CN214121502U

CN214121502U - 一种腐蚀泄漏检测系统

Info

Publication number: CN214121502U
Application number: CN202021718238.5U
Authority: CN
Inventors: 刘航; 白添; 高桂; 张玉红; 王博; 王凯琳
Original assignee: Jilin Jianzhu University
Current assignee: Jilin Jianzhu University
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2030-08-18

Abstract

本发明属于工业管道运行状态的检测以及监控预警,为一种腐蚀泄漏检测系统。管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块、A/D转换器、单片机及上位机；其中：将管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块输出的模拟信号接入A/D转换器进行模数转换，将通过A/D转换器得到的数字信号再依次传输至单片机；单片机通过串口通信将这两组信号依次发送至上位机；上位机获取数据后会实时监测管道的腐蚀及泄漏状态，同时上位机每隔一段时间将采集的数据保存。本发明实现了管道腐蚀以及泄漏形变的同时检测，还可随时反馈管道运行情况并提前预警。现有技术不能保证在低成本的条件下实现高精度的检测，本系统简洁方便易于维护，在制作成本不高的条件下可实现高精度低误差的目标。

Description

一种腐蚀泄漏检测系统

技术领域

本发明属于工业管道运行状态的检测以及监控预警,具体地而言为一种腐蚀泄漏检测系统。

背景技术

在管道泄漏检测领域，现主要有的检测技术有电缆检漏法、探测球法、光纤检漏法、质量或体积平衡法、流量、压力突变法、应力波检测法、声发射检漏法等。在管道腐蚀检测方面，现主要有的检测技术有现场调查法、电阻探针 (ER)法、电化学噪音法、超声波法、漏磁通检测法、激光检测法等。现有的管道腐蚀和泄漏的检测是分开进行，且设计的系统不能同时满足实时连续高精度检测、设备简单方便、抗干扰能力强以及低造价等特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种腐蚀泄漏检测系统，解决不能同时对管道的腐蚀及泄漏情况连续实时检测的问题。解决系统测量精度低和抗干扰性差、界面复杂、成本较高及不易维护的问题。

本发明是这样实现的，

一种腐蚀泄漏检测系统，该系统包括：管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块、A/D转换器、单片机及上位机；其中：将管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块输出端接入A/D转换器进行模数转换，通过A/D转换器连接单片机；单片机通过串口连接至上位机。

进一步地，所述管道腐蚀检测模块包括供电模块、电极矩阵、数据采集模块及数据处理电路，所述电极矩阵为FSM电极矩阵焊接在管道内壁，在管道内壁通过连接供电模块施加电流，所述数据采集模块的采集端通过探针与电极矩阵的电极相连，利用数据采集模块采集每个电极的电压检测的内壁电压，数据采集模块连接数据处理电路。

进一步地，数据采集模块包括第一前置放大电路、第一滤波电路、以及真有效值转换电路，电极矩阵连接被测电极，并通过输出端连接第一前置放大电路，第一前置放大电路的输出端连接滤波电路尽可能地滤除信号中的噪声成分，最后，滤波电路连接真有效值转换电路，所述第一前置放大电路采用放大器 INA118，所述真有效值转换电路采用AD736真有效值转换器芯片。

进一步地，所述管道泄漏检测模块包括电源模块、应变桥式电路、第二前置放大电路及低通滤波电路，电源模块连接应变桥式电路为应变桥式电路提供激励电源，电源模块连接第二前置放大电路及低通滤波电路为第二前置放大电路及低通滤波电路提供±12V的电压，应变桥式电路通过输出端连接到第二前置放大电路，第二前置放大电路通过输出端连接至低通滤波器滤波，低通滤波器滤波通通过串口连接至上位机。

进一步地，第二前置放大电路采用集成运算放大器AD620作为运算放大芯片，在运算放大芯片的1号引脚、8号引脚之间跨接499Ω的电阻。

进一步地，所述A/D转换器采用的是逐次比较型A/D转换器PCF8591。

进一步地，所述单片机通过IIC总线与A/D转换器连接。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明在管道腐蚀测量部分主要利用FSM测量技术，将各个电极矩阵分布在管道待测区域，电极矩阵作为数据输出点，将电流源流入后产生的电压信号输出至数据采集电路。数据采集电路对输入的信号进行前置放大及低通滤波后，数据处理电路再将该信号进行处理，最后经过数模转换后发送至上位机。

本发明实现了管道腐蚀以及泄漏形变的同时检测，还可随时反馈管道运行情况并提前预警。现有技术不能保证在低成本的条件下实现高精度的检测，本系统简洁方便易于维护，在制作成本不高的条件下可实现高精度低误差的目标。

附图说明

图1管道腐蚀泄漏系统总框图；

图2管道腐蚀检测模块框图；

图3管道腐蚀检测模块中数据采集模块的框图；

图4管道腐蚀检测模块中第一前置放大电路原理图；

图5为管道腐蚀检测模块中第一滤波电路原理图；

图6为管道腐蚀检测模块中真有效值转换电路；

图7管道泄漏检测模块框图；

图8应变桥式电路图；

图9管道泄漏形变信号前置放大电路图；

图10管道泄漏形变信号滤波电路图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，一种腐蚀泄漏检测系统，该系统包括：管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块、A/D转换器、单片机及上位机；其中：将管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块输出的模拟信号接入A/D转换器进行模数转换，将通过A/D转换器得到的数字信号再依次传输至单片机；单片机通过串口通信将这两组信号依次发送至上位机；上位机获取数据后会实时监测管道的腐蚀及泄漏状态，同时上位机每隔一段时间将采集的数据保存。

参见图2所示，管道腐蚀检测模块，主要利用FSM技术对管道腐蚀进行检测。在管道运输过程中管道内部易发生锈蚀、磨蚀及裂缝等现象，当发生以上现象时，管道的电阻将会发生变化，对所监测的金属管道通入电流，通过测量管道各个检测区域表面形成的微小电位差，分析被测管道结构表面微小电压的变化曲线，就可完成管道腐蚀的检测，上述管道腐蚀检测技术称为电场指纹法 (FSM)。所述管道腐蚀检测模块包括供电模块、电极矩阵、数据采集模块及数据处理电路，所述电极矩阵为FSM电极矩阵焊接在管道内壁，在管道内壁通过供电模块施加电流，所述数据采集模块的采集端通过探针与电极矩阵的电极相连，利用数据采集模块采集每个电极的电压检测的内壁电压，并通过数据处理电路处理采集的电流。

参见图3所示，数据采集模块包括第一前置放大电路、第一滤波电路、以及真有效值转换电路，电极矩阵将被测电极的电压信号发送至第一前置放大电路，第一前置放大电路将被测信号放大到一定量级通过滤波电路尽可能地滤除信号中的噪声成分，最后，通过真有效值转换电路进行数据处理，完成数据采集及处理任务，

参见图4所示，电路检测的钢板是金属材料，被测探针之间的电阻值很小。因此，电极矩阵输出的微弱信号很可能会淹没在噪声中无法被提取出来。为了得到有用信号，必须选用高精度、高共模抑制比的器件完成信号的处理。本申请选择了高精度仪用放大器INA118作为前置放大电路芯片。INA118是一款低功耗、高精度、共模抑制比高的仪表放大器，具有很低的失调电压(50μV)和很低的噪声(8nV/Hz)，适合对各种微弱信号的放大。其放大倍数可通过调节1、 8号引脚之间的电阻来设置，其电阻调节方程为AV＝1+50KΩ/RG，INA118的放大倍数范围为1～1000，因电极矩阵输出的信号较微弱，为了能准确的测量出电压信号，本电路将放大倍数设为800。

参见图5所示，第一滤波电路：在电路放大过程中会不可避免的夹杂噪声信号，噪声信号也会随放大器而放大。因此，必须设计滤波电路，正常管道腐蚀检测到的信号在维持在几KHz范围。所以使用低通滤波器对该信号进行滤波，以滤除其中的噪声信号得到较为纯粹的有用信号。

参见图6所示，真有效值转换电路：信号经滤波后会变成杂波较少的有用信号，但是该信号是交流信号且幅值仍在不断变化，不方便直接测量。因此，本电路使用真有效值测量法来对该信号进行处理。该方法是通过将被测信号的有效值按比例转换为被测信号瞬时值的真均方根值完成真有效值的转换。理论上该电路能够测量任意波形的真有效值。它可以在不考虑被测信号的参数以及失真情况下，无论输入波形的振幅、频率或者形状如何，该电路都可以准确地测量输入波形的有效值。该电路采用的真有效值转换芯片是美国AD公司推出的AD736真有效值转换器芯片。

参见图7，管道在泄漏时管道泄漏处的压力会发生变化，该变化会引起管壁在泄漏孔附近形变的变化。因此，管壁的形变可作为管道泄漏检测的基本研究对象。通过检测管壁形变的变化就可判断出管道是否发生泄漏。所述管道泄漏检测模块包括电源模块、应变桥式电路、第二前置放大电路及低通滤波电路，电源模块为应变桥式电路提供激励电源，为第二前置放大电路及低通滤波电路提供±12V的电压，应变桥式电路作为信号转换电路，将微小的应变信号转换成电压信号并输出到第二前置放大电路，第二前置放大电路将应变桥式电路输出的微小电压进行放大，将前置放大电路的输出信号接入低通滤波器滤波，滤波后输出的模拟信号经模数转换后通过串口通信上传至上位机。

参见图8，应变桥式电路输出的电压信号较小，且电路之间具有一定的距离，该距离会造成压降损耗，因此不方便直接对该信号进行测量。需要将应变桥式电路输出的微弱电压信号通过运算放大器进行放大后再进行分析处理。而且，应变桥式电路输出的信号是差模信号，该信号在传输过程中会有传感器内阻，导线电阻、外界环境噪声的干扰及运算放大器本身产生的噪声对放大结果产生干扰。因此，为了保证信号不失真且最大可能减少噪声的干扰，运算放大器应该具有：高增益、高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和优良的动态特性等特点。

参见图9所示，本实施例选用了仪用集成运算放大器AD620作为前置放大电路的运算放大芯片。它是美国ADI公司推出的精密仪用运算放大器。该芯片由三个运算放大器所构成的精密仪表用运算放大器，其特性指标比三个独立的运算放大器构成的仪表用放大器要高得多，其输入端有过压保护功能，而且该运算放大器还具有很低的失调电压、很小的温度漂移、很高的共模抑制比以及极高的输入阻抗。需要通过外接一个电阻就可以将输入信号精确地放大所需倍数，本电路在该芯片的1、8引脚之间跨接了499Ω的电阻，将应变电桥输出的信号精确的放大100倍。

参见图10，低通滤波电路：一种能将有用信号通过而抑制无用信号的电路。滤波器在信息处理、数据传送和抑制干扰等领域中应用广泛。滤波器可分为数字滤波器、有源滤波器和无源滤波器三种。其中，有源滤波器的幅频特性比较陡峭，电路设计较复杂。无源滤波的结构简单，易于设计，通常用在功率电路中，但是体积较大幅频特性没有有源滤波器好。数字滤波器通常应用在对数字信号处理的场合中。本发明采用的是有源滤波器对信号进行滤波，使用的有源滤波器件是高精度运算放大器OP07，该运算放大器具有输入失调电压低，低温漂，低输入噪声及稳定性高等特点。该滤波器通常与电阻电容即可构成有源低通滤波电路。

由于应变桥式电路输出的信号噪声较多且运算放大器芯片易受到电源干扰电压的影响。因此，电源电压需要相对稳定，本发明选用的电源是输出范围在±15V之间的高精度多抽头的可调直流稳压电源对该电路供电。

所述A/D转换器采用的A/D转换器是逐次比较型A/D转换器PCF8591，单电源供电(3.3V)，低功耗8位的CMOS数模转换器。具有4路模拟输入、1 个数字输出和一个IIC总线接口。PCF8591有3个地址引脚A0,A1和A2，通过以上三个引脚可以对器件地址进行编程，最多可以在IIC总线上外接8个 PCF8591器件，而无需额外的硬件。PCF8591通过IIC总线接口完成数据的处理、A/D转换器的配置及器件间的通信等过程。

所述A/D转换器采用的是逐次比较型A/D转换器PCF8591，配置A/D转换器包括：首先单片机开启IIC总线并发送起始信号，随后发送读地址字节及读写位，，A/D转换器地址为0；随后A/D转换器将发出应答信号，单片机接收到应答信号后再次发送从机地址及读信号；从机再次应答，此时单片机就读取从机的数据了，每读取一个字节单片机将会向A/D转换器发送一个应答信号，当单片机未发送应答信号时则代表数据读取完成，随即单片机再发送停止信号给A/D转换器，此时数据传输结束。

单片机采用的器件是美国ATMEL公司生产的AT89C52系列单片机。该单片机是一种高性能、低电压的8位微控制器芯片，晶振频率为11.0592Mhz，片内含256字节的随机数据存储器(RAM)和8k字节的可反复擦写程序存储器 (ROM)。该单片机共有4个8位并行I/O端口、2个外部中断接口、3个可编程定时计数器接口、2个串行通信接口和2个读写端口。该单片机具有功能强、集成度、可靠性高，功耗低及小巧灵活等特点，在电子行业中有着广泛的应用。

单片机以AT89C52单片机为核心完成对腐蚀检测电路信号、泄漏检测电路信号的采集与处理工作，并按串口通讯协议将采集到的数据发送到上位机软件。下位机软件工作流程如下：系统上电后，首先将开始初始化过程，初始化过程包括单片机内部功能寄存器的初始化、中断初始化、定时器初始化及串口初始化。完成初始化过程后，单片机将进入主程序阶段，随后单片机将按照设计的顺序依次执行任务。随后，单片机通过IIC总线与A/D转换器进行通信， A/D转换器将模数转换后的数据依次发送到单片机，接着单片机通过串口将采集到的信号处理后发送至上位机。

本发明创造的系统与现有技术相比，实现了管道腐蚀以及泄漏形变的同时检测，还可随时反馈管道运行情况并提前预警。现有技术不能保证在低成本的条件下实现高精度的检测，本系统简洁方便易于维护，在制作成本不高的条件下可实现高精度低误差的目标。其实验数据表1所示。

表1管道泄漏验证数据

通过该上表可以看出上位机测量的电压与实验测量的电压误差较小。且随着形变的变化，上位机采集到的数据也会相应的发生变化，当形变的变化量超出了设计的报警值时系统将会产生报警信号。

管道腐蚀验证数据

Table 4-2Pipeline corrsion verification data

从表中可以发现，电极矩阵中的缺陷深度越深上位机采集到的电压信号也会越高，上位机采集到的实验数据与实验结果相比误差较小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种腐蚀泄漏检测系统，其特征在于，该系统包括：管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块、A/D转换器、单片机及上位机；其中：将管道腐蚀检测模块、管道泄漏检测模块输出端接入A/D转换器进行模数转换，通过A/D转换器连接单片机；单片机通过串口连接至上位机。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管道腐蚀检测模块包括供电模块、电极矩阵、数据采集模块及数据处理电路，所述电极矩阵为FSM电极矩阵焊接在管道内壁，在管道内壁通过连接供电模块施加电流，所述数据采集模块的采集端通过探针与电极矩阵的电极相连，利用数据采集模块采集每个电极的电压检测的内壁电压，数据采集模块连接数据处理电路。

3.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，数据采集模块包括第一前置放大电路、第一滤波电路、以及真有效值转换电路，电极矩阵连接被测电极，并通过输出端连接第一前置放大电路，第一前置放大电路的输出端连接滤波电路尽可能地滤除信号中的噪声成分，最后，滤波电路连接真有效值转换电路，所述第一前置放大电路采用放大器INA118，所述真有效值转换电路采用AD736真有效值转换器芯片。

4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管道泄漏检测模块包括电源模块、应变桥式电路、第二前置放大电路及低通滤波电路，电源模块连接应变桥式电路为应变桥式电路提供激励电源，电源模块连接第二前置放大电路及低通滤波电路为第二前置放大电路及低通滤波电路提供±12V的电压，应变桥式电路通过输出端连接到第二前置放大电路，第二前置放大电路通过输出端连接至低通滤波器滤波，低通滤波器滤波通通过串口连接至上位机。

5.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，第二前置放大电路采用集成运算放大器AD620作为运算放大芯片，在运算放大芯片的1号引脚、8号引脚之间跨接499Ω的电阻。

6.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，所述A/D转换器采用的是逐次比较型A/D转换器PCF8591。

7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单片机通过IIC总线与A/D转换器连接。