专利名称：管道气液联动阀监控仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工业智能仪器仪表技术领域，涉及一种安装在管道阀门处的自动 式管道监控和管道破裂保护仪器管道气液联动阀监控仪。
背景技术：
管道的铺设，特别是天然气管道的铺设通常位于比较崎岖的地方，这些地方高程 变化大地形复杂，泥石流、塌方等自然灾害发生频率很高，对管道的威胁极大，因此能够及 时监控管道压力数据、阀门状态，及时有效的控制阀门开闭以避免事故显得尤为重要。管道气液联动阀监控仪，是一种自动式管道监控和管道破裂保护仪器。该仪器不 仅能够采集管道压力、阀门的开关状态这些重要的数据，而且当管道压力产生突变时能够 产生报警，记录管道压力历史数据，尤其更重要的是当管道压力超高、超低、压降速率超高 时仪器能够自动发出控制信号驱动与之配套的气液联动阀的电磁阀动作进行关阀。目前，国内管道上安装了数量较多的管道气液联动阀监控仪。这些产品都是国外 公司产品如Emerson公司的LineGuard 2200,LineGuard 2100。(国内尚无类似产品)但 这些产品存在着以下几个问题1、子单元的功耗太大。由于野外使用环境只能采用蓄电池供电，大功耗使得蓄电 池使用期限缩短还需频繁更换蓄电池。并由于蓄电池电压下降影响系统工作的稳定性。会 出现误报、误动作。2、没有对蓄电池采用智能充电控制，太阳能充电效能低。3、当电源电压欠压时监控仪没有自动保护。由于电源电压欠压时压力传感器供电 不足产生错误压力信号而导致误动作。
发明内容本实用新型目的在于提供一种安装在管道阀门处的管道气液联动阀监控仪，该监 控仪在低电源功耗、太阳能充电控制、电源电压欠压时监控仪自动保护等方面有所进步。为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是管道气液联动阀监控仪，包括压力 传感器、气液联动阀、LCD显示屏、铅酸蓄电池和太阳能蓄电池，还包括监控仪主机，其连接 关系为安装在管道上的压力传感器和气液联动阀通过电缆与监控仪主机连接，LCD显示 屏通过显示电缆连接监控仪主机，太阳能电池安装在阳光照射的地方，铅酸蓄电池和太阳 能电池连接在监控仪主机上，监控仪主机、铅酸蓄电池、LCD显示屏放置在隔爆箱内，隔爆箱 安装在监控现场，其特征在于监控仪主机包括信号采集电路、数字量输出电路、电源及充 电控制电路、通信电路和信号处理与存储电路，其连接关系为信号处理与存储电路分别与 信号采集电路、数字量输出电路、电源及充电控制电路和通信电路电连接。如上所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于电源与充电控制电路包括12V 转3. 5V DC-DC变换电路、12V转24V DC-DC变换电路及微处理器MCU，微处理器MCU分别与 12V转3. 5V DC-DC变换电路、12V转24V DC-DC变换电路连接，工作原理如下太阳能电压经过过压保护和滤波后经1 17分压电路输入到MCU，蓄电池电压也输入到MCU，MCU判断两者电压是否满足一定条件，如果满足则控制电子开关打开，太阳能对蓄电池充电，否则控 制电子开关关闭，停止充电，其中反充电电路防止反向充电。如上所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于信号处理与存储电路包括主芯 片微处理器MCU TI430149，数据处理后存入4MBIT存储芯片中，信号处理与存储电路自动 计算某一时间段的平均压力，当前压降和平均压降，平均压力值和平均压降值是判断报警 和事件的依据，当平均压力值或平均压降值超出用户设定的范围将会产生压力报警或压降 报警并记录，当恢复到用户的设置范围内会停止报警并记录压力报警或压降报警清除。如上所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于信号采集电路使用两路模拟输 入冗余。如上所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于数字量输出电路由光耦，电压选 择电路以及MCU数字输出电路构成，数字量输出电路产生关闭阀门信号驱动气液联动阀的 电磁阀动作，从而使气液联动阀关闭。如上所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于IXD显示屏包括一个20列X4 行字符显示模块及2个控制显示键盘。如上所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于通信电路采用RS-232电路 MODBUS 通信。本实用新型的原理是监控仪内的信号采集电路将4 20mA的模拟压力信号转换 为数字信号输入给信号处理与存储电路，信号处理与存储电路将数据经过处理判断后经数 字量输出电路输出数字量，并根据需要与通信电路通信，同时电源及充电控制电路将太阳 能电压和蓄电池电压输入到信号处理与存储电路，经判断后决定是否充电或休眠。本实用新型设计新颖，工作可靠，节能环保，利用本监控仪可以有效地监控管道阀 门处，并实现了管道破裂保护，减小了事故面积。该仪器不仅能够采集管道压力、阀门的开 关状态这些重要的数据，而且当管道压力产生突变时能够产生报警，记录管道压力历史数 据，尤其更重要的是当管道压力超高、超低、压降速率超高时仪器能够自动发出控制信号驱 动与之配套的气液联动阀的电磁阀动作进行关阀。该仪器功耗低，使用蓄电池供电。可以 自动控制通过太阳能电池对蓄电池充电，实现了节能环保，并为仪器持续长期稳定的工作 提供了电源保证。
图1为本实用新型实施例的总体机构示意图。图2为图1中监控仪主机的结构框图。图3-1为图2中模拟信号采集电路原理框图。图3-2为图2中无源数字信号采集电路原理框图。图3-3为图2中有源数字信号采集电路原理框图。图4-1为图2中电源及充电控制电路中充电控制部分原理框图。图4-2为图2中电源及充电控制电路中降压电路原理框图。图4-3为图2中电源及充电控制电路中升压电路原理框图。图5为图2中数字量输出电路原理框图。[0027]图6为图2中信号处理与存储电路原理框图。图7为图2中通信电路原理框图。 图8为软件流程框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。图1中标记的说明1-隔爆箱。如图1所示，安装在管道上的压力传感器和气液联动阀通过电缆与监控仪主机连 接，IXD显示屏通过显示电缆连接监控仪主机，铅酸蓄电池和太阳能电池连接在监控仪主机 上，监控仪主机、铅酸蓄电池、IXD显示屏放置在隔爆箱1内。各部分的功能是监控仪主机■对接入的压力传感器信号进行采集、存储、分析。当压力超过、低于设定值或压 降高于设定值时进行报警、关阀等相关处理；■当压力信号达到关阀条件时自动输出12VDC关阀控制信号到气液联动阀。■对来自气液联动阀阀位传感器信号进行采集，记录阀门开闭状态；■对蓄电池、太阳能电池电压进行监控完成蓄电池充电；■与外接设备通信完成数据的传输；■记录运行参数、压力及报警时间、报警类型等数据。IXD显示屏完成当前工作数据、参数、报警记录的显示。电缆完成监控仪主机与IXD显示屏的数据传送及电源供应。全密封免维护铅酸蓄电池提供监控仪主机、IXD显示屏、压力传感器、气液联动 阀的工作电源。隔爆箱将监控仪主机、IXD显示屏、铅酸蓄电池等设备密封保护起来。使仪器可 在需防爆的环境中工作(正常情况下爆炸性气体混合物不可能出现，仅仅在不正常情况 下，偶尔或短时间出现的场所)。太阳能电池提供对密封免维护铅酸蓄电池充电的能源。本实用新型的管道气液联动阀监控仪的工作过程如下监控仪主机通过导线与蓄 电池和太阳能电池、气液联动阀、压力传感器、LED显示屏和计算机相连接。安装在管道上 的压力传感器可输出运行管道内部的气体压力模拟电流信号值，管道气液联动阀监控仪通 过信号采集电路进行信号变换，将模拟压力信号变换为数字压力信号。信号处理与存储电 路自动计算某一时间段的平均压力，当前压降和平均压降。平均压力值和平均压降值是判 断报警和事件的依据。当平均压力值或平均压降值超出用户设定的范围将会产生压力报警 或压降报警并记录，当恢复到用户的设置范围内会停止报警并记录压力报警或压降报警清 除。管道气液联动阀监控仪可以根据用户的配置将符合要求的报警作为大事件或小事件， 同时记录在大事件和小事件日志中，并标有事件发生的时间和一定时间段内的数据。管道 气液联动阀监控仪还可以开启和关闭自动关阀功能，当自动关阀功能开启时，如果某一个 大事件的持续时间超过所设定的事件时间时就会自动产生关闭阀门电压信号。数字量输出 电路产生关闭阀门信号驱动气液联动阀的电磁阀动作，从而使气液联动阀关闭。自动关阀 减小了管道发生破裂时的事故面积。监控仪主机上的LED灯可以显示阀位状态，自动关阀状态以及和上位机通信指示。LED显示屏与监控仪主机相连，用来显示相关数据，这些数据包括阀位，压力压降数据，报警门限和事件状态等。需要时计算机可以通过气液联动阀监控 软件和监控仪主机通信，连接正常后，计算机可以读相关数据也可以对监控仪进行配置。监 控仪采用蓄电池供电，并控制太阳能电池对蓄电池充电，保证蓄电池可以持续稳定的提供 电源。监控仪电路原理是这样的如图2所示，监控仪内的信号采集电路将4 20mA的 模拟压力信号转换为数字信号输入给信号处理与存储电路，信号处理与存储电路将数据经 过处理判断后经数字量输出电路输出数字量，并根据需要与通信电路通信，同时电源及充 电控制电路将太阳能电压和电池电压输入到信号处理与存储电路，经判断后决定是否充电 或休眠。所述的信号采集电路，包括模拟输入和数字输入电路，如图3。模拟输入电路是指 如下电路构成的，4 20mA的标准信号输入到模拟输入1或者模拟输入2，经过电流-电压 变换电路变换为0. 2 IV的电压，再由24位A/D转换成数据输入到MCU，选择哪一路模拟 通道由MCU发出通道选择信号，控制24位A/D转换完成。所述的信号采集电路，还包括数字输入，如图3。数字输入分无源数字输入和有源 数字输入，其中无源数字输入需电路供电，信号经过过压保护电路输出到LED指示，同时经 过滤波电路输入到MCU。有源数字输入信号直接经过过压保护电路输出到LED指示，同时经 过滤波电路输入到MCU。所述的电源及充电控制电路，由充电控制电路，降压电路和升压电路三部分组成， 如图4，充电控制电路由下述电路构成，过压保护，滤波，电子开关，反充电电路，1 17分 压电路组成，工作原理如下太阳能电压经过过压保护和滤波后经1 17分压电路输入到 MCU,蓄电池电压也输入到MCU，MCU判断两者电压是否满足一定条件，如果满足则控制电子 开关打开，太阳能对蓄电池充电，否则控制电子开关关闭，停止充电，其中反充电电路防止 反向充电。电源及充电控制电路的降压电路由下述电路构成，电子开关，DC降压和滤波电路 构成。工作原理如下12v蓄电池通过电子开关输出到DC降压，再经滤波电路滤波后输出 3. 5V，MCU控制电子开关的通与断，决定是否降压转换输出3. 5V。 电源及充电控制电路的升压电路由下述电路构成，电子开关，DC升压和滤波电路 构成。工作原理如下12v蓄电池通过电子开关输出到DC升压电路，再经滤波电路滤波后 输出24V，MCU55控制电子开关的通与断，决定是否升压转换。参见图5，所述的数字量输出电路由下述电路构成光耦，电压选择电路以及MCU 数字输出来实现。工作原理如下MCU31控制是否输出数字量，电压选择电路选择输出电 压，MCU31根据程序判断决定是否输出数字量，如果输出，则由电压选择电路选择一路电压 经光耦输出。所述的信号处理与存储电路是本实用新型的核心器件，将信号采集电路采集的压 力信号经过计算后存储，并可以根据这些数据做出判断决定是否输出数字量，也可以将数 据通过通信电路传送到LCD显示屏或上位机显示。同时信号处理与存储电路对电源及充电 控制电路输入的电压数据作出判断，当满足条件时充电，不满足时停止充电。参见图6，所述的信号处理与存储电路由下述电路构成，MSP430F149，地址译码和29VF040 4M存储模块。MSP430F149通过地址译码电路将不同数据读和写到存储模块的不 同存储区，MSP430F149由两个晶振32. 768k和4M构成的晶振电路提供时钟源。参见图7，通信电路由以下电路构成MAX232和过压保护电路。上位机与MCU通 信采用RS232通信，其信号传递为上位机的信号通过过压保护电路，经MAX232模块传输到 MCU, MCU响应后再由原路径将处理后的信号传送给上位机。如图8所示，这是本实用新型的软件流程图。根据硬件方案的需要与软件结合，才 能实现自动式管道监控和管道破裂保护。软件程序包括信号处理和上电监测，上电监测的步骤是上电或冷复位后，首先初 始化时钟、端口、中断、电压监测ADC和实时时钟，第二步进行电压检测，如果< 10. 8V，进入 休眠，并定时检测电压是否恢复到12V同时维持时钟；如果> 10. 8V或者由低于10. 8V恢复 到12V时，则进入上电过程，首先初始化硬件，加载系统配置并初始化变量然后进入主循环 即信号处理过程。信号处理步骤是第一步每5秒采集一次压力，根据平均采样周期计算 平均压力、压降和平均压降，第二步根据平均压力和平均压降数据及设定的门限值作出报 警和事件记录(log记录)，其中事件记录子程序包括大小事件记录程序和自动关阀控制程 序。主循环中同时会每隔0. 25s检测电压和处理按键、液晶显示，检测电压过程如下如果 电压低于10. 8V时进入休眠，高于或等于10. 8V时继续工作，这样可以保护单片机并防止电 池过放；处理按键和液晶显示如下首先判断有无按键输入，有则液晶显示，接着检测有无 串口命令，有则进行处理。信号处理程序按照以上过程循环执行。本解决监控仪的软件，是为实时监控压力变化而设计的。其工作流程是每5秒采 集压力信号，为保证采样精度每次采样12次进行平均，作为平均压力值。同时自动计算某 一时间段的当前压降和平均压降。根据平均压力值和平均压降值是否超出用户设定的范围 将会产生压力报警记录、压降报警记录或开启自动关阀动作。每0.25秒采集蓄电池电压、 太阳能电压判断电源是否正常、是否需要对蓄电池充电。本实用新型所述的气液联动阀靠管道自身压力作为阀门的动力源。当管道中无压 力时可利用手动油泵或蓄能罐中的气体压力作为阀门动作的动力源。管道气液联动阀监控 仪监控管道内部压力。当管道中的压力过高、过低或压力下降速率达到系统的设定值时，监 控仪输出关阀电压信号到控制阀门关闭的电磁阀上，关闭电磁阀打开放气，使得二个蓄能 罐中的气体压力失去平衡。流动的气体驱动传动装置使得阀门关闭。本监控仪可以根据用户要求进行配置，通过计算机和气液联动阀监控软件实现与 监控仪通信，用户可以设定适合管道的相关参数。本监控仪具有LED显示和液晶显示功能，可以通过LED灯读取阀门开闭状态，工作 状态以及充电状态。也可以通过LCD显示屏读取阀门状态，蓄电池电压，太阳能电压，压力 数据，压降数据，报警状态和事件记录状态等。综上所述，本实用新型的特点是使用两路模拟输入冗余，信号采集采用24位A/D 转换器保证采集数据的精确性；两种数字输入类型和两种数字输出扩展应用范围；MCU可 以根据采集的数据自动计算并作出判断，决定报警，事件记录或者数字输出关阀；监控仪自 动控制充电，保证了设备长期稳定运行。
权利要求管道气液联动阀监控仪，包括压力传感器、气液联动阀、LCD显示屏、铅酸蓄电池和太阳能蓄电池，还包括监控仪主机，其连接关系为安装在管道上的压力传感器和气液联动阀通过电缆与监控仪主机连接，LCD显示屏通过显示电缆连接监控仪主机，太阳能电池安装在阳光照射的地方，铅酸蓄电池和太阳能电池连接在监控仪主机上，监控仪主机、铅酸蓄电池、LCD显示屏放置在隔爆箱内，隔爆箱安装在监控现场，其特征在于监控仪主机包括信号采集电路、数字量输出电路、电源及充电控制电路、通信电路和信号处理与存储电路，其连接关系为信号处理与存储电路分别与信号采集电路、数字量输出电路、电源及充电控制电路和通信电路电连接。
2.如权利要求1所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于电源与充电控制电路包 括12V转3. 5V DC-DC变换电路、12V转24V DC-DC变换电路及微处理器MCU，微处理器MCU 分别与12V转3. 5V DC-DC变换电路、12V转24V DC-DC变换电路连接。
3.如权利要求1所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于信号处理与存储电路包 括主芯片微处理器MCU TI430149，数据处理后存入4MBIT存储芯片中。
4.如权利要求1所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于信号采集电路使用两路 模拟输 入冗余。
5.如权利要求1所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于数字量输出电路由光耦、 电压选择电路以及MCU数字输出电路构成。
6.如权利要求1所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于IXD显示屏包括一个20 列X4行字符显示模块及2个控制显示键盘。
7.如权利要求1所述的管道气液联动阀监控仪，其特征在于通信电路采用RS-232电 路MODBUS通信。
专利摘要管道气液联动阀监控仪安装在管道上的压力传感器和气液联动阀通过电缆与监控仪主机连接，LCD显示屏通过显示电缆连接监控仪主机，铅酸蓄电池和太阳能电池连接在监控仪主机上，监控仪主机、铅酸蓄电池、LCD显示屏放置在隔爆箱内；所述的监控仪主机包括信号采集电路、数字量输出电路、电源及充电控制电路、通信电路和信号处理与存储电路，信号处理与存储电路分别与信号采集电路、数字量输出、电源及充电控制电路和通信电路电连接；所述的信号采集电路使用两路模拟输入冗余。具有设计新颖，工作可靠，环保节能等特点，本监控仪不仅可以监视记录压力，还可以自动计算压降，并根据记录的数据和用户的配置作出报警，操作记录、事件记录和自动关阀保护。
文档编号F17D5/06GK201589066SQ20092022916
公开日2010年9月22日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者尚源, 彭峰, 潘登, 董明 申请人:湖北海文电子科技有限公司