管道上激起电磁波并沿着管道进 行传播，通过不同的编码方式即可以实现管道威胁事件的信息发送和接受。
接收器3接收从管道沿线声音振动传感器监控终端1发射的沿管壁传播的脉 冲电磁波信号波。其原理框图见图4，它由计算机和信号调理模块构成。有输入 接自参比接地电极和管道的信号调理模块的输出经采集卡接计算机的输入口。
其巾
计算机选用工业计算机；
信号调理模块釆用上海毅伦机电有限公司的HMM-04,釆集卡釆用美国NI公司的PCI5105。
管道沿线的声音振动传感器在接收到信号处理模块给出的对应报警信息后， 将发射出不同编码的脉冲信号，脉冲波形可以是脉冲波形、升余弦脉冲波形、连 续波形等等。接收器3中将不同编码方式的波形信号进行解调转化为对应的声音 振动传感器监控终端l发送的信息。接收器3根据编码方式是对应一个相应的声 音振动传感器监控终端1，因此可以通过电磁波发送的信号找出具体发生入侵的 位置。本发明就是通过此来判断威胁事件发生的位置的。 本发明具有突出的优点
1、 不同于以往的声音振动传感器，利用管道作为传输介质进行信号的传输, 无需外接通信天线，既隐蔽，又节能，在野外可以实现低功耗工作；
2、 利用管道作为传输介质进行信号的传输；该传输信道受外界扰动小，信噪 比较高；
3、 利用不同的声音传感器向接收器发射不同编码的脉冲，实现破坏点的定位, 方法简单易行，同时定位准确；
4、 监测距离远，可以实现数十公里范围内对管道破坏事件的监测。 所以，本管道安全防卫系统节能、隐蔽、稳定、可靠、定位准确。
图1声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统框图
图2声音振动传感器监控终端原理框图 图3声音振动传感器监控终端电原理图 图4接收器原理框图 图5电荷放大器电路图 图6带通滤波器电路图
其中l一声音振动传感器监控终端 2—管道
3—接收器
具体实施例方式
实施例.本例是安装在某管线宝坻至房山站100公里管道上进行实验的样机, 其构成如图l所示。
根据具体实际情况，声音振动传感器安装在打孔盗油或机械开挖多发区域。 本例的基本原理如图1所示。它由20个声音振动传感器监控终端1、 1个接收器3组成。按lm到10Km的距离间隔在管道2上安装20个声音振动传感器 监控终端1，在打孔盗油或机械开挖多发区域安装的间距小， 一般区域安装的间 距大。由安装在房山站的接收器3釆集所有声音振动监控终端1发出的信号。
声音振动传感器监控终端1的原理框图见图2。它由声音振动传感器、信号调 理、单片机、脉冲信号发生器、数据存储器、数字信号处理器DSP、特征存储器、 JTAG接口及电源模块组成。传感器的输出与信号调理单元的输入连接，信号调理 单元的输出接有脉冲信号发生器输入单片机的输入，单片机的输出经数据存储器 后接数字信号处理器DSP的输入,数字信号处理器DSP有JTAG接口及有接口与特 征存储器连接。整个系统由带有充电接口的电池模块供电。
其电原理如图3所示，INV9818传感器的输出端Q接电荷放大器的Q端，电荷 放大器的Vo端的输入端，电荷放大器的增益控制端接单片机MSP430F149的Pi. i、 Pl. 2，输出端Vout接带通滤波器的Vi端，Vo端接有电压基准REF3325的A/D转 换ADS8325,. A/D转换ADS8325的CS、 Dclk端分别接单片机MSP430F149的Pi. 3、 UCLKO端,A/D转换ADS8325的Dout通过SPI接口接SOMIO端；单片机MSP430F149 的Pi. 3端接2SA966三极管的基极,三极管由功率电源TPS62110供6V电源，三 极管输出接至管道上，功率电源TPS62110的地线接参比电极接地； 单片机MSP430F149的TMS端接JTAG接口， P2
端接8位拨码开关；单片机 MSP430F149的UTXD1、URXD1分别接DSP处理器TMS320F2812的SCIRXDA、SCITXDA 端；单片机MSP430F149的Ps. 7、 Pe[O.. 7]、 P4
分别接FIFO数据交换 器IDT72V85的WR、DA
、歸..7]'端,数据交换器IDT72V85的RD、QA
、 QB[O.. 7]端分别接DSP处理器TMS320F2812的XRD、 XD[O.. 7]、XD[8.. 15]端， 数据交换器IDT72V85的QA[O.. 7]、 QB[O.. 7]端分别接存储器CY711041V33的 D[O.. 7]、D[8.. 15]端，并存储器CY711041V33的A[O.. 17] 、WE端分别接DSP 处理器TMS320F2812的XA
、 XWE端；DSP处理器TMS320F2812的TDI端 接JTAG接口； 12V蓄电池输出经LM2574 、 LM2574和TPS62110分别产生3. 3VA 模拟电源、3. 3VD数字电源和马达电源。
电荷放大器如图5所示，是由运算放大器构成的放大器；运算放大器TL081 的输入端Q接由输出端Vo经电容Cf的反馈后，接电容Ci后接输出端Vo经电阻Rf 的反馈，并经并联的电阻Ri、 C2接运算放大器TL081的"-"输入端；运算放 大器TL081的"+ "输入端经电阻R2接地。
带通滤波器如图6所示，也是由运算放大器构成的；输入端Vi经电阻R7接有电阻R8和电容C3并联负反馈第一运算放大器LM358的"-"输入端，第一运 算放大器"+ "输入端接地，输出经电阻R5接有电阻Re负反馈的第二运算放大 器LM358的"-"输入端，第二运算放大器"+ "输入端接地；第二运算放大器 输出端Vo经电阻R4接第三运算放大器LM358的"-"输入端，第三运算放大器 LM358并有电容C4从输出到输入的负反馈，第三运算放大器LM358的"+ "输入 端接地，第三运算放大器LM358输出经电阻R3至第一运算放大器LM358的"-，，
这里
振动传感器选INV9818;
可编程放大器选PGA202;
A/D转换选ADS8325;
脉冲信号发生器选用2SA966;
数据存储器选CY711041V33;
FIFO数据交换器选IDT72V85;
单片机选低功耗MSP430F149;
DSP处理器选TMS320F2812;
电池组选用N70ZMF-1-1 12V 75Ah蓄电池；
Ri为2kQ;
R2为2kQ;
R3为7. 5kQ;
R4为20kQ;
R5为10kQ;
R6为20kQ;
R7为15kQ;
Rs为15kQ;
Rf为100MQ;
Ci为0. luF;
C2为20pF;
C3为0. luF;C4为0. luF; Cf为lnF。
接收器3接收从管道沿线声音振动传感器监控终端1发射的沿管壁传播的脉 冲电磁波信号波。接收器3的原理框图见图4，它由计算机和信号调理模块构成。 有输入接自参比接地电极和管道的信号调理模块的输出经采集卡接计算机的输入 口。由参比电极与管道上的电压经过信号调理差动输入数据釆集卡，模拟信号由 数据采集卡转换为数字信号供计算机处理。 其中
计算机选用研华公司IPC610H工业计算机； 信号调理模块选用上海毅伦机电有限公司的HMM-04; 采集卡采用美国NI公司的PCI5105。
具体安装时，需要将管道防腐层剥开，实现振动传感器和管道的刚性接触。 声音振动传感器的供电由专用的电池组提供，随信号处理模块一起埋入地下。为 了使传感器在野外恶劣的环境中长期工作，系统封装外壳采用了密封性好的防水 胶。和传统的声音振动管道预警传感器相比，由于省去了通信用的天线部分，电 池的使用寿命可以持续更长的时间。
该声音振动传感器监测范围可以达到1Kra。任何触碰管道的事件都能被系统识 别。振动信号被传感器接收后，信号处理单元对该信号进行处理，判断是否是一 次对管道有威胁的事件。 一旦系统认为产生了一次对管道有威胁的事件，给出一 个信号，激活脉冲信号发生器施加一包含事件发生的时间、地点的脉冲的电磁信 号，根据管道与大地所构成回路的等效阻抗变化情况，监测接收端的波形状况， 根据变化情况进行比较分析，从而进行报警和定位。
本例经过多次试验，证明能够在10公里的范围内无中继监测，基于管道介 质传播的方式可以实现入侵事件的实时定位和报警。在管道周围5m范围内铲土均 可测出，同时定位精度在lm左右，具有声音振动传感器定位精度高的优点。
权利要求
1.一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统，它由众多声音振动传感器监控终端(1)、接收器(3)组成；按一定距离间隔在管道(2)上安装众多声音振动传感器监控终端(1)，由接收器(3)采集所有声音振动监控终端(1)发出的信号；每个声音振动传感器监控终端(1)的距离在1Km到10Km之间；通过不同的声音振动传感器监控终端(1)对应发射不同的脉冲编码方式或信号频率，实现对应振动检测装置的定位；其特征是声音振动传感器监控终端(1)由传感器、信号调理电路、单片机、脉冲信号发生器、数据存储器、数字信号处理器(DSP)、特征存储器、(JTAG)接口及电源模块组成；传感器的输出与信号调理电路的输入连接，信号调理电路的输出接单片机的输入，单片机有输出接脉冲信号发生器，脉冲信号发生器输出接管道与地之间；单片机还有输出经数据存储器后接数字信号处理器(DSP)的输入，数字信号处理器(DSP)有用来写入和在线修改单片机和(DSP)系统中程序的JTAG接口及有接口与特征存储器连接；整个系统由带有充电接口的电池模块供电；当外界事件碰触管道壁时，高灵敏声音振动传感器感受振动信号，并将该信号经信号调理电路送单片机进行初步处理，发现信号异常则激活数字信号处理器进行进一步分析处理；数字信号处理器(DSP)一旦认为该事件是一次对管道造成危害的事件后，由驱动电路输出一个信号给将管道和大地构成回路的脉冲信号发生器，通知脉冲信号发生器产生一定频率和编码方式的脉冲；不同的声音振动传感器监控终端(1)对应发射不同的脉冲编码方式或信号频率；通过该编码方式和频率的不同实现对应振动检测装置的定位。
2. 根据权利要求1所述的一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统， 其特征是声音振动传感器监控终端(1)电原理是INV9818传感器的输出端Q接 电荷放大器的Q端，电荷放大器的Vo端的输入端，电荷放大器的增益控制端接单 片机MSP430F149的(Pi. l、 Pi. 2)，输出端Vout接带通滤波器的Vi端，Vo端接 有电压基准REF3325的A/D转换ADS8325， A/D转换ADS8325的CS、 Dclk端分别 接单片机MSP430F149的(Pi. 3、 UCLKO)端，A/D转换ADS8325的Dout通过SPI 接口接SOMIO端；单片机MSP430F149的(Pi. 3)端接2SA966三极管的基极,三 极管由功率电源TPS62110供6V电源，三极管输出接至管道上，功率电源TPS62110 的地线接参比电极接地；单片机MSP430F149的TMS端接JTAG接口 ， (P2
) 端接8位拨码开关；单片机MSP430F149的UTXD1、 URXD1分别接(DSP)处理器 TMS320F2812的SCIRXDA、 SCITXM端;单片机MSP430F149的(Ps. 7、 Pe[O.. 7]、P4
)分别接(FIFO)数据交换器IDT72V85的(WR、 DA[O.. 7] 、 DB[O.. 7]) 端，数据交换器IDT72V85的(RD、 QA[O. 7] 、 QB[O.. 7])端分别接(DSP )处 理器TMS320F2812的(XRD、 XD[O.. 7] 、 XD[8. . 15])端，数据交换器IDT72V85 的(QA[O.. 7]、QB
)端分别接存储器CY711041V33的(D[O.. 7]、D[8.. 15]) 端，并存储器CY711041V33的(A[O.. 17] 、WE )端分别接(DSP )处理器TMS320F2812 的(XA[O.. 17] 、 XWE)端；(DSP)处理器TMS320F2812的TDI端接JTAG接口 ； 12V蓄电池输出经LM2574 、LM2574和TPS62110分别产生3. 3VA模拟电源、3. 3VD 数字电源和马达电源。
3. 根据权利要求2所述的一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系 统，其特征是所述电荷放大器是由运算放大器构成；运算放大器TL081的输入端 Q接由输出端Vo经电容(Cf)的反馈后，接电容(Ci)后接输出端Vo经电阻(Rf) 的反馈，并经并联的电阻(Ri、 C2)接运算放大器TL081的"-"输入端；运算 放大器TL081的"+ ，，输入端经电阻(R2)接地。
4. 根据权利要求2所述的一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系 统，其特征是所述带通滤波器由运算放大器构成；输入端Vi经电阻(R7)接有电 阻(R8)和电容(C3)并联负反馈第一运算放大器LM358的"-"输入端，第一 运算放大器"+ "输入端接地，输出经电阻(R5)接有电阻(R6)负反馈的第二 运算放大器LM358的"-"输入端，第二运算放大器"+ "输入端接地；第二运 算放大器输出端(Vo)经电阻(R4)接第三运算放大器LM358的"-，，输入端， 第三运算放大器LM358有电容(C4 )从输出到输入的负反馈，第三运算放大器LM358 的"+ ，，输入端接地，第三运算放大器LM358输出经电阻(R3)至第一运算放大 器LM358的"-"输入端。
5.根据权利要求1所述的一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统， 其特征是所述接收器(3)由计算机和信号调理模块构成；有输入接自参比接地电 极和管道(2)的信号调理模块的输出经采集卡接计算机的输入口；接收器(3)中将不同编码方式的波形信号进行解调转化为对应一个相应的声 音振动传感器监控终端(1)发送的信息。
全文摘要
本发明是一种声音振动与电磁波相复合的管道安全预警系统。它由众多声音振动传感器监控终端(1)、接收器(3)组成；声音振动传感器监控终端(1)由传感器、信号调理电路、单片机、脉冲信号发生器、数据存储器、数字信号处理器(DSP)、特征存储器、JTAG接口及电源模块组成；传感器的输出与信号调理电路的输入连接，信号调理电路的输出接单片机的输入，单片机有输出接输出接管道与地之间的脉冲信号发生器；单片机还有输出经数据存储器后接数字信号处理器(DSP)的输入，数字信号处理器(DSP)有用来写入和在线修改单片机和(DSP)系统中程序的JTAG接口及有接口与特征存储器连接；整个系统由带有充电接口的电池模块供电。
文档编号F17D5/06GK101684893SQ20081022345
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者刘广文, 异 孙, 王红菊, 艾慕阳, 蔡永军, 陈朋超 申请人:中国石油天然气股份有限公司