專利名稱：一種管道壓力實時監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力監(jiān)測裝置，具體是一種原油管道壓力實時監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
由于管道輸送具有成本低、節(jié)省能源、安全性高及供給穩(wěn)定等優(yōu)點，管道運(yùn)輸在世 界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代社會不可缺少的組成部分。然而，由于長時間的運(yùn)行磨 損、設(shè)備的自然老化、地理和氣候環(huán)境的變化以及人為損壞等原因，泄漏故障時有發(fā)生，給 人們的生命、財產(chǎn)和生存環(huán)境造成了巨大的潛在威脅，同時也造成嚴(yán)重的資源浪費。為了減 少損失，減輕管道事故的危害，需要在事故發(fā)生后立即檢測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的 位置。因此，及時準(zhǔn)確地定位管道泄漏點具有重要的現(xiàn)實意義。輸油管道大多鋪設(shè)在野外，不但地處偏僻之處，而且一般管道距離很長，僅僅依靠 管道安全管理人員的人工巡查，顯然既沒有效率又浪費時間，不能有效解決管道安全的防 護(hù)問題。到目前為止，盡管有一些公司推出了輸油管道泄漏定位監(jiān)測系統(tǒng)。但是，目前各種 管道泄漏檢測技術(shù)都沒能很好地解決泄漏檢測響應(yīng)速度、系統(tǒng)魯棒性和可靠性、泄漏檢測 靈敏度、定位精度和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系，其關(guān)鍵問題是沒能很好地解決泄漏檢測靈敏度 和減少泄漏誤報之間的矛盾。究其原因是泄漏檢測和定位技術(shù)缺乏自適應(yīng)性，而且泄漏檢 測系統(tǒng)的性能很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測裝置的精度和分辨能力，從而可靠性和魯 棒性差。壓力信號是描述管道工作情況，識別管道狀態(tài)的重要信息，所以采集準(zhǔn)確的壓力 信號就變得尤為重要，本專利就是在這樣的需求下提出的，使其在滿足壓力信號采集精度 的基礎(chǔ)上還需具備施工量小、成本低、安裝維護(hù)方便的優(yōu)點。經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明主題相同或類似的文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗、高精度的管道壓力實時監(jiān)測裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的管道壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理為 電壓信號，電壓信號經(jīng)多通路電子開關(guān)及采樣保持電路后，由16位A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬 信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，微處理器MSP430F149根據(jù)事先設(shè)置的時間間隔周期性地采集所 述數(shù)字信號，同時將日歷時間信息、流量信息和溫度信息完整的記錄存儲到EEPR0M中，然 后微處理器MSP430F149再利用UART模塊將EEPR0M中的數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 的信號傳輸單元實時地傳送置主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，或者在接收到特定的外部命令后將符 合查詢條件的歷史記錄進(jìn)行批量傳輸。本發(fā)明的特點體現(xiàn)在UMSP430F149為16位具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機(jī)，運(yùn)算性能和速 度指標(biāo)好，完全能滿足中小規(guī)模運(yùn)算量的實時速度要求。
2、采用16位A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高，抑制干擾能力強(qiáng)，靈敏度高的特點，轉(zhuǎn)換 速率比較慢，一般一秒只有幾十次，但已滿足本系統(tǒng)的需求。另外它具有誤差小，零點漂移 低的優(yōu)點。因此本方案可以達(dá)到設(shè)計要求的高精度測量的目標(biāo)。3、軟件方面，友好的操作界面，四個按鍵簡單、直觀、方便的操作系統(tǒng)。4、該系統(tǒng)量程精度0. 075%，量程比50 1 ；差壓測量范圍7. 5_6895kPa ；貯存 溫度范圍(-40 +85) V ；工作溫度(-45 +70) °C，完全能夠滿足全國各地區(qū)用戶的需 求。


圖1管道壓力實時監(jiān)測裝置原理圖；圖2管道壓力實時監(jiān)測裝置流程圖；圖3微處理器MSP430F149電路原理圖；圖4數(shù)據(jù)采集單元AD7705電路原理圖；圖5信號傳輸單元MAX232電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，本發(fā)明包括微處理器MSP430F149-U1、數(shù)據(jù)采集單元-U2、日歷時鐘單 元-U3、數(shù)據(jù)存儲單元-U4、輸入輸出單元-U5、信號傳輸單元-U6。利用高精度差壓式壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器進(jìn)行原油管道的壓力、流 量、溫度監(jiān)測，其中，原油管道的壓力為主要監(jiān)測對象。以具有精簡指令集、超低功耗的混 合型MSP430F149微處理器U1為核心，協(xié)調(diào)多傳感器信號選通，與日歷時鐘單元U3、數(shù)據(jù)存 儲單元U4、輸入輸出單元U5進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制數(shù)據(jù)采集單元U2的時序及讀寫狀態(tài)，并將 采集得到的數(shù)據(jù)通過信號傳輸單元U6傳送置主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，完成原油管道壓力、流 量、溫度的實時監(jiān)測、記錄等主要功能；數(shù)據(jù)采集單元U2 根據(jù)壓力傳感器采集原油管道壓 力，溫度傳感器采集溫度信號，流量傳感器采集管內(nèi)流量信息，利用高精度A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn) 行16位模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由微處理器U1查詢或中斷接受轉(zhuǎn)換結(jié)果；日歷時鐘單元 U3 時鐘實時與U1以SPI/I2C的通信方式進(jìn)行通信，并以設(shè)置的時間間隔周期性地喚醒U1 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，而當(dāng)前時鐘的時間信息也作為原油管道壓力記錄的數(shù)據(jù)項之一；數(shù) 據(jù)存儲單元U4 :EEPR0M與微處理器U1以SPI/I2C的通信方式進(jìn)行通信，當(dāng)U1判斷當(dāng)前原油 管道壓力需要記錄時，一條完整記錄包含時間信息、原油管道壓力信息及當(dāng)前時間的流量 和溫度信息統(tǒng)一存儲到EEPR0M中，并以隊列的方式完成數(shù)據(jù)的存儲；輸入輸出單元U5 包 括按鍵輸入和液晶顯示輸出，按鍵輸入為本系統(tǒng)提供系統(tǒng)復(fù)位，時間校對，傳感器零點調(diào)整 等功能，方便用戶查看，為用戶提供了友好的人機(jī)接口 ；信號傳輸單元U6 應(yīng)用UART模塊， 微處理器U1與主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過RS232進(jìn)行通信，U1實時地將當(dāng)前的原油管道壓 力信息傳輸出去，也可以在接收到特定的外部命令后，將符合查詢條件的歷史記錄進(jìn)行批 量傳輸，提高系統(tǒng)可靠性。結(jié)合圖2，本發(fā)明的工作流程為系統(tǒng)啟動時，首先按上次啟動設(shè)置將EEPR0M初始 化，然后程序開始運(yùn)行，進(jìn)入微處理器系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)初始化，包括對微處理器時鐘、串口、定時器進(jìn)行初始化，液晶顯示初始過程狀態(tài)；當(dāng)初始化工作完成后，進(jìn)入工作選擇模式，讀 取鍵盤數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)并將設(shè)置狀態(tài)返還微處理器；微處理器按設(shè)置的時間間隔發(fā)出指令 信號選擇壓力、溫度和流量數(shù)據(jù)通道，再控制A/D進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，完成壓差、 溫度、流量數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換并保存轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，判斷采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(壓差、溫度、流 量)單循環(huán)是否結(jié)束，若未采集完則繼續(xù)采集，若采集單循環(huán)完成則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時記 錄當(dāng)前時間作為附加信息，使其在單循環(huán)周期內(nèi)構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)包；RS232通訊設(shè)置 為一位起始位、一位停止位、8位數(shù)據(jù)位、奇校驗方式，波特率為9600bps，被保存的數(shù)據(jù)包 經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換傳輸?shù)街鳈C(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。結(jié)合圖3，MSP430F149微處理器U1的數(shù)字DVCC (1腳)和模擬AVCC (64腳)為電 源端，模擬DVSS (63腳)和模擬AVSS (62腳)為接地端，DY低壓差穩(wěn)壓器、DS7可調(diào)集成穩(wěn) 壓器與濾波電容(包括電容及電解電容)C4、C18、C19、C20、C27、C28、C29、C30、C31及電感 L1、L2 —起構(gòu)成穩(wěn)壓電路；XT2IN(52腳)、XT20UT(53腳)為外部振蕩器引腳，接晶振Y2，同 時并聯(lián)C16、C17電容接地；XIN_L(8腳)、TX0UT_L/TCLK(9腳)外接晶振Y1 ；CPU復(fù)位信號 輸入端RST (58腳)串聯(lián)上拉電阻R8與+3. 3V相連，同時串聯(lián)電阻R3及復(fù)位開關(guān)DS6與地 相連；TD0/TDI (54 腳)、TDI (55 腳)、TMS (56 腳)、TCK(57 腳)與 JTAG 的 1、3、5、7 腳相連； JTAG的2腳接+3. 3V、9腳接地、11腳接MSP430F149微處理器U1的RST (58腳)；P10 (12腳) 接U2-A/D轉(zhuǎn)換器的SCLK(1腳)串行時鐘輸入，提供時鐘信號；P12(14腳)、P11(13腳)分 別與A/D轉(zhuǎn)換器AD7705的DIN(14腳)串行數(shù)據(jù)輸入、D0UT (13腳)串行數(shù)據(jù)輸出端相連； UTXD0(32腳)和URXD0(33腳)與信號傳輸單元TO的T1IN(11腳)和R10UT(12腳)連接。結(jié)合圖4，數(shù)據(jù)采集單元U2中16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705是美國AD公司新近推出 的一種低功耗、高性能電荷平衡式A/D轉(zhuǎn)換器。其中，VDD(15腳)接電源電壓VCC;GND(16 腳)和REF IN(-)參考電壓負(fù)端接地；RESET (5腳)復(fù)位，該端口為低電平時，將控制邏輯、 接口邏輯、校準(zhǔn)系數(shù)復(fù)位為上電狀態(tài)；MCLK IN(2腳)主時鐘輸入與MCLK0UT(3腳)主時鐘 輸出之間串聯(lián)晶振Y3，晶振Y3兩端分別串聯(lián)電容C32和C33與地相連；CS (4腳)使能端與 地相連；REF IN⑴參考電壓負(fù)端+3. 3伏電源電壓；AIN 1 (+) (7腳)、AIN 1㈠(8腳)分別 為差分模擬輸入通道1的正、負(fù)輸入端，AIN2(+) (6腳)、AIN2(_) (11腳)分別為差分模擬輸 入通道2的正、負(fù)輸入端；SCLK(1腳)串行時鐘輸入與MSP430F149微處理器U1的P10(12 腳)相連；DIN(14腳)串行數(shù)據(jù)輸入、D0UT(13腳)串行數(shù)據(jù)輸出端分別與MSP430F149微 處理器U1的P12(14腳)、P11(13腳)相連。結(jié)合圖5，信號傳輸單元U6的VCC(16腳)接電源電壓，與VDD(2腳)串聯(lián)C12電 解電容，VDD端接正極；Cl+(1腳)和Cl-(3腳)串聯(lián)C10電解電容，C1+端接正極；C2+(4 腳)和C2-(5腳)串聯(lián)C11電解電容，C2+端接正極；GND(15腳)和VEE(6腳)串聯(lián)C14電 解電容，GND端接正極；T1IN(11腳)和R10UT(12腳)分別接MSP430F149微處理器U1的 TXD (32 腳)和 RXD (33 腳)；T10UT(14 腳)、R1IN(13 腳)、GND(15 腳)分別與 9 針串口的 2、 3、5針連接，完成與主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心串口的連接。
權(quán)利要求
一種管道壓力實時監(jiān)測裝置，其特征是管道壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理為電壓信號，電壓信號經(jīng)多通路電子開關(guān)及采樣保持電路后，由16位A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，微處理器MSP430F149根據(jù)事先設(shè)置的時間間隔周期性地采集所述數(shù)字信號，同時將日歷時間信息、流量信息和溫度信息完整的記錄存儲到EEPROM中，然后微處理器MSP430F149再利用UART模塊將EEPROM中的數(shù)據(jù)經(jīng)由電平轉(zhuǎn)換和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的信號傳輸單元實時地傳送置主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，或者在接收到特定的外部命令后將符合查詢條件的歷史記錄進(jìn)行批量傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道壓力實時監(jiān)測裝置，其特征是微處理器MSP430F149的 數(shù)字DVCC即1腳和模擬AVCC即64腳為電源端，模擬DVSS即63腳和模擬AVSS即62腳為 接地端，DY低壓差穩(wěn)壓器、DS7可調(diào)集成穩(wěn)壓器與第四電容(C4)、第十八電容(C18)、第十九 電容(C19)、第二十電容(C20)、第二十七電容(C27)、第二十八電容(C28)、第二十九電容 (C29)、第三十電容(C30)、第三十一電容(C31)及第一電感(L1)、第二電感(L2) —起構(gòu)成 穩(wěn)壓電路；XT2IN即52腳、XT20UT即53腳為外部振蕩器引腳，接晶振Y2，同時并聯(lián)第十六 電容C16、第十七電容C17接地；XIN_L即8腳、TX0UT_L/TCLK即9腳外接晶振(Y1) ；CPU復(fù) 位信號輸入端RST即58腳串聯(lián)第八上拉電阻(R8)與+3. 3V相連，同時串聯(lián)第三電阻(R3) 及復(fù)位開關(guān)(DS6)與地相連；TD0/TDI即54腳、TDI即55腳、TMS即56腳、TCK即57腳與 JTAG的1、3、5、7腳相連JTAG的2腳接+3. 3V、9腳接地、11腳接微處理器MSP430F149的 RST即58腳；P10即12腳接U2-A/D轉(zhuǎn)換器的SCLK即1腳串行時鐘輸入，提供時鐘信號； P12即14腳、P11即13腳分別與A/D轉(zhuǎn)換器AD7705的DIN即14腳串行數(shù)據(jù)輸入、D0UT即 13腳串行數(shù)據(jù)輸出端相連；UTXD0即32腳和URXD0即33腳與信號傳輸單元(U6)的T1IN 即11腳和R10UT即12腳連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管道壓力實時監(jiān)測裝置，其特征是所述16位A/D轉(zhuǎn)換 電路的VDD即15腳接電源電壓VCC ；GND即16腳和REF IN(-)參考電壓負(fù)端接地；RESET即 5腳復(fù)位，該端口為低電平時，將控制邏輯、接口邏輯、校準(zhǔn)系數(shù)復(fù)位為上電狀態(tài)；MCLK IN 即2腳主時鐘輸入與MCLK OUT即3腳主時鐘輸出之間串聯(lián)晶振Y3，晶振Y3兩端分別串聯(lián) 第三十二電容C32和第三十三電容C33與地相連；CS即4腳使能端與地相連；REF IN⑴參 考電壓負(fù)端+3. 3伏電源電壓；AIN1 (+)即7腳、AIN1㈠即8腳分別為差分模擬輸入通道1 的正、負(fù)輸入端，AIN2(+)即6腳、AIN2(_)即11腳分別為差分模擬輸入通道2的正、負(fù)輸 入端；SCLK即1腳串行時鐘輸入與微處理器MSP430F149的P10即12腳相連；DIN即14腳 串行數(shù)據(jù)輸入、D0UT即13腳串行數(shù)據(jù)輸出端分別與微處理器MSP430F149的P12即14腳、 P11即13腳相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管道壓力實時監(jiān)測裝置，其特征是所述的信號傳輸單 元的VCC即16腳接電源電壓，與VDD即2腳串聯(lián)第十二電解電容C12，VDD端接正極；C1+ 即1腳和C1-即3腳串聯(lián)第十電解電容C10，C1+端接正極；C2+即4腳和C2-即5腳串聯(lián) 第i^一電解電容Cll，C2+端接正極；GND即15腳和VEE即6腳串聯(lián)第十四電解電容C14， GND端接正極；T1IN即11腳和R10UT即12腳分別接微處理器MSP430F149的TXD即32腳 和RXD即33腳；T10UT即14腳、R1IN即13腳、GND即15腳分別與9針串口的2、3、5針連 接，完成與主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心串口的連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管道壓力實時監(jiān)測裝置，其特征是所述的信號傳輸單元的VCC即16腳接電源電壓，與VDD即2腳串聯(lián)第十二電解電容C12，VDD端接正極；C1+即1腳 和C1-即3腳串聯(lián)第十電解電容C10，C1+端接正極；C2+即4腳和C2-即5腳串聯(lián)第十一 電解電容C11，C2+端接正極；GND即15腳和VEE即6腳串聯(lián)第十四電解電容C14，GND端接 正極；T1IN即11腳和R10UT即12腳分別接微處理器MSP430F149的TXD即32腳和RXD即 33腳；T10UT即14腳、R1IN即13腳、GND即15腳分別與9針串口的2、3、5針連接，完成與 主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心串口的連接。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種管道壓力實時監(jiān)測裝置。管道壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理為電壓信號，電壓信號經(jīng)多通路電子開關(guān)及采樣保持電路后，由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，微處理器周期性地采集所述數(shù)字信號，同時將日歷時間信息、流量信息和溫度信息完整的記錄存儲到EEPROM中，然后微處理器再利用UART模塊將EEPROM中的數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換和通信網(wǎng)絡(luò)實時地傳送置主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。本發(fā)明解決了現(xiàn)有管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分辨率不高、可靠性低和魯棒性差的問題，在滿足壓力信號采集精度和實時性的前提下并具備施工量小、成本低、安裝維護(hù)方便的特點。
文檔編號G01D5/14GK101832787SQ20101014896
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者于占東, 傅薈璇, 李冰, 杜春洋, 王宇超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)