封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统设计

发布时间：2020-04-15 04:40

【摘要】：管网承载着物料的输送,一旦泄漏极易造成严重的后果。封闭环境由于空间的限制,不便于以介入式安装方式大量安装仪表与布线,同时为了实现泄漏点的准确定位还要求所有监测点具有较高的同步性实现信号的同步采样。因此,研制一套可以应用于封闭空间的、以无线通信形式实现数据传输、且具有较高的信号采样同步性能的管网泄漏非介入式监测系统有着重要的意义和应用价值。为了实现封闭环境下管网泄漏信号的多点同步采样,设计了一套基于无线传感网络的管网泄漏非介入式监测系统。设计并制作了磁铁吸附式非介入式传感节点机械装置,通过放置于平板梁两端的磁铁,实现装置的快捷装卸;通过螺纹调节声波传感器端面和平板梁的水平标准,实现声波传感器端面与管壁的紧密接触。设计了以XBee Pro S3B900HP和STM32F407VGT6为核心的无线传感节点和协调器节点。根据传感节点的机械尺寸设计、制作了相应的信号调理电路和数据采集/无线传输电路,设计制作了协调器电路。通过分析无线传感节点在工作中时钟偏差产生的原因,比较了在无线传感网络时间校正技术中常见的硬件时钟同步与软件时钟同步方法,利用XBee模块的信号强度指示值(RSSI)脉宽调制信号触发节点微处理中断响应,校正各个传感节点定时器,结合GPS时间的无线授时,实现多节点同步采样的软硬件相结合的无线传感网络时间校正,在降低节点功耗的同时提高了系统的授时精度;传感节点以DMA方式实现信号采样与数据的无线传输,结合半满溢出方式触发A/D转换,保证节点数据包完整性的同时最大程度的确保节点时间校准的准确度。在实验室模拟的封闭环境下,以墙壁、WiFi模拟数据传输的障碍和干扰,验证了系统数据传输的稳定性;以多节点采集同一信号的方式验证了系统同步采样授时的准确性。搭建了非介入式气体管网泄漏检测实验平台,通过人工模拟泄漏实验,测试验证了泄漏监测系统漏点定位的准确性。实验结果表明:本课题所设计的封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统具有较高的抗干扰性与避障能力,时间同步准确,泄漏点定位精度较高,为封闭环境下管网的安全预警监测提供了一种有效的技术手段。
【图文】：

声波信号,感器,声波传感器

入式监测系统，通过非介入式安装在管道外壁的声波传感器实时、连续地监测管道内逡逑部的声波信号。逡逑如图２－１所示，在泄漏点产生的泄漏声波信号沿着管道内部介质向上、下游传播。逡逑在传播过程中，泄漏声波信号会迫使对应位置的管壁产生微小形变以非介入方式逡逑安装于管壁上的压电式声波传感器可以实时感测安装位置的这种机械形变。通过对多逡逑个（两个或两个以上）传感器安装位置采集到的声波信号的分析与处理，实现管道泄逡逑漏的非介入式实时监测。逡逑ｐｍｍｉｍ逦泄漏点逦声波｜感器２逡逑Ｙ逡逑栤感器ｉ逦灥逦声波Ｉ感器２逡逑Ｖ逦Ｖ逡逑栤感Ｉ逦灥逦Ｔ器２逡逑ｅＬ逦４邋ｂ逦ｔ２逡逑Ｖ逦Ｖ逡逑图２－１不同时刻泄漏声波信号图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｌｅａｋａｇｅ邋ａｃｏｕｓｔｉｃ邋ｓｉｇｎａｌ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｉｍｅ逡逑１１逡逑

声波法,定位原理

漏产生的声波信号沿两只传感器之间的管道内部输送介质向管段两端传播，通过计算逡逑两个声波传感器检测到泄漏声波信号的时间差，再结合声波在管道内部介质中的传播逡逑速度以及管段的长度，即可得出泄漏点位置，其原理如图２－２所示。逡逑声波传感器１逦声波传感器２逡逑■逦泄懥点逦■逡逑（］￣＾邋Ｖｕｐ邋＜—年逦？邋Ｖ—逡逑＾逦ｘ逦逡逑？逦？逡逑Ｌ逡逑图２－２声波法定位原理逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ａｃｏｕｓｔｉｃ邋ｓｉｇｎａｌ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ逡逑由声波在管道内的传播原理可知逡逑＝邋（２－１）逡逑Ｖ邋Ｖ，逦；逡逑ｕｐ逦ｄｏｗｎ逡逑式中，Ｘ表示泄漏点距上游传感器的距离，Ｌ表示管上、下游传感器间的距离，Ｖｕｐ逡逑表示声波向上游的传播速度，表示声波向下＇游的传播速度，Ａｔ表示池漏声波信逡逑号传输到两端声波传感器的时间差。２－１式可转化为：逡逑ＡｔｘＶ邋ｘＶ，邋＋邋Ｋ邋ｘ邋Ｌ逡逑＾邋—邋逦ｕｐ逦ｄｏｗｎ逦ｕｐ逦邋（２邋２）逡逑＝邋ＫＰ邋＋邋Ｌ逡逑可以简单准确的计算出泄漏点所在位置。逡逑２．２封闭环境下管网泄漏非介入式监测系统的技术难点分析逡逑任何一种管道泄漏监测系统都要求各个监测节点进行信号同步采样。为了保证信逡逑号的同步采样，一种通用的方法是采用ＧＰＳ授时，各个监测节点通过实时接收ＧＰＳ逡逑时间，，校正本地时钟，提高系统的时间精度，实现各个监测点信号的同步采样［３９］。逡逑这种采用ＧＰＳ的信号同步采样方法，不仅要求每个监测节点都装备一套ＧＰＳ天逡逑线和ＧＰＳ接收机
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U178

【参考文献】