一种液体推进剂泄漏监测装置的制作方法

1.本实用新型属于液体推进剂泄漏监测技术领域，具体地说，涉及一种液体推进剂泄漏监测装置。


背景技术：

2.液体推进剂主要有偏二甲肼、一甲基肼、单推-3、四氧化二氮等，具有易燃易爆、有毒有害等特性，一旦发生泄漏后，极易造成设备及人身财产危害。由于人们对其危害性认识的提高，对液体推进剂相关的操作的畏惧感油然而生。如果发生泄漏事故，泄漏监测报警系统发出报警信号，相关的应急处置措施立即生效，对挽救损失具有重大意义；反之，没有发生泄漏事故，泄漏监测报警系统发生虚警，势必造成极大的经济财产浪费以及对相关人员的心理造成影响。
3.液体推进剂泄漏监测报警装置是一种用于监测贮存液体推进剂装置是否发生泄漏的装置，主要利用特定的气体浓度传感器来检测环境中是否存在目标气体种类及其含量。
4.目前，针对液体推进剂泄漏后会挥发出相应的推进剂气体，现有的用于液体推进剂泄漏监测的装置有便携式气体检测仪、手持式气体检测仪、固定式气体检测仪、在线式气体检测仪等，且核心器件或处理芯片多为进口产品，严重受限于外部环境。
5.另外，现有的液体推进剂泄漏监测报警装置虽然能够及时发现液体推进剂发生泄漏后的有毒有害气体，但其多是运用单一气体浓度传感器实现气体浓度的获取，往往因为气体浓度传感器发生故障造成漏报或误报，给操作人员的生命安全及设备安全造成威胁。
6.有鉴于此特提出本实用新型。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种液体推进剂泄漏监测装置，采用多个传感器信息融合技术实现气体浓度采集，配合表决算法实现降低虚警率和漏警率的目的。
8.为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：
9.一种液体推进剂泄漏监测装置，包括：
10.至少一个传感器组件，每个传感器组件中包括至少三个规格相同的传感器，用于采集同一种泄漏液体的气体浓度；
11.微控制器，内置有表决算法，与所述传感器组件连接，用于对所述至少三个传感器采集的气体浓度数据进行处理，判断所述至少三个传感器是否存在故障；
12.电源模块，为所述传感器组件和所述微控制器供电；
13.无线通信模块，用于输出所述至少三个传感器检测的无异常数据以及有异常数据的传感器故障的信号。
14.进一步的，所述传感器组件中还包括信号调理电路，用于将所述传感器输出的电
流信号转换为电压信号；
15.所述微控制器中还内置有ad转换模块，用于将所述电压信号进行模数转换。
16.进一步的，所述传感器组件与微控制器无线通信连接，所述传感器组件还包括可充电电池，为所述至少三个传感器供电；
17.所述传感器组件与所述电源模块之间设置有电源管理模块，用于为所述信号调理电路和所述传感器组件的无线模块供电；
18.所述无线通信模块还输出所述可充电电池的电量。
19.进一步的，所述微控制器采用低功耗芯片hc32l136，内置有rtc模块和lpuart模块；
20.所述电源管理模块采用可开关dc-dc芯片sm62040。
21.进一步的，所述传感器为电化学型气体浓度传感器。
22.进一步的，还包括：
23.报警主机，与所述无线通信模块连接，用于接收无异常的数据以及传感器故障的信号，并进行声光报警。
24.优选的，所述报警主机包括声光报警器和语音报警器。
25.进一步的，还包括：
26.服务器，与所述报警主机通信连接，用于接收无异常的数据以及传感器故障的信号，并形成数据汇总。
27.一种液体推进剂泄漏监测方法，包括以下步骤：
28.s1，在一个采集周期内，通过至少三个规格相同的传感器同时获取至少三组对于同一种液体推进剂的气体浓度数据；
29.s2，对至少三组气体浓度数据进行分析，判断是否存在异常数据，若存在异常数据，则将该组气体浓度数据剔除，将剩余气体浓度数据作为监测结果输出，若不存在异常数据，则将所有气体浓度数据作为监测结果输出。
30.进一步的，对至少三组气体浓度数据进行分析，判断是否存在异常数据，包括：
31.每组气体浓度数据中包括若干个气体浓度值，将每组气体浓度数据中的最大值和最小值剔除后获取剩余气体浓度值的平均值；
32.将至少三组气体浓度数据按照平均值的大小排序；
33.采用表决算法判断至少三组气体浓度数据中是否存在异常数据；
34.优选的，至少三个传感器的型号相同。
35.进一步的，若存在异常数据时，将输出异常数据的传感器存在故障的信号输出；
36.优选的，步骤s1之前还包括：
37.s0，所述传感器采用周期唤醒的周期工作模式。
38.采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。
39.1、本实用新型对至少三个传感器检测的数据采用表决算法进行处理，可去除异常数据，提高检测数据的准确性，而且，由于三个传感器同时故障的概率较小，因此，设置至少三个传感器同时检测可避免因传感器故障造成的液体泄漏误报和漏报。
40.2、本实用新型的液体推进剂泄漏监测装置设置有无线通信模块，可实现远距离数据传输，无需工作人员到现场对液体推进剂泄漏进行监测，避免了使用实验室仪器检测和
便携式仪器检测时检测人员长时间近距离接触有毒、有害液体，从而给健康带来危害的问题。
41.3、本实用新型的微控制器采用国产芯片低功耗芯片hc32l136，做到元器件全国产化，降低成本。
42.4、本实用新型的微控制器采用国产芯片低功耗芯片hc32l136，电源管理模块采用可开关dc-dc芯片sm62040，同时采用rtc周期唤醒的周期工作模式，实现低功耗的目的。
43.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
44.附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
45.图1是本实用新型液体推进剂泄漏监测装置的示意图；
46.图2是本实用新型液体推进剂泄漏监测装置的工作流程示意图；
47.图3是本实用新型电源管理模块连接示意图；
48.图4是周期工作模式时序图；
49.图5本实用新型液体推进剂泄漏监测方法的示意图。
50.图中：1、第一传感器组件；11、偏二甲肼传感器；12、第一信号调理电路；2、第二传感器组件；21、四氧化二氮传感器；22、第二信号调理电路；3、微控制器；4、电源模块；5、无线通信模块；6、报警主机；7、电源管理模块。
51.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
52.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
53.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
54.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
55.如图1至图5所示，本实用新型提供一种液体推进剂泄漏监测装置。
56.如图1所示，液体推进剂泄漏监测装置包括至少一个传感器组件、微控制器3、电源
模块4和无线通信模块5。
57.每个传感器组件中包括至少三个规格相同的传感器，用于采集同一种泄漏液体的气体浓度，例如，传感器为电化学型气体浓度传感器。
58.微控制器3内置有表决算法，用于对所述至少三个传感器采集的气体浓度数据进行处理，判断所述至少三个传感器是否存在故障。
59.电源模块4为所述传感器组件和所述微控制器3供电。
60.无线通信模块5用于输出所述至少三个传感器检测的无异常数据以及有异常数据的传感器故障的信号。
61.详细的，液体推进剂不只有一种液体成分，通常包括多种成分，因此，本实用新型的液体推进剂泄漏监测装置中包括至少一个传感器组件，每个传感器组件用于检测一种液体泄漏后的气体浓度。
62.本实用新型以偏二甲肼和四氧化二氮为例进行说明，如图1所示，第一传感器组件1用于检测偏二甲肼，包括至少三个偏二甲肼传感器11。第二传感器组件2用于检测四氧化二氮，包括至少三个四氧化二氮传感器21。每个传感器组件均包括至少三个规格相同的传感器，可采集至少6路浓度信号，对至少三个传感器检测的数据采用表决算法进行处理，可去除异常数据，提高检测数据的准确性。而且，由于三个传感器同时故障的概率较小，因此，设置至少三个传感器同时检测可避免因传感器故障造成的液体泄漏误报和漏报。
63.此外，本实用新型的液体推进剂泄漏监测装置设置有无线通信模块5，可实现远距离数据传输，无需工作人员到现场对液体推进剂泄漏进行监测，避免了使用实验室仪器检测和便携式仪器检测时检测人员长时间近距离接触有毒、有害液体，从而给健康带来危害的问题。
64.进一步的方案中，所述传感器组件中还包括信号调理电路，用于将所述传感器输出的电流信号转换为电压信号；所述微控制器3中还内置有ad转换模块，用于将所述电压信号进行模数转换。
65.详细的，当传感器为电化学型气体浓度传感器时，输出na级的电流信号，且与待测气体浓度成正比。信号调理电路将浓度传感器输出的电流信号转换成电压信号后上传至微控制器3内置的ad转换模块进行模数转换，有利于采用表决算法对气体浓度数据进行分析处理。
66.相应的，三个偏二甲肼传感器11输出的电流信号由第一信号调理电路12转换；三个四氧化二氮传感器21由第二信号调理电路22转换。
67.进一步的方案中，所述传感器组件还包括可充电电池，为所述至少三个传感器供电；所述传感器组件与所述电源模块4之间设置有电源管理模块7，用于为所述信号调理电路和所述传感器组件的无线模块供电；所述无线通信模块5还输出所述可充电电池的电量。
68.进一步的方案中，所述微控制器3采用低功耗芯片hc32l136，内置有rtc模块和lpuart模块；所述电源管理模块7采用可开关dc-dc芯片sm62040。
69.详细的，如图3所示，微控制器3选用国产低功耗芯片hc32l136，供电电压范围为1.8v～5.5v，供电范围宽，可以直接由锂电池形式的电源模块4供电。内置adc功能模块、lpuart功能模块、rtc功能模块等。电源模块4直接给微控制器3和dc-dc芯片供电，在rtc运行且深度睡眠模式下，整个微控制器3芯片功耗0.9ua，可开关dc-dc芯片sm62040静态工作
电流18ua，整机功耗约20ua。正常工作模式时，功耗电流约20ma，每次工作20s，每10分钟唤醒一次，两节并联18650锂电池供电，工作时间可达1年以上。
70.传感器组件与微控制器3无线通信连接，无线式的传感器组件由内置可充电电池供电，电源模块4为微控制器3提供电源，电源管理模块7主要为信号调理电路及无线模块的供电和电压转换功能。同时，电源管理模块7采用可开关dc-dc芯片sm62040，由于电池供电对功耗及其敏感，在进入低功耗工作模式式，电源管理模块7关闭输出，从而断开信号调理电路的供电；进入正常工作模式时打开芯片开关，使能外部模块供电。采用rtc周期唤醒的周期工作模式，如图4所示，周期工作模式设计如下：设每个周期为t，工作时间为twork，休眠时间为tsleep，则在每个周期内，传感器组件在tsleep时间内，信号调理电路单元处于断电状态，微控制器3的数据处理单元、无线发射单元处于休眠状态；在twork时间段内，首先信号调理电路恢复供电，对传感器发出的微弱电信号进行采集，然后微控制器3的数据处理单元和无线发射单元恢复至工作状态，对数据处理后用无线通信模块5发射出去。
71.进一步的方案中，液体推进剂泄漏监测装置还包括报警主机6，与所述无线通信模块5连接，用于接收无异常的数据以及传感器故障的信号，并进行声光报警。
72.详细的，报警主机6接收传感器产品编号、浓度数据、电池电量、报警信息、故障信息等，在本地进行声光报警，以警示工作人员。优选的，所述报警主机6包括声光报警器和语音报警器。
73.进一步的方案中，液体推进剂泄漏监测装置还包括服务器，与所述报警主机6通信连接，用于接收无异常的数据以及传感器故障的信号，并形成数据汇总。
74.详细的，报警主机6将异常的数据以及传感器故障的信号通过以太网接口将相关信号汇总到服务器上，便于值班室人员的查看。
75.本实用新型的液体推进剂泄漏监测装置的工作流程如下，如图2和图3所示：
76.步骤1：初始化微控制器3外设，包括adc、rtc、lpuart、rcc等外设；
77.步骤2：配置rtc周期唤醒时间；
78.步骤3：rtc唤醒微控制器3，打开电源管理模块7的使能引脚en，即置高pc1引脚输出电平，外围电路正常工作；
79.步骤4：ad转换模块连续采集6路浓度信号，分别对应偏二甲肼和四氧化二氮气体各3路浓度信号s11、s12、s13和s21、s22、s23；
80.步骤5：对采集到的同种气体3路浓度信号进行比较，即s11≤s12≤s13和s21≤s22≤s23，若无异常时三路信号求均值后输出，无需故障报警；若有异常信号则需要剔除其中超过阈值q的1路异常信号，即：s12-s11》q时剔除s11，或s13-s12》q时剔除s13；同理，s22-s21》q时剔除s21，或s23-s22》q时剔除s23，余下的两路信号进行求均值输出作为最终的浓度值，并故障报警；
81.步骤6：微控制器3判断是否发生偏二甲肼和/或四氧化二氮泄漏，若是，执行步骤7，若否，执行步骤8；
82.步骤7：微控制器3将运算完的数据通过无线通信模块5发送给报警主机6，同时发送电池电量、节点编号等内容，并循环执行步骤4；
83.步骤8：微控制器3将运算完的数据通过无线通信模块5发送给报警主机6，同时发送电池电量、节点编号等内容；
84.步骤9：发送完成后进入休眠模式，重复步骤3。
85.上述工作模式里，采用的是内部唤醒方式。由于应用场景是泄漏监测，而发生泄漏的情况具有不确定性，此外，液体推进剂泄漏监测装置还兼顾低功耗的要求，需要根据设定的唤醒周期定期唤醒，因此，在唤醒期间进行气体浓度监测的同时还需要判断是否发生泄漏，如果判断发生泄漏则由周期模式转入实时监测模式，进行进一步的确认，以降低误报漏报，提高安全性。
86.其中，步骤4中s11、s12、s13和s21、s22、s23的具体获取方法如下：
87.6个传感器在采集周期内采集每路浓度传感器输出的n个数据，如下：
88.{s110，s111，...，s11n}
89.{s120，s121，...，s12n}
90.{s130，s131，...，s13n}
91.{s210，s211，...，s21n}
92.{s220，s221，...，s22n}
93.{s230，s231，...，s23n}。
94.为了去除浓度传感器因外界干扰输出的异常信号，对每路信号进行冒泡排序，去除掉最大值和最小值后得到新的序列如下:
95.{s110’
，s111’
，...，s11
n-2’}
96.{s120’
，s121’
，...，s12
n-2’}
97.{s130’
，s131’
，...，s13
n-2’}
98.{s210’
，s211’
，...，s21
n-2’}
99.{s220’
，s221’
，...，s22
n-2’}
100.{s230’
，s231’
，...，s23
n-2’}。
101.对得到的新的序列进行取均值得到对应传感器的输出信号s11、s12、s13和s21、s22、s23。
102.上述过程可以去除某一个传感器因外界干扰造成的异常信号，但不能去除该传感器自身故障造成的异常信号，比如一直误输出10ppm浓度，或检测不到浓度信号，输出一直为0ppm。
103.因此，在步骤5中，采用表决算法克服上述缺陷。
104.详细的，步骤4中去除某个传感器自身因外界干扰输出的异常信号后，步骤5中通过三个传感器输出信号之间的比较，去除异常信号，即去除某个传感器的固定输出或不输出两种异常信号，进一步降低误报率和漏报率。
105.本实用新型的一种液体推进剂泄漏监测方法包括以下步骤，如图5所示：
106.s1，在一个采集周期内，通过至少三个规格相同的传感器同时获取至少三组对于同一种液体成分的气体浓度数据；
107.s2，对至少三组气体浓度数据进行分析，判断是否存在异常数据，若存在异常数据，则将该组气体浓度数据剔除，将剩余气体浓度数据作为监测结果输出，若不存在异常数据，则将所有气体浓度数据作为监测结果输出。
108.进一步的，对至少三组气体浓度数据进行分析，判断是否存在异常数据，包括：
109.每组气体浓度数据中包括若干个气体浓度值，将每组气体浓度数据中的最大值和
最小值剔除后获取剩余气体浓度值的平均值；
110.将至少三组气体浓度数据按照平均值的大小排序；
111.采用表决算法判断至少三组气体浓度数据中是否存在异常数据。
112.优选的，至少三个传感器的型号相同。
113.进一步的，若存在异常数据时，将输出异常数据的传感器存在故障的信号输出。
114.详细的，以偏二甲肼和四氧化二氮为例进行说明，设置三个传感器检测偏二甲肼的气体浓度，设置三个传感器检测四氧化二氮的气体浓度。
115.6个传感器在一个采集周期内输出n个数据，如下:
116.{s110，s111，...，s11n}
117.{s120，s121，...，s12n}
118.{s130，s131，...，s13n}
119.{s210，s211，...，s21n}
120.{s220，s221，...，s22n}
121.{s230，s231，...，s23n}。
122.为了去除浓度传感器因外界干扰输出的异常信号，对每路信号进行冒泡排序，去除掉最大值和最小值后得到新的序列如下:
123.{s110’
，s111’
，...，s11
n-2’}
124.{s120’
，s121’
，...，s12
n-2’}
125.{s130’
，s131’
，...，s13
n-2’}
126.{s210’
，s211’
，...，s21
n-2’}
127.{s220’
，s221’
，...，s22
n-2’}
128.{s230’
，s231’
，...，s23
n-2’}。
129.对得到的新的序列进行取均值得到对应传感器的输出信号s11、s12、s13和s21、s22、s23。
130.上述过程可以去除某一个传感器因外界干扰造成的异常信号，但不能去除该传感器自身故障造成的异常信号，比如一直误输出10ppm浓度，或检测不到浓度信号，输出一直为0ppm。
131.因此，本实用新型采用表决算法克服上述缺陷。
132.对采集到的同种气体3路浓度信号进行比较，即s11≤s12≤s13和s21≤s22≤s23，若无异常时三路信号求均值后输出，无需故障报警；若有异常信号则需要剔除其中超过阈值q的1路异常信号，即：s12-s11》q时剔除s11，或s13-s12》q时剔除s13；同理，s22-s21》q时剔除s21，或s23-s22》q时剔除s23，余下的两路信号进行求均值输出作为最终的浓度值，并故障报警。
133.上述方案中，去除某个传感器自身因外界干扰输出的异常信号后，进一步通过三个传感器输出信号之间的比较，去除异常信号，即去除某个传感器的固定输出或不输出两种异常信号，进一步降低误报率和漏报率。
134.优选的，步骤s1之前还包括：s0，所述传感器采用周期唤醒的周期工作模式。
135.详细的，传感器采用rtc周期唤醒的周期工作模式，如图4所示，周期工作模式设计如下：设每个周期为t，工作时间为twork，休眠时间为tsleep，则在每个周期内，传感器组件
在tsleep时间内，信号调理电路单元处于断电状态，微控制器3的数据处理单元、无线发射单元处于休眠状态；在twork时间段内，首先信号调理电路恢复供电，对传感器发出的微弱电信号进行采集，然后微控制器3的数据处理单元和无线发射单元恢复至工作状态，对数据处理后用无线通信模块5发射出去。
136.上述方案可进一步降低传感器的功耗，实现低功耗的目的。
137.进一步的，在唤醒期间进行气体浓度监测的同时还需要判断是否发生泄漏，如果判断发生泄漏则由周期模式转入实时监测模式，对泄漏情况进行进一步的确认，以降低误报漏报，提高安全性。
138.以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。