专利名称：基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于天然气管线泄漏监测技术领域，尤其涉及一种基于内听音的天然
气管线泄漏监测与定位装置。
技术背景 天然气管线一旦泄漏会造成巨大的经济损失及人身伤害，及时地发现泄漏并确定 泄漏点的位置成为发生泄漏后的首要问题。随着管道的建设，泄漏检测技术也得到了不断 的发展，目前国内外已提出了多种液体泄漏检测与定位方法，然而对天然气管线泄漏的检 测与定位研究得较少。 目前，现有的天然气管线泄漏检测装置通常是当地下天然气输气管线发生腐蚀性 穿孔、断裂时，检测产生气体的微量泄漏。当检漏仪将含有可燃气体的空气通过气泵送到传 感器时，检测元件的阻值会随气体浓度迅速变化，同时输出电压信号，输出的电压信号经放 大电路放大、单片机处理后送到显示部分，并产生随浓度变化的报警信号。但是，此类天然 气管线泄漏检测装置不能够精确定位，检测距离较短，检测器械复杂，难以实现监测控制的
自动化
实用新型内容
针对现有的天然气管线泄漏检测装置不能够精确定位、检测距离较短、检测器械 复杂难以实现监测控制的自动化的问题，本实用新型提供一种可及时发现泄漏并精确确定 泄漏点的位置、检测距离较长、结构简单的基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置。 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，一种基于内听音的天然气管 线泄漏监测与定位装置，包括前置放大器、A/D转换器、微处理器、USB传输接口 、上位机、电 源以及至少两个声波传感器，声波传感器与前置放大器的输入端相连接，前置放大器的输 出端经电平抬高电路与A/D转换器的输入端相连接，A/D转换器的输出端与微处理器的输 入端相连接，微处理器的输出端与USB传输接口的输入端相连接，USB传输接口的输出端与 上位机相连接；电源分别与前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB传输接口相连接，用于 为前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB传输接口提供工作电压。 为了保证系统能够更可靠的工作，本实用新型还包括复位电路，复位电路的输出
端与单片机的复位端口相连接；所述的复位电路能够保证系统在上电时能够可靠的复位。 所述的声波传感器采用的型号为CZN-1E，所述的前置放大器采用的型号为 AD620，所述的A/D转换器采用的型号为TLV2553，所述的USB传输接口的串口转USB 口芯片 采用的型号为PL2303，所述的微处理器采用的是单片机，其型号为STC89C52 ;第一声波传 感器与前置放大器U1的输入端相连接，前置放大器U1的输出端经第三电阻R3分别与A/D 转换器U3的输入端口 AO及第四电阻R4、第五电阻R5的一端相连接，第四电阻R4的另一端 与电源相连接，第五电阻R5的另一端与地相连接；第二声波传感器与前置放大器U2的输入 端相连接，前置放大器U2的输出端经第六电阻R6分别与A/D转换器U3的输入端口 Al及第七电阻R7、第八电阻R8的一端相连接，第七电阻R7的另一端与电源相连接，第八电阻R8 的另一端与地相连接；A/D转换器U3的电源输入端口 REF-与地相连接，A/D转换器U3的 电源输入端口 REF+与电压基准源相连接，A/D转换器U3的输出端口 CLK、 DIN、 D0UT和/CS 分别与单片机U5的数据传输端口 P2. 5、 P2. 4、 P2. 3和P2. 2相连接；复位电路的输出端与 单片机U5的复位端口 RESET相连接，单片机U5的读、写端口 TXD、RXD分别与串口转USB 口 芯片U4的读、写端口 TXD、 RXD相连接，串口转USB 口芯片U4的输出端口经USB接口 Jl与 上位机相连接。 本实用新型的有益效果 本实用新型的天然气管线泄漏监测与定位装置可以在监测被测管线是否发生泄 漏的同时，进行泄漏点的精确定位；在及时发现泄漏后，关闭相应的供气阀门，从而减少事 故的发生。并且，本实用新型的天然气管线泄漏监测与定位装置结构简单，检测距离较长； 检测时不需人工干预，检测人员只需根据计算机的提示判断管线的运行情况及泄漏点的位 置即可。 除此之外，本实用新型的天然气管线泄漏监测与定位装置还具有以下特点 1)采用高灵敏度的专用声波传感器，可采集远距离微弱的泄漏信号并且检测范围 广； 2)可任意配置多组信号采集电路，可同时检测不同区段内的管线； 3)可预先设置检测时刻，实现定时自动检测，进而实现长期无人值守最佳时刻自
动检测； 4)采用USB传输接口，可现场或离线进行采集设置、数据读取等操作； 5)可变增益设置，根据泄漏信号的强弱，可精确捕获各种泄漏点。
图1是本实用新型的电路原理框图； 图2是本实用新型的电路原理图； 图3是本实用新型进行泄漏点定位的示意图； 图2中，l-电平抬高电路，2-复位电路。
具体实施方式
如图1所示，一种基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置，包括前置放大 器、A/D转换器、微处理器、USB传输接口、上位机、电源以及两个声波传感器，声波传感器与 前置放大器的输入端相连接，前置放大器的输出端经电平抬高电路1与A/D转换器的输入 端相连接，A/D转换器的输出端与微处理器的输入端相连接，微处理器的输出端与USB传输 接口的输入端相连接，USB传输接口的输出端与上位机相连接；电源分别与前置放大器、A/ D转换器、微处理器和USB传输接口相连接，用于为前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB 传输接口提供工作电压。 如图2所示，声波传感器采用的型号为CZN-1E，前置放大器采用的型号为AD620， A/D转换器采用的型号为TLV2553， USB传输接口的串口转USB 口芯片采用的型号为 PL2303，微处理器采用的是单片机，其型号为STC89C52。第一声波传感器与前置放大器Ul的输入端相连接，前置放大器U1的输出端经第三电阻R3分别与A/D转换器U3的输入端口 A0及第四电阻R4、第五电阻R5的一端相连接，第四电阻R4的另一端与电源相连接，第五电 阻R5的另一端与地相连接；第二声波传感器与前置放大器U2的输入端相连接，前置放大器 U2的输出端经第六电阻R6分别与A/D转换器U3的输入端口 Al及第七电阻R7、第八电阻 R8的一端相连接，第七电阻R7的另一端与电源相连接，第八电阻R8的另一端与地相连接； A/D转换器U3的电源输入端口 REF-与地相连接，A/D转换器U3的电源输入端口 REF+与电 压基准源相连接，A/D转换器U3的输出端口 CLK、DIN、DOUT和/CS分别与单片机U5的数据 传输端口 P2. 5、 P2. 4、 P2. 3和P2. 2相连接；阻容复位电路2的输出端与单片机U5的复位 端口 RESET相连接，单片机U5的读、写端口 TXD、 RXD分别与串口转USB 口芯片U4的读、写 端口 TXD、 RXD相连接，串口转USB 口芯片U4的输出端口经USB接口 Jl与上位机相连接。 1)信号采集电路 前置放大器将声波传感器采集到的声波信号进行放大。由于本实用新型采用了仪 表用前置放大器，并且采用了双电源结构，即电源和电压基准源，使本实用新型检测的声波 信号的动态范围大大增加。但是，随之而来的问题是采集到的声波信号的电平与A/D转换 范围不匹配，必须进行电平抬高才能进行A/D转换；所以，通过电平抬高电路将经前置放大 器放大后的声波信号进行电平转换。电平抬高电路对A/D转换器的输入端口可起到缓冲作 用，其对接入的前置放大器有摆率要求，原则上摆率要求大于A/D转换器的量程除以采样 间隔。本实用新型选用的前置放大器的摆率最小值为O. 3V/us，输入电平波动在3. 3V以内。 2)A/D转换器 本实用新型采用的A/D转换器TLV2553是TI公司推出的高分辨率、宽动态范围、 自校准、低电压、低功耗、ll通道全差分输入的12位模/数转换器，具有优良的抗噪声性能。 TLV2553具有4线制串行接口 ，分别为片选端/CS、串行时钟输入端I/O CLOCK、串行数据输 入端DATAIN和串行数据输出端DATA OUT。可直接与SPI器件进行连接，不需要其他外部 逻辑。同时，它还可在高达4MHz的串行速率下与主机进行通信，可实现多种通讯模式且与 DSP兼容。实际最高采样率200K，能够满足实时采集信号的要求。 3)单片机 本实用新型采用的单片机STC89C52是台湾STC公司生产的低功耗，高性能CM0S 8 位单片机，片内含8K Bytes的可系统编程的FLASH只读程序存储器，兼容标准8051指令系 统及引脚。低价位的STC89C52单片机可用于许多高性价比的应用系统中，可灵活控制不同 参数，应用于各种控制领域。 4) USB通信 本实用新型采用的串口转USB 口芯片PL2303用于实现USB与标准RS-232串行端 口之间的转换，数据缓冲器用于USB的批量数据传输。自动握手模式可用于串行通讯，因而 可以达到远大于标准UART控制器的波特率。PL2303支持USB电源管理和远程唤醒协议。 当主机挂起时消耗极小的电能，所有功能集成在S0IC-28封装内。该芯片亦可以安装在电 缆线中，用户只要简单地把它连在电脑主机或USB HUB上，就可以实现与RS-232器件的通 信。 在单片机上通过TXD/RXD端口建立串行通讯连接模块，与PL2303进行通信。 PL2303与单片机之间的通信接口是整个系统的基础，只有二者之间能够进行可靠、快速的数据交换，USB主机的各项功能和行为才能够正常实现。 STC89C52到PL2303方向的数据传输在STC89C52的端口电压特性中，端口输出 低电平小于O. 45V，端口输出高电平的范围为2. 4V至5. 5V之间；而在PL2303的端口电压 特性中，端口输入低电平的范围为-0. 3V至0. 45V，端口输入高电平的范围为2. 0V至6. 0V 之间。所以，从STC89C52输出的数据的电平完全可以被PL2303正确地接收。 PL2303到STC89C52方向的数据传输在PL2303的端口电压特性中，端口输出低 电平的范围为-0. 3V至1. OV，端口输出高电平的范围为2. 4V至5. 3V之间；而在STC89C52 的端口的电压特性中，端口输入低电平的范围为-O. 3V至0. 45V，端口输入高电平的范围为 2. 4V至5. 7V之间。所以，从PL2303输出的数据的电平完全可以被STC89C52正确地接收。 5)电压基准源 为了给A/D转换器TLV2553工作提供合适的电压基准源，本实用新型采用芯片 LM4040A-33，为A/D转换器提供稳定的3. 3V电压基准。 6)复位电路 为了保证系统能够更可靠的工作，本实用新型采用复位电路，所述的复位电路能 够保证系统在上电时能够可靠的复位。 使用时，将本实用新型的声波传感器设置在天然气管线内部。声波传感器采集的 声波信号经处理后上传至上位机，上位机对该数据进行分析，根据采集到的声波信号的能 量大小以及频率高低，判断是否发生泄漏，或者是管道发生切割/敲击/钻孔破坏。当某段 管线发生破裂泄漏时，该段管线内的流体瞬间自洞孔喷出，管线内、外压力差将会产生特定 频率的声波信号，该声波信号会沿上、下游管线传送。利用该声波信号到达该段管线内的两 个声波传感器的时间差，可计算出泄漏点的位置。从能量角度看，泄漏点的声波信号向外界 散失能量的比例极小，因而可以利用管线内听音的方法达到管线监测与定位的最佳效果。
所述的计算泄漏点的位置的过程如下 如图3所示，设泄漏点产生的声波信号传到首端声波传感器、末端声波传感器所 需的时间分别为t2， t2的计算公式为
a-F
a)
(2;
a + F 当管线出现泄漏时，根据两个声波传感器检测到声波信号的时间差，即可估算出 泄漏点的位置，如下式<formula>formula see original document page 6</formula> 式中L-首、末端声波传感器的距离，单位m ; X-泄漏点到首端声波传感器的距离，单位m ; a-管线中声波信号的传播速度，单位m/s ; V-管线运行时管线内天然气的流速，单位m/s
(4)[0049] T-声波信号到达首、末端声波传感器的时间差，单位S。 由于管线运行时管线内天然气的流速V会对声波信号传到首、末端声波传感器 的时间有所影响。当不考虑V时，假设首端声波传感器处发生泄漏，则有= 0， t2 = L/ (a+V);再假设末端声波传感器处发生泄漏，则有t2 = 0， ^ = L/(a-V)。两个时间差的绝 对值为 <formula>formula see original document page 7</formula> (5) 因为#>100，由此引起的定位误差在首、末端声波传感器距离1^勺1%。以下；因此，
已经达到相当高的精度，所以，计算时可忽略V对a的影响，令V二O。则式(4)可简化为 <formula>formula see original document page 7</formula> (6) 式(6)为化简后的泄漏点的定位计算公式，首、末端声波传感器的距离L在声波传 感器安装过程中已经确定，管线中声波信号的传播速度a为经验值。 声波传感器将拾取到的声波信号传输给上位机。上位机将采集的声波信号以波形
的形式进行实时显示，并根据管线两端的压力以及声波信号，对管线中出现的泄漏及时进
行报警，并估算出泄漏点的位置，同时实现对管线压力数据的存储和历史分析。 本实用新型的管线泄漏监测与定位装置可以达到如下技术指标 检测定位分辨率lcm， 定位精度>99%， 报警误报率《5%， 报警响应时间《ls。
权利要求一种基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置，其特征在于包括声波传感器、前置放大器、A/D转换器、微处理器、USB传输接口、上位机和电源，声波传感器与前置放大器的输入端相连接，前置放大器的输出端经电平抬高电路与A/D转换器的输入端相连接，A/D转换器的输出端与微处理器的输入端相连接，微处理器的输出端与USB传输接口的输入端相连接，USB传输接口的输出端与上位机相连接；电源分别与前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB传输接口相连接，用于为前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB传输接口提供工作电压。
2. 根据权利要求1所述的一种基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置，其特征在于还包括复位电路，复位电路的输出端与单片机的复位端口相连接。
3. 根据权利要求1所述的一种基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置，其特征在于所述的声波传感器采用的型号为CZN-1E，所述的前置放大器采用的型号为AD620，所述的A/D转换器采用的型号为TLV2553，所述的USB传输接口的串口转USB 口芯片采用的型号为PL2303，所述的微处理器采用的是单片机，其型号为STC89C52 ;第一声波传感器与前置放大器U1的输入端相连接，前置放大器U1的输出端经第三电阻R3分别与A/D转换器U3的输入端口 AO及第四电阻R4、第五电阻R5的一端相连接，第四电阻R4的另一端与电源相连接，第五电阻R5的另一端与地相连接；第二声波传感器与前置放大器U2的输入端相连接，前置放大器U2的输出端经第六电阻R6分别与A/D转换器U3的输入端口 Al及第七电阻R7、第八电阻R8的一端相连接，第七电阻R7的另一端与电源相连接，第八电阻R8的另一端与地相连接；A/D转换器U3的电源输入端口 REF-与地相连接，A/D转换器U3的电源输入端口 REF+与电压基准源相连接，A/D转换器U3的输出端口 CLK、DIN、D0UT和/CS分别与单片机U5的数据传输端口 P2. 5、 P2. 4、 P2. 3和P2. 2相连接；复位电路的输出端与单片机U5的复位端口 RESET相连接，单片机U5的读、写端口 TXD、RXD分别与串口转USB 口芯片U4的读、写端口 TXD、RXD相连接，串口转USB 口芯片U4的输出端口经USB接口 Jl与上位机相连接。
专利摘要基于内听音的天然气管线泄漏监测与定位装置，属于天然气管线泄漏监测技术领域。本实用新型可及时发现泄漏并精确确定泄漏点的位置、检测距离较长、结构简单。本实用新型包括声波传感器、前置放大器、A/D转换器、微处理器、USB传输接口、上位机和电源，声波传感器与前置放大器的输入端相连接，前置放大器的输出端经电平抬高电路与A/D转换器的输入端相连接，A/D转换器的输出端与微处理器的输入端相连接，微处理器的输出端与USB传输接口的输入端相连接，USB传输接口的输出端与上位机相连接；电源分别与前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB传输接口相连接，用于为前置放大器、A/D转换器、微处理器和USB传输接口提供工作电压。
文档编号F17D5/06GK201526809SQ200920247730
公开日2010年7月14日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者李佳奇, 杨理践, 高松巍 申请人:沈阳工业大学