专利名称：基于gprs的输油管道泄漏检测与定位装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及流体泄漏检测技术，具体涉及一种基于无线通信的流体泄漏检测
与仪器工作状态监测装置。
技术背景 现有的利用负压波法实现输油管道泄漏检测与定位装置，现场运行参数的采集使 用工控机，不但价格昂贵，维护不便，而且传输方式采用电话网或工业总线，都会增加施工 费用，不适合实际偏远地区输油管道泄漏检测。
发明内容 本实用新型的目的在于提供一种快速、有效、实用的输油管道的泄漏检测与定位 系统，以便及时准确发现泄漏事故的范围和程度，最大限度地减少经济损失和环境污染，提 高整个采油厂自动化管理水平。 上述的目的通过以下的技术方案实现 基于GPRS的输油管道泄漏检测与定位装置，其组成包括中心系统，所述的中心 系统连接一组子系统，所述的中心系统包括通用分组无线业务通信模块GPRS和中心计算 机CPU，所述的子系统包括控制器和GPRS、全球定位系统GPS以及安装在输油管道上的单 向阀和传感器，所述的控制器包括与所述的中心处理器CPU的RS232(1)接口、 RS232(2接 口 ) 、 EEPR0M、 A/D调理电路、开关量调整电路、锂离子充电电池、电源监测电路和非易失性 存储器。 所述的输油管道泄漏检测与定位系统，其工作温度范围-40° 85° 。 本实用新型的有益效果 1.本实用新型采用了 GPS保证不同测点采样数据的同步，利用小波变换提取压力 波信号的特征，灵敏度可达到较高的水平，定位精度可达到相邻测点间距的2%以下，系统 的误报率低于2%，反应时间小于110秒。 2.由于本实用新型各个子系统采用微处理器代替以往的工控机，且采用模块式设 计，具有性价比高，便于维护和安装的特点。同时本系统人机交互界面友好，操作简单，直 观。 3.本实用新型中心系统与子系统间采用GPRS传输数据，具有覆盖面广，传输速率 高，连续在线，传输可靠的特点。
附图1是本实用新型的负压波法输油管道泄漏检测与定位装置的总体设计方案
示意图。 附图2是本实用新型的结构示意图。 附图3是本实用新型的控制器连接框图。
3[0014] 附图4是本实用新型控制器部分的电路图。 附图5是本实用新型非失忆性存储模块部分的电路图。 附图6是本实用新型EEPR0M部分的电路图。 附图7是本实用新型GPRS模块部分的电路图。 附图8是本实用新型开关量输入部分的电路图。 附图9是本实用新型电源检测模块部分的电路图。 附图10是本实用新型模拟量输入部分的电路图。 附图11是本实用新型A/D转换模块部分的电路图。 附图12是本实用新型电源转换模块部分的电路图。 根据电子线路制图规定，相同标号的电路之间具有连接关系。
具体实施方式
[0024] 实施例1 : 输油管道泄漏检测与定位系统，其组成包括中心系统，所述的中心系统连接一组子系统，所述的中心系统包括GPRS1和PC机2，所述的子系统包括控制器3和GPRS4、 GPS5以及安装在输油管道上的单向阀6和传感器7，所述的控制器包括CPU，所述的CPU连接RS232 (1) 、 RS232 (2) 、 EEPR0M、 A/D调理电路、锂离子充电电池、电源监测、非易失性存储器。[0026] 如附图2所示，如果要对平台1和平台2之间干线L段进行泄漏检测与泄漏点定位，应在L的两个端点B和C安装单向阀，以确保b和c点安装的压力传感器能够正确反映L段内的输油管道的泄漏情况，如果不安装单向阀，平台1上油井的运行状况将应响b点传感器压力值，同时，平台2上油井的运行状况将影响c点传感器压力值，导致无法根据b点、c点传感器压力值数据分析L段干线的泄漏情况。 中心系统中心系统安装于工作区监控室，主要包括GPRS和PC机两部分，通过GPRS接收各子系统传输的数据信息，然后，将GPRS接收的信息通过RS485串行通信再传送给PC机，在PC机上应用VC编制的应用软件，对接收数据进行分析，归纳和处理，以实现输油管道泄漏检测与定位。 子系统子系统安装于所测管道壁上，实现对压力、流量和温度等运行参数的采集与存储，根据运行参数的变化判断运行参数是否异常，并实现与中心系统的数据传输。主要包括控制器、GPRS和GPS三个部分。 控制器的连接如附图3所示模拟量整理电路完成对模拟电路的整理，通过A/D转换电路完成对压力传感器、流量传感器和温度传感器的信号调理变为CPU的A/D通道能够接受的数字信号，与CPU相连。开关量整理电路完成对开关量的整理和CPU相连。非易失性存储器和CPU相连用于实时采集子系统压力，流量和温度等运行参数，当CPU判断运行参数出现异常时，将出现异常时刻前后的大量采样数据存储在非易失性存储器。锂离子充电电池和CPU相连用于子系统供电。EEPROM与CPU相连主要用于存放相关定值。电源监测和CPU相连用于CPU实时监控锂离子充电电池电压，以决定锂离子充电电池是否要更换或充电以保证子系统的正常运行。RS232是和CPU相连的电平转换电路。[0030] 子系统采集的信息为主要包括[0031] (1)防盗房被破坏信息；[0032] (2)采油井停机信息；[0033] (3)输油管线压力信息；[0034] (4)电伴热工作状态信息；[0(K35] (5)变压器停电信息；[0036] 本实用新型的工作原理 当输油管道发生泄漏时，管道内油体在内外压差的作用下迅速流失，会引起管道内该点油体压力降低。油体在泄漏点和与其相邻的两边的区域之间的压力产生差异，并导致泄漏点相邻上、下游区域内的高压油体流向泄漏点处的低压区域，从而又引起与泄漏点相邻区域油体密度减少和压力降低，这种现象从泄漏点处沿管道依次向上、下游方向扩散，形成负压波。沿管道传播的负压波中包含有泄漏信息。只要在管道两端安装压力传感器能够捕捉到包含泄漏信息的负压波，就可以检测泄漏的发生，并根据泄漏产生的负压波传播到管道两端的时间差进行泄漏点定位。 负压波从泄漏点处同时向上、下游传播的过程类似于声波在介质中的传播，负压波传播速度a是声波在油体中的传播速度，约在1000 1200m/s之间。沿管道传播的负压波中包含有泄漏信息。只要在管道两端安装压力传感器能够捕捉到包含泄漏信息的负压波，就可以检测泄漏的发生，并根据泄漏产生的负压波传播到管道两端的时间差进行泄漏点定位。负压波法泄漏检测与定位的基本原理如图l所示。图中x为泄漏点距上游测点的距离(m) ;L为上下游测点的间距(m) A为泄漏点处产生的负压波传播到泄漏点上游测点的时间。t2为泄漏点处产生的负压波传播到泄漏点下游测点的时间。A t为负压波传播到上游测点时间与负压波传播到下游测点时间之差(s)。[0039] 设、为负压波经过全程L的传播时间(s)，则有<formula>formula see original document page 5</formula>式中<formula>formula see original document page 5</formula>由(2)式可知:<formula>formula see original document page 5</formula>
则泄漏点据上游测点的距离可表示为
<formula>formula see original document page 5</formula>
负压波法输油管道泄漏检测与定位系统的技术难点及解决方法
由泄漏点定位公式(4)可知，影响定位精度的参数包括相邻测点的距离L;负压波
在油体中的传播速度a以及负压波传播到上下游测点的时间差At。其中，L可在选定测点时精确的度量，下面主要讨论a和A t :[0047] (l)a 负压波在油体中的传播速度a是影响泄漏点精确定位的一个重要参数。负压波在管道中的传播速度通常被视为常数，一般在1000 1200m/s，实际上，负压波的传播速度由下式决定<formula>formula see original document page 5</formula>[0050] 式中，K为油体的体积弹性系数(Pa) ;P为油体的密度(kg/m3) ;E为管材的弹性模量(Pa) ;D为管道直径(m) ;e为管壁厚度(m) ;Q为与管道约束条件有关的修正系数；参数K和P是与油体温度有关的变量，可通过测量管道中油体温度的分布，采用智能方法建立油温随管道长度变化模型，建立油体弹性系数K随油体温度模型以及油体密度P随油体温度变化模型，最终得到反映实际情况的参数K和P ，进而得到准确的负压波在油体中的传播速度，其它参数可通过实际测量得到。[0051] (2) At 负压波传播到上、下游测点的时间差A t是影响泄漏点精确定位的另一个重要参
数。在分析泄漏引发的负压波信号序列，确定负压波信号传播到上、下游测点时刻，一个显
然的要求是上、下游压力信号序列起始时刻应该一致，保持同步，本系统采用GPS来统一各
个控制器的时钟，实现整个系统对统一时标的要求，实施也很方便，造价也较低廉。 在实际泄漏检测与定位时，中心系统对各个测点传来的数据进行分析，从中寻找
泄漏信息。要精确确定泄漏引发的负压波传播到上、下游测点的时间差At，就必须先确定
负压波传播到上、下游测点的时刻，即需要准确地捕捉到负压波传播到上、下游测点信号序
列的对应特征。然而，由于不可避免的工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等因素的存在，
采集到的负压波波形附加着大量的噪声。如何从噪声干扰的信号中准确分离出信号的特征
拐点是精确定位的关键。本系统采用离散小波变换对压力波信号进行特征提取，实际应用
中采用滤波器组方法快速计算小波变换准确确定压力波信号拐点，进而精确计算出At，保
证定位精度。 元件选择 CPU : 为控制器的核心部分，可采用STM32F103VBT6芯片，该芯片使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC内核，工作频率72MHz，内置高速存储器(高达128Kbyte的闪存和20Kbyte的SRAM)，丰富的I/O端口 ，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和标准的通讯接口，具有高的性价比。另外，该芯片可工作于-40° 105° ，工作电压为2V 3.6V，能够满足本系统工作温度跨度大，野外工作要节能的特点。[0057] RS232(1)和RS232 (2):CPU分别通过RS232 (1)和RS232 (2)实现与GPS和GPRS的连接。可采用MAXM公司的MAX232实现CPU标准串口 TTL电平到RS232的转换，实现增加数据传输的可靠性。[0059] EEPR0M : 主要用于存放相关定值。本系统采用AT系列的串行EEPR0M芯片AT24C01。[0061] A/D调理电路 对压力传感器、流量传感器和温度传感器的信号进行调理变为CPU的A/D通道能
够接受的信号，主要芯片为MAX1135。 锂离子充电电池 由锂离子充电电池为子系统供电。
电源监测 CPU实时监控锂离子充电电池电压，以决定锂离子充电电池是否要更换或充电以
保证子系统的正常运行。 非易失性存储器[0068] 子系统实时采集压力，运行参数，当CPU判断运行参数出现异常时，将出现异常时刻前后的大量采样数据存储在非易失性存储器，并尽快通过GPRS将存储数据传送到中心系统，非易失性存储器可选用RAMTR0N公司的FM22L16，该芯片工作电压为工作电压为2. 7V 3. 6V，工作温度-40° 85° 。[0069] GPRS : GPRS是一种新的分组数据承载业务。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，以一种有效的方式采用分组交换模式来传送数据和信令。GPRS是在GSM网络基础上，对原有GSM网络子系统和无线子系统的设备及功能进行增强而成。GPRS具有覆盖面广，传输速率高，连续在线，传输可靠的特点。本系统采用GPRS实现子系统与中心系统的数据传输。[0071] GPS: 采用GPS实现各个测点采集数据的同步性，以同步数据作为泄漏检测与定位分析的基础，以确保定位的准确性。
权利要求一种基于GPRS的输油管道泄漏检测与定位装置，其组成包括中心系统，其特征是所述的中心系统连接一组子系统，所述的中心系统包括通用分组无线业务通信模块GPRS和中心计算机CPU，所述的子系统包括控制器和GPRS、全球定位系统GPS以及安装在输油管道上的单向阀和传感器，所述的控制器包括与所述的中心处理器CPU的RS232(1)接口、RS232(2接口)、EEPROM、A/D调理电路、开关量调整电路、锂离子充电电池、电源监测电路和非易失性存储器。
2. 根据权利要求1所述的输油管道泄漏检测与定位系统，其特征是其工作温度范 围-40° 85° 。
专利摘要基于GPRS的输油管道泄漏检测与定位装置，现有的利用负压波法实现输油管道泄漏检测与定位装置，泄漏点定位不准确，施工费用高，不适合实际偏远地区输油管道泄漏检测。目前对于渗漏，主要还是靠人工现场巡查。本实用新型的组成包括中心系统，所述的中心系统连接一组子系统，所述的中心系统包括GPRS(1)和PC机(2)，所述的子系统包括控制器(3)、GPRS(4)、GPS(5)以及安装在输油管道上的单向阀(6)和传感器(7)，所述的控制器包括CPU，所述的CPU连接RS232(1)、RS232(2)、EEPROM、A/D调理电路、锂离子充电电池、电源监测电路和非易失性存储器。本实用新型用于输油管道泄漏检测与定位。
文档编号F17D5/06GK201502870SQ200920100548
公开日2010年6月9日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者张锐 申请人:哈尔滨理工大学