管道泄漏监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种管道泄漏监测系统，包括：前端传感器子系统，设有电流环接收模块、信号还原模块、第二低频放大模块及第二低通滤波模块的泄漏监测信号调理子系统；所述前端传感器子系统用于将管道在泄漏瞬间因动态压力变化而产生的动态压力信号进行放大、滤波处理后变换为电流信号，再将所述电流信号发送至所述泄漏监测信号调理子系统将接收到所述电流信号转换为动态压力信号，再将所述动态压力信号进行放大、滤波处理后对管道泄漏的动态压力数据进行记录。本实用新型提供的管道泄漏监测系统，传感系统灵敏度高、对微小信号也能产生反应、信噪比高、不易受电磁干扰、结构紧凑、使用寿命长、安全可靠。
【专利说明】管道泄漏监测系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及管道监测【技术领域】，特别涉及一种管道泄漏监测系统。
【背景技术】
[0002] 输油管道是由管道、设备及附件所组成，并按照工艺流程的需要，配备相应的油泵 机组，设计安装成一个完整的管道系统，用以完成油料接卸及输送任务。
[0003] 早先的管道泄漏监测技术包括应用流量平衡法监测管道入口端与出口端的流量 差来判断泄漏；通过在输油泵站安装压力变送器采集压力数据判断是否泄漏；通过在管线 沿途安装气体传感器监测泄漏到土壤孔隙中的可燃气体来判断是否泄漏。
[0004] 流量平衡法可以监测出较小泄漏，但是对于泄漏的发生反应较慢，并且需要在每 段管道的两端安装流量表，同时仅依靠流量数据不能对泄漏点进行定位。
[0005] 压力变送器监测泄漏的原理是，将压力传感器采集到的压力绝对值转换为4-20mA 电流环进行输出，压力绝对值按照压力量程范围等比例的转换为4-20mA的电流信号，在接 收端再将电流信号转换为电压信号进行接收。通常情况下管道受温度及环境影响使压力产 生变化时，压力变送器采集到的压力信号只在满量程输出值中占很小的比例，所以对于输 出值较小的压力变化量无法准确的进行测量。
[0006] 气体敏感法能定位泄漏位置和监测微小泄漏，但是需要沿管道高密度布设，成本 1?，不易实现。 实用新型内容
[0007] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种精确度高的基于动态压力传感器的 管道泄漏监测系统。
[0008] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种管道泄漏监测系统，包括：前端传感 器子系统，设有电流环接收模块、信号还原模块、第二低频放大模块及第二低通滤波模块的 泄漏监测信号调理子系统；
[0009] 所述前端传感器子系统用于将管道在泄漏瞬间因动态压力变化而产生的动态压 力信号进行放大、滤波处理后变换为电流信号，再将所述电流信号发送至所述泄漏监测信 号调理子系统；
[0010] 所述电流环接收模块用于将前端传感子系统发送来的电流信号进行接收；
[0011] 所述信号还原模块用于将电流环接收模块接收到的电流信号还原为动态压力信 号；
[0012] 所述第二低频放大模块用于将所述动态压力信号进行放大，并根据动态压力变化 量调整所述管道泄漏监测系统的测量量程；
[0013] 所述第二低通滤波模块用于将放大后的动态压力信号中高于监测目标频率的高 频信号滤除进行滤波处理后，对管道泄漏的动态压力信号数据进行记录。
[0014] 进一步地，所述前端传感器子系统包括：
[0015] 动态压力传感器、第一低频放大模块、第一低通滤波模块及电流环发射模块；
[0016] 动态压力传感器，用于采集管道在泄漏瞬间因动态压力变化而产生的动态压力信 号；
[0017] 所述第一低频放大模块用于将所述动态压力传感器采集到的动态压力信号进行 放大；
[0018] 所述第一低通滤波模块用于将放大后的动态压力信号中超过目标检测频率的高 频信号进行滤波处理；
[0019] 所述电流环发射模块用于将经过滤波处理后的动态压力信号转换为电流信号并 发送至所述泄漏监测信号调理子系统。
[0020] 进一步地，所述动态压力传感器为具有特定工作频率的动态压力传感器，其在特 定频率范围内采集管道泄漏动态压力信号并作出响应。
[0021] 进一步地，所述动态压力传感器根据管道泄漏动态压力的频率范围4HZ-10KHZ，设 定前端传感子系统的测量频率范围为<30KHz。
[0022] 进一步地，所述泄漏监测信号调理子系统还包括：
[0023] 温度检测模块及控制单元；
[0024] 所述温度检测模块用于采集泄漏监测信号调理子系统所处环境的温度值，为调整 模拟信号增益提供依据；
[0025] 所述控制单元用于通过温度检测模块采集到的温度信息，实时调整模拟信号增 益，使系统在环境温度发生变化的情况下，测量量程保持不变。
[0026] 本实用新型提供的管道泄漏监测系统，前端传感器子系统灵敏度高、对微小信号 也能产生反应、信噪比高、不易受电磁干扰、结构紧凑、使用寿命长、安全可靠，此外，采用电 流环形式输送信号，方便实现信号的长距离传输和处理，能精确反应被测管道内动态压力 的变化状态，监测精度高、反应速度快、稳定可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为基于动态压力传感器的管道泄漏监测系统原理框图
[0028] 图2为前端传感子系统的音波传感器、低频放大、电流环发送原理图
[0029] 图3为前端传感子系统的低通滤波原理图
[0030] 图4为泄漏监测信号调理子系统电流环接收原理图
[0031] 图5为泄漏监测信号调理子系统信号还原原理图
[0032] 图6为泄漏监测信号调理子系统低通滤波原理图
[0033] 图7为泄漏监测信号调理子系统低频放大电路图
[0034] 图8为泄漏监测信号调理子系统控制单元、温度采集模块电路图
[0035] 图9为基于动态压力传感器的管道泄漏监测系统的工作流程图
【具体实施方式】
[0036] 参见图1，本实用新型实施例提供的一种管道泄漏监测系统，包括前端传感器子系 统和泄漏监测信号调理子系统；所述前端传感器子系统用于将管道在泄漏瞬间因动态压力 变化而产生的动态压力信号进行放大、滤波处理后变换为电流信号，再将所述电流信号发 送至所述泄漏监测信号调理子系统；所述泄漏监测信号调理子系统用于将接收到所述电流 信号转换为动态压力信号，再将所述动态压力信号进行放大、滤波处理后进行数据采集。
[0037] 其中，所述前端传感器子系统包括：动态压力传感器、第一低频放大模块、第一低 通滤波模块及电流环发射模块。动态压力传感器，用于采集管道在泄漏瞬间因动态压力 变化而产生的动态压力信号；所述动态压力传感器为具有特定工作频率的动态压力传感 器，其在特定频率范围内采集管道泄漏动态压力信号并作出响应。动态压力传感器具有能 在微秒级以内响应和高响应频率的优越性能。这些特性赋予了传感器能在高静态背景压 力条件下来监测低的动态压力的独特能力，它能承受高静态的压力载荷，同时也可以精确 的对很小的压力波动作出响应。所述动态压力传感器根据管道泄漏动态压力的频率范围 4Hz-10KHz，设定前端传感子系统的测量频率范围为<30KHz ;通过对大量泄漏信号进行的 数据分析，在泄漏瞬间产生的压力波信号频率范围集中在<30KHz范围内。现有技术下的前 端传感器，或不能调整测量频率范围，或泄露信号范围超出测量频率范围，使测量准确度不 能保证。本实用新型通过调整前端传感子系统的测量频率范围，使其能够精确覆盖泄漏信 号的频率范围会保证泄露信号不遗漏、易识别。
[0038] 所述第一低频放大模块用于将所述动态压力传感器采集到的动态压力信号进行 放大；所述第一低通滤波模块用于将放大后的动态压力信号中超过目标检测频率的高频 信号进行滤波处理；所述电流环发射模块用于将经过滤波处理后的动态压力信号转换为电 流信号并发送至所述泄漏监测信号调理子系统。
[0039] 所述泄漏监测信号调理子系统包括：电流环接收模块、信号还原模块、第二低频放 大模块、第二低通滤波模块、温度检测模块及控制单元。所述电流环接收模块用于将前端 传感子系统发送来的电流信号进行接收；所述信号还原模块用于将电流环接收模块接收到 的电流信号还原为动态压力信号；所述第二低频放大模块用于将所述动态压力信号进行放 大，并根据动态压力变化量调整所述管道泄漏监测系统的测量量程；所述第二低通滤波模 块用于将放大后的动态压力信号中高于监测目标频率的高频信号滤除后，对管道泄漏的动 态压力信号数据进行记录。所述温度检测模块用于采集泄漏监测信号调理子系统所处环境 的温度值，为调整模拟信号增益提供依据，本实用新型实施例温度检测模块采用的是温度 传感器。所述控制单元用于通过温度检测模块采集到的温度信息，实时调整模拟信号增益， 使系统在环境温度发生变化的情况下，测量量程保持不变。管道泄漏检测设备安装环境通 常比较恶劣，在极端情况下，昼夜温差可能达到十几度到数十度。温度发生变化时模拟部分 元器件产生温飘，使输出波形发生变化，严重影响后期对数据处理的准确性，现有的后端调 理系统无法解决。本实用新型中采用温度传感器对环境温度实时采样，MCU控制单元通过 采集到的温度值对模拟部分增益进行实时调整，这样做的目的在于：温度变化引起模拟部 分元件发生温漂，MCU控制单元实时调整增益进行温度补偿，减小环境因素对波形产生的影 响。另外，不对温度进行补偿，输出电压可能会超过预设值，进而影响甚至损坏下级器件，进 行增益调节可以避免这种情况发生。
[0040] 如图2所示，所述动态压力传感器、第一低频放大模块及电流环接收的电原理主 要由U4.组成；插座J1的1、2、3、4端线相连，2端接地，5端经电阻R1接U4的12和13端， 5端与地之间接电容C2,并5端与地之间接串联的电容C1、电阻R2和电阻R10,电阻R2和 电阻R10之间接电阻R4到U4的4端，U4的3端经电阻R9后一路接电容C3与串联的电阻 R13和电阻R14并联到地，另一路接电容C7与串联的电阻R16和电阻R17并联到地，U4的 5端和6端之间接电阻R5，U4的，1端和2端之间接电位器R8,电位器R8的中间抽头接U4 的16端，U4的1端和16端之间接串联的电阻R6和电阻R7，U4的2端和16端之间接串联 的电阻R11和电阻R12 ;U4的7端接地，U4的14端和15端之间接电容C4，U4的10端与地 之间接并联的电容C5和电容C6，U4的10端经二极管D1与电阻R15串联后接插座J2的1 端，插座J2的2端接地，插座J2的1端与2端之间接二极管D2。
[0041] 如图3所示，所述第一低通滤波模块的电原理主要由运算放大器U2组成；输入端 经电阻R101后由电阻R103接运算放大器U2的" + "输入端，电阻R101后由电容C101接运 算放大器U2的输入端，电阻R101与电阻R103之间经电阻R102与电容C102串联接运 算放大器U2的" + "输入端，电阻R102与电容C102之间接电阻R104到地；运算放大器U2 的2端接-5V，5端接+5V，运算放大器U2的1端输出。
[0042] 如图4所示，所述电流环接收模块的电原理主要由运算放大器U2A组成；运算放大 器U2A的" + "输入端经电阻R1接地，运算放大器U2A的" + "输入端与输入端之间接串 联的光电二极管U1B和电阻R3,光电二极管U1B和电阻R3之间经电阻R2接地，运算放大器 U2A的输出端1端经电容C1接输入端；运算放大器U2A的输出端1端接三极管Q1的基 极，三极管Q1的集电极接电阻R3与电阻R2之间，三极管Q1的发射极经串联的电阻R4和 发光二极管U1A接" + "电源，" + "电源与电阻R3、电阻R2之间接并联的电容C2、稳压二极 管Z1。
[0043] 如图5所示，所述信号还原模块的电原理主要由运算放大器U3A组成；运算放大 器U3A的" + "输入端接地，运算放大器U3A的输入端经光电二极管接地，运算放大器 U3A的输出端1端经并联的电容C4、电阻R5接回输入端。
[0044] 如图6所示，所述第二低通滤波模块的电原理主要由运算放大器U7组成；低通滤 波器的输入端经电阻R10接地，并经电阻R11接运算放大器U7的"+"输入端，运算放大器U7 的"+"输入端经电容C10接地；低通滤波器的输入端经电容C8接运算放大器U7的输 入端，运算放大器U7的输出1端接输入端；运算放大器U7的5端接-15V，7端接+15V。
[0045] 如图7所示，第二低频放大模块的电原理主要由运算放大器U13组成；低频放大的 输入端经电阻R6接运算放大器U13的输入端，运算放大器U13的" + "输入端经电阻R8 接地，运算放大器U13的输出端经并联的电容C5、电阻R7接运算放大器U13的输入端； 运算放大器U13的4端接-15V，7端接+15V。
[0046] 如图8所示，所述温度检测模块及控制单元的电原理主要由U26、U11组成；U26为 PIC16F1820, U11 为 DS1267。U26 的 1 端接 VCC，U26 的 2 端为 0SC320UT，3 端为 0SC32IN, 4 端为MCLR，8端为LED3V3,9端为LED+5V，10端接U11的7端，U26的11端接RST，12端接 U11 的 10 端，13 端接 TEMP+5V，14 端接 TEMP3V3,15 端接 U11 的 9 端，U26 的 17 端接 TEMP NTC，U26 的 18 端接 IC SPCLK，并经电阻 R30 接 VREF, U26 的 19 端接 IC SPDAT, U26 的 20 端接 地；U11的1端、4端和8端接地，3端接Pot H1, 5端接Pot W1, 6端接RST，16端接VCC+5V。
[0047] 如图9所示，本实用新型提供的管道泄漏监测系统的工作原理如下：
[0048] 在管道上部署前端传感子系统，并通过电缆与泄漏监测信号调理子系统相连。系 统主机上电，并自动进行初始化工作。
[0049] 系统正常工作情况下，通过动态压力传感器采集动态压力信号，并通过第一低频 放大模块将所述动态压力传感器采集到的动态压力信号进行放大，通过第一低通滤波模 块将放大后的动态压力信号中超过目标检测频率的高频信号进行滤波处理；通过4-20mA 电流环发射模块用于将经过滤波处理后的动态压力信号转换为电流信号并发送至电流环 接收模块。
[0050] 电流环接收模块接收到电流环上的信号后，通过信号还原模块将其隔离转换为经 过了放大的动态压力信号，第二低频放大模块用于将所述动态压力信号进行放大，并根据 动态压力变化量调整所述管道泄漏监测系统的测量量程；经过所述第二低通滤波模块用于 将放大后的动态压力信号中高于监测目标频率的高频信号进行滤波处理后，对管道泄漏的 动态压力信号数据进行记录。
[0051] 系统上电后，温度采集模块同时开始工作，当温度没有超过预设值时，系统正常工 作，当温度超过阈值后，控制单元调节调理模块参数，修正温度偏移对模拟信号造成的影 响。
[0052] 当系统掉电时，监测过程结束。
[0053] 本实用新型提供的管道泄漏监测系统，前端传感器子系统灵敏度高、对微小信号 也能产生反应、信噪比高、不易受电磁干扰、结构紧凑、使用寿命长、安全可靠，此外，采用两 线制电流环形式输送信号，方便实现信号的长距离传输和处理，能精确反应被测管道内动 态压力的变化状态，监测精度高、反应速度快、稳定可靠。
[0054] 最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本实用新型的技术方案而非限 制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对 本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范 围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1. 一种管道泄漏监测系统，其特征在于，包括： 前端传感器子系统，设有电流环接收模块、信号还原模块、第二低频放大模块及第二低 通滤波模块的泄漏监测信号调理子系统； 所述前端传感器子系统用于将管道在泄漏瞬间因动态压力变化而产生的动态压力信 号进行放大、滤波处理后变换为电流信号，再将所述电流信号发送至所述泄漏监测信号调 理子系统； 所述电流环接收模块用于将前端传感子系统发送来的电流信号进行接收； 所述信号还原模块用于将电流环接收模块接收到的电流信号还原为动态压力信号； 所述第二低频放大模块用于将所述动态压力信号进行放大，并根据动态压力变化量调 整所述管道泄漏监测系统的测量量程； 所述第二低通滤波模块用于将放大后的动态压力信号中高于监测目标频率的高频信 号滤除进行滤波处理后，对管道泄漏的动态压力信号数据进行记录。
2. 如权利要求1所述的管道泄漏监测系统，其特征在于，所述前端传感器子系统包括： 动态压力传感器、第一低频放大模块、第一低通滤波模块及电流环发射模块； 动态压力传感器，用于采集管道在泄漏瞬间因动态压力变化而产生的动态压力信号； 所述第一低频放大模块用于将所述动态压力传感器采集到的动态压力信号进行放 大； 所述第一低通滤波模块用于将放大后的动态压力信号中超过目标检测频率的高频信 号进行滤波处理； 所述电流环发射模块用于将经过滤波处理后的动态压力信号转换为电流信号并发送 至所述泄漏监测信号调理子系统。
3. 如权利要求2所述的管道泄漏监测系统，其特征在于： 所述动态压力传感器为具有特定工作频率的动态压力传感器，其在特定频率范围内采 集管道泄漏动态压力信号并作出响应。
4. 如权利要求3所述的管道泄漏监测系统，其特征在于： 所述动态压力传感器根据管道泄漏动态压力的频率范围4Hz-10KHz，设定前端传感子 系统的测量频率范围为<30KHz。
5. 如权利要求1所述的管道泄漏监测系统，其特征在于，所述泄漏监测信号调理子系 统还包括： 温度检测模块及控制单元； 所述温度检测模块用于采集泄漏监测信号调理子系统所处环境的温度值，为调整模拟 信号增益提供依据； 所述控制单元用于通过温度检测模块采集到的温度信息，实时调整模拟信号增益，使 系统在环境温度发生变化的情况下，测量量程保持不变。
【文档编号】F17D5/06GK203848002SQ201420013726
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】许斌, 刘广文, 谭东杰, 王洪超, 吴家勇, 胡森, 王立坤, 熊敏, 马云宾, 杨喜良 申请人:中国石油天然气股份有限公司