一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统的制作方法

1.本实用新型属于航天地面加注系统设备监测技术领域，具体涉及一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统。


背景技术：

2.随着物联网技术的发展，设备剩余壁厚状态的监测已经应用到诸多场合，如石油、化工、发电厂、造纸、制药等等诸多方面。但针对航天发射场地面设备服役状况的剩余壁厚监测不多，尤其在物联网技术的基础上，根据设备操作工况，针对性的布设无线壁厚监测系统，具有实时性、有效性、便捷性的优点。
3.目前的发射场地面设备的在线监测，主要还是由设备设计单位提供的压力、温度、流量、液位等在线仪表进行间接监测。设备操作参数稳定时，设备的安全状态就有可靠保障；但航天发射场地面设备由于收多批次发射任务的影响，尤其近些年，要求多点保障、任务发射的频率提高后，其操作工况具有间歇性、急迫性等特点，在频繁充放气或加注、泄压等环节可能造成设备出现损伤，常规间接监测方式无法及时准确反馈设备的安全状态，可能给发射任务或者地面人员设备安全带来隐患。
4.其它行业所用剩余壁厚监测系统，多采用有线数据传输。对于新建设备，施工难度尚可接受，但对于已服役状态的设备，甚至很多易燃易爆场合的环境下，施工难度较大。
5.目前常规推进剂加注系统具有差压式液位监测仪表、压力表、温度表等，并未发现剩余壁厚监测仪表，无法准确反设备所关注的部位剩余壁厚变化。如气液两相交接面附近、t型焊缝附近等位置。对于早期缺陷或者服役期间产生的缺陷，无法进行及时报警与反馈，为设备的安全运行留下了隐患。
6.常规检验检查无法及时发现设备状态，航天发射场地面常规加注系统设备一般装载是易燃易爆、有毒及强腐蚀性介质，其安全性能对保障任务具有十分重要的作用。随着任务次数不断增加，设备性能不断下降。近些年来发射场地面加注系统开展的检验检测中发现了越来越多影响设备安全的问题。航天发射场地面加注系统设备由于均匀腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等多种失效模式的影响，在加注、打回流等各个服役环节中，偶尔的介质组分异常、物料含水率超标、超装等工况，将对设备产生不可逆的损伤，目前定期检验检测，以及日常巡检无法及时掌握设备健康状态，尤其系统的内部腐蚀问题。
7.新增检测设备难度大，在已经服役的航天发射场地面常规加注系统设备的监测系统上，再次增加有线监测设备，施工难度大，可能影响任务使用，尤其具有易燃易爆介质环境下，安装施工风险较高。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统解决了现有系统无法准确反映设备所关注的部位剩余壁厚变化的问题。
9.为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：一种航天发射场地面设
备剩余壁厚监测系统，包括数据采集模块、主控模块、电源模块和通讯模块，所述主控模块分别与所述数据采集模块、电源模块和通讯模块连接，所述电源模块还分别与所述数据采集模块和通讯模块连接；
10.其中，所述数据采集模块设置有相互连接的传感器子模块和测厚子模块，其中，所述传感器子模块和测厚子模块均与所述主控模块连接。
11.进一步地：所述主控模块设置有单片机芯片u3，所述单片机芯片u3的型号具体为stc8a8k64s4a12。
12.进一步地：所述传感器子模块包括若干超声波传感器，每个所述超声波传感器的型号均为5pφ10，每个所述超声波传感器均通过传感器继电器与所述测厚子模块连接，所述传感器继电器还通过达林顿晶体管阵列与所述单片机芯片u3连接；
13.其中，所述达林顿晶体管阵列的型号具体为uln2803。
14.上述进一步方案的有益效果为：利用超声波传感器发出超声波脉冲与接收到超声波脉冲之间的时间差，能够计算被测容器或管道当前的剩余壁厚。
15.进一步地：所述测厚子模块设置有测厚芯片u2，所述测厚芯片u2的型号具体为gm100；
16.其中，所述测厚芯片u2的data引脚通过电感l1与所述单片机芯片u3的p0.7引脚连接，所述测厚芯片u2的cal引脚通过电阻r6与所述单片机芯片u3的p2.0引脚连接，所述测厚芯片u2的电源开关引脚与依次通过电阻r9、电感l3与所述单片机芯片u3的p3.7引脚连接，所述测厚芯片u2的串口信号引脚通过电感l4与所述单片机芯片u3的p3.3引脚连接。
17.进一步地：所述通讯模块包括4g通信芯片u41和lora芯片u42，所述4g通信芯片u41的型号具体为air720h，所述lora芯片u42的型号具体为t400a21d1a；
18.其中，所述4g通信芯片u41的pen引脚与npn型三极管t1的集电极连接，所述npn型三极管t1的发射极接地，所述npn型三极管的基极通过电阻r3与所述单片机芯片u3的p0.5引脚连接，所述4g通信芯片u41的rxd引脚分别与所述单片机芯片u3的p0.3引脚和lora芯片u42的rxd引脚连接，所述4g通讯芯片u41的txd引脚分别与所述单片机芯片u3的p0.2引脚和lora芯片u42的txd引脚连接。
19.上述进一步方案的有益效果为：4g通信芯片u41是一款带分集接收功能的4g多模无线通信芯片，支持gsm/wcdma/fdd/tdd，能够满足绝大部分的m2m的需求。
20.进一步地：所述电源模块包括相互连接的电源输入子模块和电源稳压子模块；
21.其中，所述电源输入子模块包括电源u5、电源负载开关u6、开关k1、二极管v1、二极管v3、保险丝f1、接地电阻r7、电阻r8、接地电阻r11、电阻r12和电容c5，所述电源负载开关u6的型号具体为fdc6330l；
22.所述电源u5的输出端与所述二极管v3的正极连接，所述二极管v3的负极与所述保险丝f1的一端连接，所述保险丝f1的另一端分别与所述电阻r12的一端和电源负载开关u6的4号引脚连接，所述电源负载开关u6的6号引脚分别与所述电阻r12的另一端和电容c5的一端连接，所述电源负载开关u6的1号引脚与所述接地电阻r11连接，所述电源负载开关u6的3号引脚分别与所述电容c5的另一端和电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端分别与所述接地电阻r7、二极管v1的负极和单片机芯片u1的3号引脚连接。
23.进一步地：所述电源稳压子模块设置有开关式稳压器u7，所述开关式稳压器u7的
型号具体为lm2596s；
24.其中，所述开关式稳压器u7的1号引脚与所述电源负载开关u6的3号引脚连接，所述开关式稳压器u7的2号引脚通过电感l与所述测厚芯片u2的vcc引脚、4g通信芯片u41的vcc引脚和lora芯片u42的vcc引脚连接。
25.上述进一步方案的有益效果为：开关式稳压器u7具有很好的线性和负载调节特性，其固定输出版本有3.3v、5v、12v，可调版本可以输出小于37v的各种电压。
26.本实用新型的有益效果为：
27.(1)本实用新型提供的一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统，利用超声测距原理获得被测容器或管道当前的剩余壁厚，监测被测容器或管道在使用过程中被腐蚀壁厚减薄情况，检测精度高，能够实现航天地面压力容器安全状况监测的便捷性、实时性和有效性的多个目标。
28.(2)本实用新型根据通讯模块可以实现实时在线监测，通过在线监测可实现被测容器基于多种腐蚀失效模式下的实时安全评估，保证地面承压设备系统运行过程的安全可靠。
附图说明
29.图1为一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统结构框图。
30.图2为本实用新型的单片机芯片引脚图。
31.图3为本实用新型的超声波传感器的电路原理图。
32.图4为本实用新型的测厚子模块的引脚图。
33.图5为本实用新型的通讯模块的原理图。
34.图6为本实用新型的电源输入子模块的原理图。
35.图7为本实用新型的开关式稳压器的引脚图。
36.图8为一种航天发射场地面设备在线应变监测系统的防爆箱尺寸图一。
37.图9为一种航天发射场地面设备在线应变监测系统的防爆箱尺寸图二
具体实施方式
38.下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
39.如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统，包括数据采集模块、主控模块、电源模块和通讯模块，所述主控模块分别与所述数据采集模块、电源模块和通讯模块连接，所述电源模块还分别与所述数据采集模块和通讯模块连接；
40.其中，所述数据采集模块设置有相互连接的传感器子模块和测厚子模块，其中，所述传感器子模块和测厚子模块均与所述主控模块连接。
41.数据采集模块用于采集被测容器或管道当前的剩余壁厚数据，所述主控模块用于将采集的剩余壁厚数据进行处理，通讯模块用于将处理后的剩余壁厚数据发送至终端，电
源模块用于为系统的各个模块提供工作所需电源。
42.如图2所示，所述主控模块设置有单片机芯片u3，所述单片机芯片u3的型号具体为stc8a8k64s4a12。
43.如图3所示，所述传感器子模块包括若干超声波传感器，每个所述超声波传感器的型号均为5pφ10，每个所述超声波传感器均通过传感器继电器与所述测厚子模块连接，所述传感器继电器还通过达林顿晶体管阵列与所述单片机芯片u3连接；
44.其中，所述达林顿晶体管阵列的型号具体为uln2803。
45.在本实施例中，超声波传感器利用超声测距原理，即超声波沿被测容器或管道壁厚方向传播遇到材料分界面被反射回探头，通过发出超声波脉冲与接收到超声波脉冲之间的时间差计算被测容器或管道当前的剩余壁厚，实现监测被测容器或管道在使用过程中被腐蚀壁厚减薄情况。
46.如图4所示，所述测厚子模块设置有测厚芯片u2，所述测厚芯片u2的型号具体为gm100；
47.其中，所述测厚芯片u2的data引脚通过电感l1与所述单片机芯片u3的p0.7引脚连接，所述测厚芯片u2的cal引脚通过电阻r6与所述单片机芯片u3的p2.0引脚连接，所述测厚芯片u2的电源开关引脚与依次通过电阻r9、电感l3与所述单片机芯片u3的p3.7引脚连接，所述测厚芯片u2的串口信号引脚通过电感l4与所述单片机芯片u3的p3.3引脚连接。
48.如图5所示，所述通讯模块包括4g通信芯片u41和lora芯片u42，所述4g通信芯片u41的型号具体为air720h，所述lora芯片u42的型号具体为t400a21d1a；
49.其中，所述4g通信芯片u41的pen引脚与npn型三极管t1的集电极连接，所述npn型三极管t1的发射极接地，所述npn型三极管的基极通过电阻r3与所述单片机芯片u3的p0.5引脚连接，所述4g通信芯片u41的rxd引脚分别与所述单片机芯片u3的p0.3引脚和lora芯片u42的rxd引脚连接，所述4g通讯芯片u41的txd引脚分别与所述单片机芯片u3的p0.2引脚和lora芯片u42的txd引脚连接。
50.在本实施例中，通讯模块采用的4g通信芯片u41是一款带分集接收功能的4g多模无线通信芯片，支持gsm/wcdma/fdd/tdd，能够满足绝大部分的m2m的需求。
51.如图6所示，所述电源模块包括相互连接的电源输入子模块和电源稳压子模块；
52.其中，所述电源输入子模块包括电源u5、电源负载开关u6、开关k1、二极管v1、二极管v3、保险丝f1、接地电阻r7、电阻r8、接地电阻r11、电阻r12和电容c5，所述电源负载开关u6的型号具体为fdc6330l；
53.所述电源u5的输出端与所述二极管v3的正极连接，所述二极管v3的负极与所述保险丝f1的一端连接，所述保险丝f1的另一端分别与所述电阻r12的一端和电源负载开关u6的4号引脚连接，所述电源负载开关u6的6号引脚分别与所述电阻r12的另一端和电容c5的一端连接，所述电源负载开关u6的1号引脚与所述接地电阻r11连接，所述电源负载开关u6的3号引脚分别与所述电容c5的另一端和电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端分别与所述接地电阻r7、二极管v1的负极和单片机芯片u1的3号引脚连接。
54.如图7所示，所述电源稳压子模块设置有开关式稳压器u7，所述开关式稳压器u7的型号具体为lm2596s；
55.其中，所述开关式稳压器u7的1号引脚与所述电源负载开关u6的3号引脚连接，所
述开关式稳压器u7的2号引脚通过电感l与所述测厚芯片u2的vcc引脚、4g通信芯片u41的vcc引脚和lora芯片u42的vcc引脚连接。
56.开关式稳压器u7能够输出3a的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，其固定输出版本有3.3v、5v、12v，可调版本可以输出小于37v的各种电压。开关式稳压器u7内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150khz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。
57.如图8～图9所示，本实用新型的系统设置于防爆箱中，防爆箱内部的采用环氧板，其具备粘附力强和收缩性强的特性。
58.本实用新型系统的工作过程为：传感器子模块中的超声波传感器设置于被测容器或管道关注的部位，利用超声测距原理得到被测容器或管道当前的剩余壁厚数据，测厚芯片u2将所有传感器采集的剩余壁厚数据发送至单片机芯片u3，单片机芯片u3将剩余壁厚数据通过4g通信芯片u41或lora芯片u42发送至终端系统，终端系统实时监测被测容器或管道在使用过程中被腐蚀壁厚减薄情况，并进行多种腐蚀失效模式下的实时安全评估，完成航天发射场地面设备剩余壁厚监测。
59.本实用新型的有益效果为：本实用新型提供的一种航天发射场地面设备剩余壁厚监测系统，利用超声测距原理获得被测容器或管道当前的剩余壁厚，监测被测容器或管道在使用过程中被腐蚀壁厚减薄情况，检测精度高，能够实现航天地面压力容器安全状况监测的便捷性、实时性和有效性的多个目标。
60.本实用新型根据通讯模块可以实现实时在线监测，通过在线监测可实现被测容器基于多种腐蚀失效模式下的实时安全评估，保证地面承压设备系统运行过程的安全可靠。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。