一種管道壓力實時監測裝置的製作方法

2023-05-23 04:29:21

專利名稱：一種管道壓力實時監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力監測裝置，具體是一種原油管道壓力實時監測裝置。
背景技術：
由於管道輸送具有成本低、節省能源、安全性高及供給穩定等優點，管道運輸在世 界範圍內得到迅速發展，已成為現代社會不可缺少的組成部分。然而，由於長時間的運行磨 損、設備的自然老化、地理和氣候環境的變化以及人為損壞等原因，洩漏故障時有發生，給 人們的生命、財產和生存環境造成了巨大的潛在威脅，同時也造成嚴重的資源浪費。為了減 少損失，減輕管道事故的危害，需要在事故發生後立即檢測出來，並且能夠指明洩漏發生的 位置。因此，及時準確地定位管道洩漏點具有重要的現實意義。輸油管道大多鋪設在野外，不但地處偏僻之處，而且一般管道距離很長，僅僅依靠 管道安全管理人員的人工巡查，顯然既沒有效率又浪費時間，不能有效解決管道安全的防 護問題。到目前為止，儘管有一些公司推出了輸油管道洩漏定位監測系統。但是，目前各種 管道洩漏檢測技術都沒能很好地解決洩漏檢測響應速度、系統魯棒性和可靠性、洩漏檢測 靈敏度、定位精度和系統成本之間的關係，其關鍵問題是沒能很好地解決洩漏檢測靈敏度 和減少洩漏誤報之間的矛盾。究其原因是洩漏檢測和定位技術缺乏自適應性，而且洩漏檢 測系統的性能很大程度上取決於數據採集及監測裝置的精度和分辨能力，從而可靠性和魯 棒性差。壓力信號是描述管道工作情況，識別管道狀態的重要信息，所以採集準確的壓力 信號就變得尤為重要，本專利就是在這樣的需求下提出的，使其在滿足壓力信號採集精度 的基礎上還需具備施工量小、成本低、安裝維護方便的優點。經對現有的技術文獻檢索發現，沒有發現與本發明主題相同或類似的文獻報導。

發明內容
本發明的目的在於提供一種低功耗、高精度的管道壓力實時監測裝置。本發明的目的是這樣實現的管道壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的電流信號經過信號調理電路調理為 電壓信號，電壓信號經多通路電子開關及採樣保持電路後，由16位A/D轉換電路進行模擬 信號到數位訊號的轉換，微處理器MSP430F149根據事先設置的時間間隔周期性地採集所 述數位訊號，同時將日曆時間信息、流量信息和溫度信息完整的記錄存儲到EEPR0M中，然 後微處理器MSP430F149再利用UART模塊將EEPR0M中的數據經電平轉換和通信網絡構成 的信號傳輸單元實時地傳送置主機或遠程監控中心，或者在接收到特定的外部命令後將符 合查詢條件的歷史記錄進行批量傳輸。本發明的特點體現在UMSP430F149為16位具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機，運算性能和速 度指標好，完全能滿足中小規模運算量的實時速度要求。
2、採用16位A/D轉換器具有轉換精度高，抑制幹擾能力強，靈敏度高的特點，轉換 速率比較慢，一般一秒只有幾十次，但已滿足本系統的需求。另外它具有誤差小，零點漂移 低的優點。因此本方案可以達到設計要求的高精度測量的目標。3、軟體方面，友好的操作界面，四個按鍵簡單、直觀、方便的作業系統。4、該系統量程精度0. 075%，量程比50 1 ；差壓測量範圍7. 5_6895kPa ；貯存 溫度範圍(-40 +85) V ；工作溫度(-45 +70) °C，完全能夠滿足全國各地區用戶的需 求。


圖1管道壓力實時監測裝置原理圖；圖2管道壓力實時監測裝置流程圖；圖3微處理器MSP430F149電路原理圖；圖4數據採集單元AD7705電路原理圖；圖5信號傳輸單元MAX232電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1，本發明包括微處理器MSP430F149-U1、數據採集單元-U2、日曆時鐘單 元-U3、數據存儲單元-U4、輸入輸出單元-U5、信號傳輸單元-U6。利用高精度差壓式壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器進行原油管道的壓力、流 量、溫度監測，其中，原油管道的壓力為主要監測對象。以具有精簡指令集、超低功耗的混 合型MSP430F149微處理器U1為核心，協調多傳感器信號選通，與日曆時鐘單元U3、數據存 儲單元U4、輸入輸出單元U5進行數據交換，控制數據採集單元U2的時序及讀寫狀態，並將 採集得到的數據通過信號傳輸單元U6傳送置主機或遠程監控中心，完成原油管道壓力、流 量、溫度的實時監測、記錄等主要功能；數據採集單元U2 根據壓力傳感器採集原油管道壓 力，溫度傳感器採集溫度信號，流量傳感器採集管內流量信息，利用高精度A/D轉換單元進 行16位模擬量到數字量的轉換，由微處理器U1查詢或中斷接受轉換結果；日曆時鐘單元 U3 時鐘實時與U1以SPI/I2C的通信方式進行通信，並以設置的時間間隔周期性地喚醒U1 進行數據採集和存儲，而當前時鐘的時間信息也作為原油管道壓力記錄的數據項之一；數 據存儲單元U4 :EEPR0M與微處理器U1以SPI/I2C的通信方式進行通信，當U1判斷當前原油 管道壓力需要記錄時，一條完整記錄包含時間信息、原油管道壓力信息及當前時間的流量 和溫度信息統一存儲到EEPR0M中，並以隊列的方式完成數據的存儲；輸入輸出單元U5 包 括按鍵輸入和液晶顯示輸出，按鍵輸入為本系統提供系統復位，時間校對，傳感器零點調整 等功能，方便用戶查看，為用戶提供了友好的人機接口 ；信號傳輸單元U6 應用UART模塊， 微處理器U1與主機或遠程監控中心通過RS232進行通信，U1實時地將當前的原油管道壓 力信息傳輸出去，也可以在接收到特定的外部命令後，將符合查詢條件的歷史記錄進行批 量傳輸，提高系統可靠性。結合圖2，本發明的工作流程為系統啟動時，首先按上次啟動設置將EEPR0M初始 化，然後程序開始運行，進入微處理器系統及相關外設初始化，包括對微處理器時鐘、串口、定時器進行初始化，液晶顯示初始過程狀態；當初始化工作完成後，進入工作選擇模式，讀 取鍵盤數據，保存數據並將設置狀態返還微處理器；微處理器按設置的時間間隔發出指令 信號選擇壓力、溫度和流量數據通道，再控制A/D進行模擬量到數字量的轉換，完成壓差、 溫度、流量數據的模數轉換並保存轉換數據，判斷採集模數轉換後的數據(壓差、溫度、流 量)單循環是否結束，若未採集完則繼續採集，若採集單循環完成則進行數據處理，同時記 錄當前時間作為附加信息，使其在單循環周期內構成一個完整的數據包；RS232通訊設置 為一位起始位、一位停止位、8位數據位、奇校驗方式，波特率為9600bps，被保存的數據包 經RS232電平轉換傳輸到主機或遠程監控中心。結合圖3，MSP430F149微處理器U1的數字DVCC (1腳)和模擬AVCC (64腳)為電 源端，模擬DVSS (63腳)和模擬AVSS (62腳)為接地端，DY低壓差穩壓器、DS7可調集成穩 壓器與濾波電容(包括電容及電解電容)C4、C18、C19、C20、C27、C28、C29、C30、C31及電感 L1、L2 —起構成穩壓電路；XT2IN(52腳)、XT20UT(53腳)為外部振蕩器引腳，接晶振Y2，同 時並聯C16、C17電容接地；XIN_L(8腳)、TX0UT_L/TCLK(9腳)外接晶振Y1 ；CPU復位信號 輸入端RST (58腳)串聯上拉電阻R8與+3. 3V相連，同時串聯電阻R3及復位開關DS6與地 相連；TD0/TDI (54 腳)、TDI (55 腳)、TMS (56 腳)、TCK(57 腳)與 JTAG 的 1、3、5、7 腳相連； JTAG的2腳接+3. 3V、9腳接地、11腳接MSP430F149微處理器U1的RST (58腳)；P10 (12腳) 接U2-A/D轉換器的SCLK(1腳)串行時鐘輸入，提供時鐘信號；P12(14腳)、P11(13腳)分 別與A/D轉換器AD7705的DIN(14腳)串行數據輸入、D0UT (13腳)串行數據輸出端相連； UTXD0(32腳)和URXD0(33腳)與信號傳輸單元TO的T1IN(11腳)和R10UT(12腳)連接。結合圖4，數據採集單元U2中16位A/D轉換器AD7705是美國AD公司新近推出 的一種低功耗、高性能電荷平衡式A/D轉換器。其中，VDD(15腳)接電源電壓VCC;GND(16 腳)和REF IN(-)參考電壓負端接地；RESET (5腳)復位，該埠為低電平時，將控制邏輯、 接口邏輯、校準係數復位為上電狀態；MCLK IN(2腳)主時鐘輸入與MCLK0UT(3腳)主時鐘 輸出之間串聯晶振Y3，晶振Y3兩端分別串聯電容C32和C33與地相連；CS (4腳)使能端與 地相連；REF IN⑴參考電壓負端+3. 3伏電源電壓；AIN 1 (+) (7腳)、AIN 1㈠(8腳)分別 為差分模擬輸入通道1的正、負輸入端，AIN2(+) (6腳)、AIN2(_) (11腳)分別為差分模擬輸 入通道2的正、負輸入端；SCLK(1腳)串行時鐘輸入與MSP430F149微處理器U1的P10(12 腳)相連；DIN(14腳)串行數據輸入、D0UT(13腳)串行數據輸出端分別與MSP430F149微 處理器U1的P12(14腳)、P11(13腳)相連。結合圖5，信號傳輸單元U6的VCC(16腳)接電源電壓，與VDD(2腳)串聯C12電 解電容，VDD端接正極；Cl+(1腳)和Cl-(3腳)串聯C10電解電容，C1+端接正極；C2+(4 腳)和C2-(5腳)串聯C11電解電容，C2+端接正極；GND(15腳)和VEE(6腳)串聯C14電 解電容，GND端接正極；T1IN(11腳)和R10UT(12腳)分別接MSP430F149微處理器U1的 TXD (32 腳)和 RXD (33 腳)；T10UT(14 腳)、R1IN(13 腳)、GND(15 腳)分別與 9 針串口的 2、 3、5針連接，完成與主機或遠程監控中心串口的連接。
權利要求
一種管道壓力實時監測裝置，其特徵是管道壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的電流信號經過信號調理電路調理為電壓信號，電壓信號經多通路電子開關及採樣保持電路後，由16位A/D轉換電路進行模擬信號到數位訊號的轉換，微處理器MSP430F149根據事先設置的時間間隔周期性地採集所述數位訊號，同時將日曆時間信息、流量信息和溫度信息完整的記錄存儲到EEPROM中，然後微處理器MSP430F149再利用UART模塊將EEPROM中的數據經由電平轉換和通信網絡構成的信號傳輸單元實時地傳送置主機或遠程監控中心，或者在接收到特定的外部命令後將符合查詢條件的歷史記錄進行批量傳輸。
2.根據權利要求1所述的管道壓力實時監測裝置，其特徵是微處理器MSP430F149的 數字DVCC即1腳和模擬AVCC即64腳為電源端，模擬DVSS即63腳和模擬AVSS即62腳為 接地端，DY低壓差穩壓器、DS7可調集成穩壓器與第四電容(C4)、第十八電容(C18)、第十九 電容(C19)、第二十電容(C20)、第二十七電容(C27)、第二十八電容(C28)、第二十九電容 (C29)、第三十電容(C30)、第三十一電容(C31)及第一電感(L1)、第二電感(L2) —起構成 穩壓電路；XT2IN即52腳、XT20UT即53腳為外部振蕩器引腳，接晶振Y2，同時並聯第十六 電容C16、第十七電容C17接地；XIN_L即8腳、TX0UT_L/TCLK即9腳外接晶振(Y1) ；CPU復 位信號輸入端RST即58腳串聯第八上拉電阻(R8)與+3. 3V相連，同時串聯第三電阻(R3) 及復位開關(DS6)與地相連；TD0/TDI即54腳、TDI即55腳、TMS即56腳、TCK即57腳與 JTAG的1、3、5、7腳相連JTAG的2腳接+3. 3V、9腳接地、11腳接微處理器MSP430F149的 RST即58腳；P10即12腳接U2-A/D轉換器的SCLK即1腳串行時鐘輸入，提供時鐘信號； P12即14腳、P11即13腳分別與A/D轉換器AD7705的DIN即14腳串行數據輸入、D0UT即 13腳串行數據輸出端相連；UTXD0即32腳和URXD0即33腳與信號傳輸單元(U6)的T1IN 即11腳和R10UT即12腳連接。
3.根據權利要求1或2所述的管道壓力實時監測裝置，其特徵是所述16位A/D轉換 電路的VDD即15腳接電源電壓VCC ；GND即16腳和REF IN(-)參考電壓負端接地；RESET即 5腳復位，該埠為低電平時，將控制邏輯、接口邏輯、校準係數復位為上電狀態；MCLK IN 即2腳主時鐘輸入與MCLK OUT即3腳主時鐘輸出之間串聯晶振Y3，晶振Y3兩端分別串聯 第三十二電容C32和第三十三電容C33與地相連；CS即4腳使能端與地相連；REF IN⑴參 考電壓負端+3. 3伏電源電壓；AIN1 (+)即7腳、AIN1㈠即8腳分別為差分模擬輸入通道1 的正、負輸入端，AIN2(+)即6腳、AIN2(_)即11腳分別為差分模擬輸入通道2的正、負輸 入端；SCLK即1腳串行時鐘輸入與微處理器MSP430F149的P10即12腳相連；DIN即14腳 串行數據輸入、D0UT即13腳串行數據輸出端分別與微處理器MSP430F149的P12即14腳、 P11即13腳相連。
4.根據權利要求1或2所述的管道壓力實時監測裝置，其特徵是所述的信號傳輸單 元的VCC即16腳接電源電壓，與VDD即2腳串聯第十二電解電容C12，VDD端接正極；C1+ 即1腳和C1-即3腳串聯第十電解電容C10，C1+端接正極；C2+即4腳和C2-即5腳串聯 第i^一電解電容Cll，C2+端接正極；GND即15腳和VEE即6腳串聯第十四電解電容C14， GND端接正極；T1IN即11腳和R10UT即12腳分別接微處理器MSP430F149的TXD即32腳 和RXD即33腳；T10UT即14腳、R1IN即13腳、GND即15腳分別與9針串口的2、3、5針連 接，完成與主機或遠程監控中心串口的連接。
5.根據權利要求3所述的管道壓力實時監測裝置，其特徵是所述的信號傳輸單元的VCC即16腳接電源電壓，與VDD即2腳串聯第十二電解電容C12，VDD端接正極；C1+即1腳 和C1-即3腳串聯第十電解電容C10，C1+端接正極；C2+即4腳和C2-即5腳串聯第十一 電解電容C11，C2+端接正極；GND即15腳和VEE即6腳串聯第十四電解電容C14，GND端接 正極；T1IN即11腳和R10UT即12腳分別接微處理器MSP430F149的TXD即32腳和RXD即 33腳；T10UT即14腳、R1IN即13腳、GND即15腳分別與9針串口的2、3、5針連接，完成與 主機或遠程監控中心串口的連接。
全文摘要
本發明提供的是一種管道壓力實時監測裝置。管道壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的電流信號經過信號調理電路調理為電壓信號，電壓信號經多通路電子開關及採樣保持電路後，由A/D轉換電路進行轉換，微處理器周期性地採集所述數位訊號，同時將日曆時間信息、流量信息和溫度信息完整的記錄存儲到EEPROM中，然後微處理器再利用UART模塊將EEPROM中的數據經電平轉換和通信網絡實時地傳送置主機或遠程監控中心。本發明解決了現有管道洩漏監測系統數據採集解析度不高、可靠性低和魯棒性差的問題，在滿足壓力信號採集精度和實時性的前提下並具備施工量小、成本低、安裝維護方便的特點。
文檔編號G01D5/14GK101832787SQ20101014896
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月19日 優先權日2010年4月19日
發明者於佔東, 傅薈璇, 李冰, 杜春洋, 王宇超 申請人:哈爾濱工程大學