专利名称：智能煤气泄露检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于超声波检测技术、控制技术和信息技术在都市煤气安全防范上的应用，适用于都市煤气供应商的安全供气以及每个使用都市管道煤气家庭的安全用气。
背景技术：
近年来，煤气走进千家万户为城市居民的现代化生活做出保证。可在市民们享受着煤气带给人们方便的同时，却也不时有人吞下煤气泄漏的苦果。据有关部门透露，从1993年煤气进入我国的某都市以来，几乎每年该市会有十几人乃至几十人丧生于煤气泄漏事故中。目前我国早期导入管道煤气的都市由于管道和胶管等进入老化阶段，面临着大量的用气安全的维护工作。总之煤气供应网络给城市生活带来了很多方便的同时，也引出一些新的安全隐患问题，如果处理不当或者不及时发现问题就像没有起爆的炸弹一样随时都可能给城市人民生命财产造成威胁。
国家建设部《2000年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则(修改稿)》中已经明确提出“大力推动应用户外计量(含水、电、燃气表技术)和产品的研究开发。”为此智能抄表系统的研究被受关注，利用电子技术计算机、网络技术和传感技术，对传统电表、水表、燃气表加以改进，使其成为远传表、在户外装一套计量系统，将每一个计量表传感器传出的数据，送到每个表的采集器存储经过函数变换送到系统总成单元，各单元通过数据总线并连，在数据总线上任何一点计算机直接对话，自动抄收三表数据，这些研究和产品的问世都为煤气自动检漏提供了良好的硬件基础，特别是近年来的超声波流量检测技术的发展，为煤气的瞬时流量、大流量的检测提供了一种新的手段。
现有的对煤气泄漏的检查主要是通过手工方式或者使用仪器来进行检漏。还存在的缺点是1、对煤气用户内部管道的泄漏检测由于工作量大而且用户不在家无法进行检漏，同时发现煤气泄漏的及时性差，不能进行实时检测；2、检测时，都需要和管道中的煤气直接接触，测量时对供气存在压损；3、目前有些家庭中安装了煤气泄漏传感器，在室内的煤气达到一定浓度后，传感器发生动作，报警告诉用户煤气发生泄漏，这种方法能提高安全用气的水平，但是毕竟还是一种被动式的防范方法，一旦发现报警需要人去干预，另外发生煤气泄漏的部位超出煤气泄漏传感器探测范围煤气泄漏的防范作用也就失去了，且不能发现煤气微量泄漏情况，灵敏度差；4、不能够对煤气逆流进行检测；5、在安装检测仪器时，需要用到需要专门的阀门、法兰和旁通管道，安装麻烦且费用较高。
发明内容为了克服已有技术中煤气泄漏检测装置的不能进行实时检测、发现煤气泄漏及时性差、测量时对供气存在压损、灵敏度差、安装麻烦的不足，本实用新型提供一种能够自动地、实时地对煤气泄漏进行检测、能检测煤气流速地微小变化、灵敏度高，能实现供气无压损测量、安装简单方便的智能煤气泄漏自动检测装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种智能煤气泄漏检测装置，包括煤气管道夹装部分、安装在夹装部分的煤气检控装置，还包括两个超声波换能器、微处理器，关闭阀门、两个超声波换能器的输出连接所述的微处理器，所述的关闭阀门安装在煤气管道的入口处；所述的两个超声波换能器安装在夹装部分的对侧位置，正向超声波换能器靠近煤气管道的用户使用端，负向超声波换能器远离煤气管道的用户使用端；所述的微处理器包括在检控时可选择性地以两个超声波换能器地其中之一为发射器、另一个为接收器的发送和接收切换单元；与发送和接收切换单元连接的计量从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1l、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2l的时间计量单元；用于存放煤气静止状态时从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2的信息存储部分；比较分析单元，用于将计量单元测定的顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与t1、t2进行减运算，即下式ϵ1=t1-t1l;]]>ϵ2=t2-t2l]]>式1；并根据顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与管道煤气的流速u之间的关系，其关系式为t1l=D/sinθc2+ucosθ+τ]]>式2；t2l=D/sinθc2-ucosθ+τ]]>式3；上式2和3中，u为管道中煤气的流速，以米·秒-1为单位；c2为超声波在静止煤气中的声速，以米·秒-1为单位；D为管道的内径，以米为单位；θ为声束进入煤气的折射角，τ由式4表示τ=2l1c1+τe]]>式4；上式4中，l1为声导之长度，以米为单位；c1为超声波在声导中的声速，以米·秒-1为单位； 为超声脉冲通过声导的时间，以秒为单位，τe为电路延迟时间；如果上式1计算得到的|ε1|＝|ε2|并且ε1＞0并且ε2＜0，比较分析单元输出煤气泄漏信号；在比较分析单元输出煤气泄漏信号向关闭阀门发送关闭指令的关闭阀驱动单元，在比较分析单元输出煤气泄漏信号后通过远程通信接口向维修部门发送泄漏告警信号的远程通信单元。
进一步，所述的比较分析单元还包括煤气逆流判断单元，如果上式1计算得到的|ε1|＝|ε2|并且ε1＜0并且ε2＞0，则输出煤气逆流信号；在比较分析单元输出煤气逆流信号后向关闭阀门发送关闭指令的关闭阀驱动单元；所述的远程通信单元还包括在比较分析单元输出煤气逆流信号后将逆流告警信号通过远程通信接口传送给维修部门的逆流告警单元。
再进一步，所述的比较分析单元还包括漂移判断单元，如果上式1计算得到的|ε1|≠|ε2|，则输出漂移信号；所述的微处理器还包括自动补偿单元，用于在比较分析单元计算得到|ε1|≠|ε2|，如果ε1≠0，则将t1l的数值存放到存储单元替换t1的原值；如果ε2≠0，则将t2l的数值存放到存储单元替换t2的原值。
更进一步，所述的信息存储部分的顺流传播时间t1、逆流传播时间t2包括一年中每天在煤气没有使用时的顺流传播时间t1d、逆流传播时间t2d；比较分析单元，用于将计量单元测定的顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与检测当天的t1d、t2d进行减运算，即下式ϵ1d=t1d-t1l;]]>ϵ2d=t2d-t2l]]>式5；如果上式5计算得到的|ϵ1d|=|ϵ2d|]]>并且ϵ1d>0]]>并且ϵ2d<0,]]>比较分析单元输出煤气泄漏信号。
进一步，所述的比较分析单元还包括煤气逆流判断单元，如果上式5计算得到的|ϵ1d|=|ϵ2d|]]>并且ϵ1d<0]]>并且ϵ2d>0,]]>则输出煤气逆流信号；在比较分析单元输出煤气逆流信号后向关闭阀门发送关闭指令的关闭阀驱动单元；所述的远程通信单元还包括在比较分析单元判断为煤气逆流后将逆流告警信号通过远程通信接口传送给维修部门的逆流告警单元。
再进一步，所述的比较分析单元还包括漂移判断单元，如果上式5计算得到的|ϵ1d|≠|ϵ2d|,]]>就判断为超声波传感器经时间而产生的漂移；所述的微处理器还包括自动补偿单元，用于在比较分析单元计算得到|ϵ1d|≠|ϵ2d|,]]>如果ϵ1d≠0,]]>则将t1l的数值存放到存储单元替换t1d的原值；如果ε2≠0，则将t2l的数值存放到存储单元替换t2d的原值。
更进一步，所述的微处理器还包括流量计算单元，用于接收所述的时间计量单元输出得到顺逆流传播时间差Δt=t2l-t1l]]>后，以下式测得煤气的流量Q=450πDc22tanθ×Δt]]>式6上式6中，D为煤气管道的截面内径，以米为单位；C2为超声波在静止煤气中的声速，以米·秒-1为单位；θ为声束进入煤气的折射角；Δt为顺逆流传播时间差，以秒为单位；Q为煤气的流量，以米3·小时-1为单位。
所述的微处理器还包括所述的远程通信单元还包括将流量计算单元测得的煤气的流量通过远程通信接口传送给计费中心的自动计费单元。
本实用新型的有益效果主要表现在1、采用超声波传感器(换能器)对煤气流动情况进行检测，能够自动地、实时地对煤气泄漏进行检测、能检测煤气流速地微小变化、灵敏度高；2、超声波换能器安装在夹装部分，采用间接测量方法，可以实现供气无压损测量；3、安装维修方便，夹装式换能器的安装维修均不需停流，不需要专门的阀门、法兰和旁通管道，安装费用低；4、利用时差法检测煤气流速的变化，可测正反两向流，为发现煤气的逆流提供了一种手段；5、能检测流速的微小变化，对整个煤气网管的实时监控提供了可视化的手段；6、特别适合大口径流量测量，价格随口径的变化不大，超声波流量计价廉物美，时差超声波流量计可测管径达10.7米，能满足煤气网管上各个节点的煤气流量检测；7、测量不受压力、密度、粘度等参数的影响，输出特性线形范围宽；8、无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻；9、采用微处理器，可自动进行由于环境温度、传感器零点漂移等误差补偿和运算，可进行折射角修正，并有自诊断功能。
图1是智能煤气泄漏检测装置的基本构成原理图。
图2是微处理器的内部结构图。
图3是实施例1的智能煤气泄漏检测装置的微处理器的流程图。
图4是实施例2的智能煤气泄漏检测装置的微处理器的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
实施例1参照图1、图2、图3，一种智能煤气泄漏检测装置，包括煤气管道夹装部分2、安装在夹装部分2的煤气检控装置，该煤气检控装置包括两个超声波换能器3、微处理器6、关闭阀门4、两个超声波换能器3的输出连接微处理器6，关闭阀门4安装在煤气管道1的入口处；两个超声波换能器3安装在夹装部分2的对侧位置，正向超声波换能器靠近煤气管道的用户使用端，负向超声波换能器远离煤气管道的用户使用端；微处理器6包括关闭阀驱动单元5、远程通信部分7、输入输出接口8、内部总线9、时钟10、ROM存储器11、RAM存储器12、计算单元CPU 13，对于煤气流量的测量，为了简化安装和降低成本，本实用新型采用一对超声发射器和接收器，两者交替工作在发射、接收状态，当超声波在流动的煤气中，相对于固定坐标系统，超声波速度与在静止不流动的煤气中的传播速度有所不同，通过测量顺流和逆流超声波脉冲传播的时间差来测量煤气在管道中的瞬时流量，在管道两侧分别装置有两个超声波换能器R和T，管道中的煤气以速度μ向前流动。图中的两个换能器交替工作在发射、接收状态，当T发射R接收时称为顺流发射状态，反之，R发射T接收时称为逆流发射状态。设顺流发射时超声脉冲的传播时间为t1l，而逆流发射时超声脉冲的传播时间为t2l。
用于存放煤气静止状态时(流量Q＝0)从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2的信息存储部分，所述的信息存储部分为ROM存储器11的一部分；微处理器包括在检控时可选择性地以两个超声波换能器地其中之一为发射器、另一个为接收器的发送和接收切换单元；计算单元CPU 13包括时间计量单元、比较分析单元，时间计量单元与发送和接收切换单元连接，用于计量从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1l、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2l；比较分析单元，用于将计量单元测定的顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与t1、t2进行减运算，即下式ϵ1=t1-t1l;]]>ϵ2=t2-t2l]]>式1；并根据顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与管道煤气的流速u之间的关系，其关系式为t1l=D/sinθc2+ucosθ+τ]]>式2；t2l=D/sinθc2-ucosθ+τ]]>式3；上式2和3中，u为管道中煤气的流速，以米·秒-1为单位；c2为超声波在静止煤气中的声速，以米·秒-1为单位(一般情况下c22>>μ2]]>)；D为管道的内径，以米为单位；θ为声束进入煤气的折射角，τ由式4表示τ=2l1c1+τe]]>式4；上式4中，l1为声导(O-P)或(B-C)之长度，以米为单位；c1为超声波在声导中的声速，以米·秒-1为单位； 为超声脉冲通过声导的时间，以秒为单位，τe为电路延迟时间；如果上式1计算得到的|ε1|＝|ε2|并且ε1＞0并且ε2＜0，则判断为煤气泄漏；在比较分析单元判断为煤气泄漏时向关闭阀门发送关闭指令的关闭阀驱动单元，在比较分析单元判断为煤气泄漏后通过远程通信接口向维修部门发送泄漏告警信号的远程通信单元。
所述的比较分析单元还包括煤气逆流判断单元，如果上式1计算得到的|ε1|＝|ε2|并且ε1＜0并且ε2＞0，则判断为煤气逆流；远程通信单元还包括在比较分析单元判断为煤气逆流后将逆流告警信号通过远程通信接口传送给维修部门的逆流告警单元。
所述的比较分析单元还包括漂移判断单元，如果上式1计算得到的|ε1|≠|ε2|，就判断为超声波传感器经时间而产生的漂移；所述的微处理器还包括自动补偿单元，用于在比较分析单元计算得到|ε1|≠|ε2|，如果ε1≠0，则将t1l的数值存放到存储单元替换t1的原值；如果ε2≠0，则将t2l的数值存放到存储单元替换t2的原值。
参照图3，本实施例的智能煤气泄漏检测装置的工作过程为
第一步，判断一天中是否有最小流量为0，如果有则判断没有发生煤气泄漏，且由于流量为0，根据式1则Δt为0，所以判断为超声波传感器没有发生漂移；第二步，在判断一天中的最小流量不为零时，微处理器的时间计量单元通过发送和接收切换单元对两个超声波换能器的顺流传播时间t1l，逆流传播时间进行测量t2l，并从微处理器中得到系统时间；第三步，根据系统时间，从微处理器的信息存储部分得到测量当天的煤气静止状态时从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2；第四步，计算ϵ1=t1-t1l,]]>ϵ2=t2-t2l,]]>第五步，比较判断是否存在|ε1|＝|ε2|；第六步，如果|ε1|＝|ε2|并且ε1＞0并且ε2＜0，判断为煤气泄漏；在比较分析单元判断为煤气泄漏时向关闭阀门发送关闭指令；并向煤气供应站的信息中心发送告警信号，信息中心通知检修部门检修；如果|ε1|＝|ε2|并且ε1＜0并且ε2＞0，则判断为煤气逆流；驱动关闭阀切断煤气供应，并通过编码规则找到煤气管道破裂的地方，通知检修部门检修；如果|ε1|≠|ε2|，就判断为超声波传感器经时间而产生的漂移；如果ε1≠0，则将t1l的数值存放到存储单元替换t1的原值；如果ε2≠0，则将t2l的数值存放到存储单元替换t2的原值，进行漂移补偿。
所述的微处理器还包括流量计算单元，用于接收所述的时间计量单元输出得到顺逆流传播时间差Δt=t2l-t1l]]>后，以下式测得煤气的流量
Q=450πDc22tanθ×Δt]]>式6上式6中，D为煤气管道的截面内径，以米为单位；C2为超声波在静止煤气中的声速，以米·秒-1为单位；θ为声束进入煤气的折射角；Δt为顺逆流传播时间差，以秒为单位；Q为煤气的流量，以米3·小时-1为单位。
所述的微处理器还包括所述的远程通信单元还包括将流量计算单元测得的煤气的流量通过远程通信接口传送给计费中心的自动计费单元。
实施例2参照图1、图2、图4，本实施例的硬件配置和实施例1相同。
用于存放一年中每天煤气静止状态时(流量Q＝0)从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1d、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2d的信息存储部分，所述的信息存储部分为ROM存储器11的一部分；微处理器包括在检控时可选择性地以两个超声波换能器地其中之一为发射器、另一个为接收器的发送和接收切换单元；与发送和接收切换单元连接的计量从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1l、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2l的时间计量单元；比较分析单元，用于将计量单元测定的顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与检测当天的t1d、t2d进行减运算，即下式ϵ1d=t1d-t1l;]]>ϵ2d=t2d-t2l]]>式5；
并根据顺流传播时间t1l、逆流传播时间t2l与管道煤气的流速u之间的关系，其关系式为t1l=D/sinθc2+ucosθ+τ]]>式2；t2l=D/sinθc2-ucosθ+τ]]>式3；上式2和3中，u为管道中煤气的流速，以米·秒-1为单位；c2为超声波在静止煤气中的声速，以米·秒-1为单位(一般情况下c22>>μ2]]>)；D为管道的内径，以米为单位；θ为声束进入煤气的折射角，τ由式4表示τ=2l1c1+τe]]>式4上式4中，l1为声导(O-P)或(B-C)之长度，以米为单位；c1为超声波在声导中的声速，以米·秒-1为单位； 为超声脉冲通过声导的时间，以秒为单位，τe为电路延迟时间；如果上式5计算得到的|ϵ1d|=|ϵ2d|]]>并且ϵ1d>0]]>并且ϵ2d<0,]]>判断为煤气泄漏在比较分析单元判断为煤气泄漏时向关闭阀门发送关闭指令的关闭阀驱动单元，在比较分析单元判断为煤气泄漏后通过远程通信接口向维修部门发送泄漏告警信号的远程通信单元。
所述的比较分析单元还包括煤气逆流判断单元，如果上式5计算得到的|ϵ1d|=|ϵ2d|]]>并且ϵ1d<0]]>并且ϵ2d>0,]]>则判断为煤气逆流；所述的远程通信单元还包括在比较分析单元判断为煤气逆流后将逆流告警信号通过远程通信接口传送给维修部门的逆流告警单元。
所述的比较分析单元还包括漂移判断单元，如果上式5计算得到的|ϵ1d|≠|ϵ2d|,]]>就判断为超声波传感器经时间而产生的漂移；所述的微处理器还包括自动补偿单元，用于在比较分析单元计算得到|ϵ1d|≠|ϵ2d|,]]>如果ϵ1d≠0,]]>则将t1l的数值存放到存储单元替换t1d的原值；如果ε2≠0，则将t2l的数值存放到存储单元替换t2d的原值。
参照图4，本实施例的智能煤气泄漏检测装置的工作流程为第一步，判断一天中是否有最小流量为0，如果有则判断没有发生煤气泄漏，且由于流量为0，根据式1则Δt为0，所以判断为超声波传感器没有发生漂移；第二步，在判断一天中的最小流量不为零时，微处理器的时间计量单元通过发送和接收切换单元对两个超声波换能器的顺流传播时间t1l，逆流传播时间进行测量t2l，并从微处理器中得到系统时间；第三步，根据系统时间，从微处理器的信息存储部分得到测量当天的煤气静止状态时从正向超声波换能器发射到负向超声波换能器接收的顺流传播时间t1d、从负向超声波换能器发射到正向超声波换能器接收的逆流传播时间t2d；第四步，计算ϵ1d=t1d-t1l,]]>ϵ2d=t2d=t2l,]]>第五步，比较判断是否存在|ϵ1d|=|ϵ2d|;]]>第六步，如果|ϵ1d|=|ϵ2d|]]>并且ϵ1d>0]]>并且ϵ2d<0,]]>判断为煤气泄漏；在比较分析单元判断为煤气泄漏时向关闭阀门发送关闭指令；并向煤气供应站的信息中心发送告警信号，信息中心通知检修部门检修；如果|ϵ1d|=|ϵ2d|]]>并且ϵ1d<0]]>并且ϵ2d>0,]]>则判断为煤气逆流；驱动关闭阀切断煤气供应，并通过编码规则找到煤气管道破裂的地方，通知检修部门检修；
如果|ϵ1d|≠|ϵ2d|,]]>就判断为超声波传感器经时间而产生的漂移；如果ϵ1d≠0,]]>则将t1l的数值存放到存储单元替换t1d的原值；如果ε2≠0，则将t2l的数值存放到存储单元替换t2d的原值，进行漂移补偿。
所述的微处理器还包括流量计算单元，用于接收所述的时间计量单元输出得到顺逆流传播时间差Δt=t2l-t1l]]>后，以下式测得煤气的流量Q=450πDc22tanθ×Δt]]>式6上式6中，D为煤气管道的截面内径，以米为单位；C2为超声波在静止煤气中的声速，以米·秒-1为单位；θ为声束进入煤气的折射角；Δt为顺逆流传播时间差，以秒为单位；Q为煤气的流量，以米3·小时-1为单位。
所述的微处理器还包括所述的远程通信单元还包括将流量计算单元测得的煤气的流量通过远程通信接口传送给计费中心的自动计费单元。
本实用新型智能煤气泄漏检测装置在自动完成煤气泄漏检测的同时还可以作为一种具有远程抄表功能的智能煤气表，该智能煤气表由于具有环境温度补偿和漂移补偿功能，因而具有测试精度高、自动矫正、自动标定等智能化功能。
权利要求1.一种智能煤气泄漏检测装置，包括煤气管道夹装部分、安装在夹装部分的煤气检控装置，其特征在于该煤气检控装置包括两个超声波换能器、用以根据超声波换能器的信号监控煤气是否泄漏的微处理器、关闭阀门，两个超声波换能器的输出连接所述的微处理器，所述的关闭阀门安装在煤气管道的入口处，所述的微处理器信号输出端连接关闭阀门，并通过远程通信接口连接维修部门。
2.权利要求1所述的智能煤气泄漏检测装置，其特征在于所述的微处理器还包括用以根据超声波换能器的信号计算流量的流量计算单元。
3.如权利要求2所述的智能煤气泄漏检测装置，其特征在于所述的微处理器还包括用于将流量计算单元测得的煤气的流量通过远程通信接口传送给计费中心的自动计费单元。
专利摘要一种智能煤气泄漏检测装置，包括煤气管道夹装部分、安装在夹装部分的煤气检控装置，还包括两个超声波换能器、微处理器、关闭阀门，两个超声波换能器的输出连接微处理器，关闭阀门安装在煤气管道的入口处；两个超声波换能器安装在夹装部分的对侧位置；微处理器包括发送和接收切换单元、时间计量单元、信息存储部分、比较分析单元、在比较分析单元判断为煤气泄漏时向关闭阀门发送关闭指令的关闭阀驱动单元，在比较分析单元判断为煤气泄漏后向维修部门发送泄漏告警信号的远程通信单元。本实用新型提供一种能够自动地、实时地对煤气泄漏进行检测、灵敏度高，能实现供气无压损测量、安装简单方便的智能煤气泄漏检测装置。
文档编号G01M3/00GK2816780SQ200420110129
公开日2006年9月13日 申请日期2004年11月17日 优先权日2004年11月17日
发明者汤一平 申请人:浙江工业大学