一种管道泄漏检测无线智能传感器的设计

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2006年第25卷第9期

一种管道泄漏检测无线智能传感器的设计3

吴　斌,刘　青,何存富,徐玉龙,毕晓东

(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100022)

摘　要:设计了一种用于检测管道泄漏的无线智能加速度传感器。进行了敏感元件的选型、硬件电路和

传感器外形结构的设计,并编写了传感器接口应用程序。将设计的智能传感器用于管道泄漏检测实验,结

果表明:该传感器可很好地获取应用于管道泄漏信号检测,并具有较好信噪比。

关键词:无线智能传感器;泄漏;管道检测

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2006)09-0058-03

Desi gn of a wi reless i n telli gent sensor for pi peli n e leak detecti on3

WU B in,L I U Q ing,HE Cun2fu,XU Yu2l ong,B I Xiao2dong

(College of M echan i ca l Eng i n eer i n g and Appli ed Electron i cs Technology,Be iji n g

Un i versity of Technology,Be iji n g100022,Ch i n a)

Abstract:A wireless intelligent accelerati on sens or,which can be used t o sa mp le the p i peline leakage signal,is

devel oped.The selecti on of the accelerati on chi p,the hard ware circuit,sens or structure and interface p r ogram of

the sens or are designed.The sens or is used in the p i peline leak detecti on experi m ent.The result indicates that the

sens or is fit f or sa mp ling the leakage signal and the S NR is high.

Key words:wireless intelligent sens or;leak;p i peline detecti on

0　引　言

供水管道因受环境或人为破坏等因素的影响,泄漏事故频频发生,造成经济上的巨大损失。据中国水协1998年统计,我国城市自来水的平均漏失率为12%～13%[1]。这些数据远远超过了国家要求城市漏失率控制在6%以下的标准[2]。自来水管网泄漏的检测和维修已经成为城市给水工程的一个重要环节。

常规的无损检测方法(如,超声检测爬机、漏磁检测爬机)[3]虽然技术成熟,但是,工作效率低,需要逐点检测,很难完成长距离管道的检测;流量平衡法能够进行泄漏检测,但无法进行泄漏定位;光纤传感器检漏法是近年发展起来的一种技术,但是该方法费用高,技术复杂;声发射技术是20世纪50年代后期迅速发展起来的一种无损检测方法,它利用流体泄漏时引发的沿管道传播的应力波来判断泄漏和定位。目前,大量应用该技术的检漏仪器不断出现,如,电子听漏棒,地面听漏仪,相关仪[4,5]等。相关仪是较为有效的泄漏检测仪器,传感器是该仪器的关键部件。但有些相关仪,如埃德尔相关仪SoundSens,操作人员通过主机与传感器连线进行操作设置,操作人员需要往返于管道和主机之间,操作十分不便。

收稿日期:2006-02-24

3基金项目:北京市教委资助项目(K m200310005012)

本文依据现代传感器设计理论,设计了一种用于管道泄漏检测的无线智能传感器。

1　传感器的设计

如图1所示,智能传感器由敏感元件、硬件电路、应用程序和外形结构四部分组成。其中,硬件电路包括调理模块、采集模块、数传模块和电源模块

。

图1　传感器整体结构

F i g1　Structure d i a gram of sen sor

1.1　敏感元件的选型及设置

传感器采用AD I公司的ADXL202加速度芯片。与其他类型加速度芯片相比,它具有灵敏度高、体积小、功耗低、带宽可调等特点,中心频率集中在10kHz。其带宽可以通过外加电容来设置。电容值的选取可以由下式计算得出,即F-3d B=

1

2π(32kΩ)×C(x)

,(1)

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第9期 吴　斌等:一种管道泄漏检测无线智能传感器的设计

式中　F

-3d B

为传感器带宽,Hz;C(x)为外加电容值,pF。传感器带宽设定为5kHz,计算得出选取电容值为1000pF。

1.2　硬件电路设计

1.2.1　调理模块

调理模块的主要功能是对ADXL202的输出信号进行放大与滤波。传感器采用高性能的仪用放大器AD623作为放大芯片,并利用多路开关MAX396来实现增益可调。增益的选择可以由单片机发出控制命令来确定。ADXL202的输出信号具有一定的直流成份,输入到AD623之前,必须先通过隔直电容去除。滤波芯片选用五阶滤波器MAX7413,设定上限截止频率为14kHz。

1.2.2　采集模块[6]

采集模块用于完成对调理模块输出信号的采集与存储,与数传模块进行数据传输,并对电池电量进行监测。

该模块采用AD7492作为模数转换芯片。核心CP U选择M SP430F149,其最主要的特点是低功耗,并且,具有片上AD。

由于采集的数据量较大,并且,要求有较高的采样率, CP U外部扩展32k B的SRAM。采样时,将采集到的数据暂存到HY62WB08081E中,待所有的数据采集完毕后再存储到F LASH AT45DB041B中,这样,可以将采样率提高到100kHz。利用MSP430F149片上AD对电池电压进行采样,实现对电池电量的监测。M SP430F149的串口与数传模块相连,完成数据上传和命令接收等功能。

1.2.3　数传模块

传感器使用的是基于无线收发芯片CC1000的无线模块。CC1000是一种超高频无线收发通信芯片,具有极低功耗、可编程输出功率、高灵敏度等特点。该芯片已被封装在无线模块中,只需将其数据收发引脚与单片机的串口引脚直接相连即可。为了减小无线模块对模拟电路的影响,将无线模块安装在所有模块的顶部。

1.3　程序设计方案

传感器程序采用模块化设计方案,由主程序模块、采集模块、命令模块、自检模块四部分构成。主程序模块实现数据存储,完成外部命令查询任务;采集模块完成对管道泄漏信号的采集;命令模块用于响应主机发出的命令;自检模块完成传感器开机时自检,发现异常,将会自动重启。

1.4　外形结构设计

传感器的外形结构设计分为三部分:底座、圆柱外壳和顶盖,实物见图2。底座下设有磁铁底座,内置磁铁,底座选用导磁材料加工,可以增大磁铁的吸力。顶盖上有充电口、指示灯、天线接口,并预留编程口,可用于程序的升级

。

图2　传感器探头实物图

F i g2　P i cture of sen sor

2　传感器泄漏检测实验

利用商用传感器和本文设计的传感器分别在压力管道上进行泄漏检测实验。实验中,所用管道外径为108mm,内径为99mm。在管壁拧上不同直径的泄漏塞来模拟管道泄漏。管道一端与扬程为55m的自吸泵相连,泵可以提供0.2～0.5M Pa的压力。如图3所示,分别利用A3传感器、前置放大器、PC I2DSP采集卡,计算机组成泄漏检测系统A;由本文设计的传感器、无线收发模块和计算机组成泄漏检测系统B;选择直径为2mm泄漏塞进行泄漏检测实验

。

图3　压力管道泄漏检测模型

F i g3　D etecti on m odel of leak p i pe w ith pressure

2.1　智能传感器泄漏检测实验

将传感器放大倍数设置为10倍,进行实验,测得实验结果如图4所示。

从图4可以看出:当有泄漏发生时,传感器采集到的信号时域波形幅值明显增大,频域上8～12kHz频段幅值明显增大;传感器在较远距离20m处能够采集到较好的泄漏信号。

2.2　智能传感器与商用传感器泄漏检测实验对比

在相同条件下进行泄漏信号采集,智能传感器的放大倍数为10。A3传感器的放大倍数为100,该传感器共振频率是35kHz。测得实验结果如图5所示。

从图5可以看出:在相同的条件下,智能传感器与A3传感器相比,该传感器采集到的泄漏信号幅值更大。

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