CN202057808U - 新型过球指示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新型过球指示器，包括电源模块、采集过球信号的跟踪定位模块、显示过球信息的显示模块和实现过球信息无线上传的GPRS通讯模块，所述电源模块的电流输出分别与所述跟踪定位模块、所述显示模块和所述GPRS通讯模块的电流输入连接，所述跟踪定位模块的信号输出与所述显示模块的信号输入连接并在采集过球信号时触发所述显示模块，所述显示模块的数据输出与所述GPRS通讯模块的数据输入连接。本实用新型的新型过球指示器能够实现对管道进行无损检测且不需要专人监守就可对管道内通过体进行异地监控的新型过球指示器，使得本实用新型的新型过球指示器能够适用于管道路况比较恶劣或危险区域等无法进行跟踪作业的条件下。

Description

新型过球指示器

技术领域

本实用新型涉及能源运输方面的油气长输管道检测领域，特别涉及一种用于检测管道内运行设备的新型过球指示器。

背景技术

在现有技术中，在输油气管道进行清管和检测过程中，为了能够准确地确定管内运行设备是否通过指定地点，过球指示器成为各场站的必用设备，但是传统的过球指示器为***式，需要对管道进行开口处理，会给管道带来安全隐患，且精确度低、数据无法储存、容易造成管道内通过体的损坏和通过能力的降低等诸多弊端。国外现有的非***式过球指示器，虽然可以实现管道的无损检测，但是没有无线通讯***，管道检测时，每个过球指示器都需专人监守，在管道路况比较恶劣或危险区域无法进行跟踪作业，其应用有一定的局限性，而且价格昂贵，每台数十万元左右。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种能够实现对管道进行无损检测且不需要专人监守就可对管道内通过体进行异地监控的新型过球指示器，使得本实用新型的新型过球指示器能够适用于管道路况比较恶劣或危险区域等无法进行跟踪作业的条件下。

本实用新型的技术方案是这样实现的：新型过球指示器，包括电源模块、采集过球信号的跟踪定位模块、显示过球信息的显示模块和实现过球信息无线上传的GPRS通讯模块，所述电源模块的电流输出分别与所述跟踪定位模块、所述显示模块和所述GPRS通讯模块的电流输入连接，所述跟踪定位模块的信号输出与所述显示模块的信号输入连接并在采集过球信号时触发所述显示模块，所述显示模块的数据输出与所述GPRS通讯模块的数据输入连接。

上述新型过球指示器，所述跟踪定位模块为磁信号采集模块。

上述新型过球指示器，所述跟踪定位模块为电磁信号采集模块。

上述新型过球指示器，所述跟踪定位模块由磁信号采集模块和电磁信号采集模块组成。

上述新型过球指示器，所述磁信号采集模块包括：

采集磁信号并将磁信号转换成电压差分输出的磁传感器，

对所述磁传感器的置位/复位管脚进行脉动以消除历史磁场的影响的脉冲电路，

调节所述磁传感器的电流大小和方向的自适应电路，

对所述磁传感器输出的电压信号进行放大的放大电路，

对所述放大电路输出的信号进行A/D转换并进行信号筛选和识别的主控MCU，

所述脉冲电路、所述磁传感器、所述放大电路和所述主控MCU依次连接，所述主控MCU还与所述脉冲电路连接，所述自适应电路与所述磁传感器连接；所述磁信号采集模块通过所述主控MCU与所述显示模块连接。

上述新型过球指示器，所述电磁信号采集模块包括安装于过球上的发射机和安装在所述过球指示器上的接收机，所述接收机的信号输出与主控MCU的信号输入连接；所述电磁信号采集模块通过所述主控MCU与所述显示模块连接。

上述新型过球指示器，所述接收机包括信号采集放大电路以及与所述信号采集放大电路的信号输出连接的滤波放大电路，所述信号采集放大电路上连接有接收天线。

本实用新型的有益效果是：(1)具有GPRS远程通讯功能，可以通过GPRS通讯模块将过球信息自动发送到监控室，实现了对管道内通过体(如清管器、检测器等)的异地监控，降低了作业成本，实现了在管道路况比较恶劣或危险区域的跟踪作业；同时，省却了跟踪人员昼夜兼程跟踪之劳，降低劳动强度，减少风险，提高了可靠性和安全性，具有高精度的探测和较为低廉的价格等优点，填补我国管道市场在此方面的空白。(2)能够同时识别磁信号和低频电磁信号，扩大了过球指示器的应用范围。(3)本实用新型的新型过球指示器安装于管道外部，无需在管道上开孔，实现了对管道的无损检测，便于安装、维护。

附图说明

图1为本实用新型的新型过球指示器的结构示意图；

图2为本实用新型的新型过球指示器的跟踪定位模块的结构示意图；

图3为本实用新型的新型过球指示器的磁信号采集模块的程序流程图；

图4为本实用新型的新型过球指示器的主控MCU及其***电路图；

图5为本实用新型的新型过球指示器的信号采集放大电路图；

图6为本实用新型的新型过球指示器的滤波放大电路图；

图7为本实用新型的新型过球指示器的主控MCU电路图；

图8为本实用新型的新型过球指示器的电磁信号采集模块的信号识别流程图；

图9为本实用新型的新型过球指示器的电磁信号采集模块的主程序流程图；

图10为本实用新型的新型过球指示器的GPRS通讯模块GC864电路图；

图11为本实用新型的新型过球指示器的GPRS通讯模块的主程序流程图；

图12为本实用新型的新型过球指示器的GPRS通讯模块的网络拨号连接流程图；

图13为本实用新型的新型过球指示器的电源模块电路图。

图中：1-电源模块，2-跟踪定位模块，3-显示模块，4-GPRS通讯模块，211-脉冲电路，212-磁传感器，213-放大电路，214-主控MCU，215-自适应电路，222-接收机，223-信号采集放大电路，224-滤波放大电路。

具体实施方式

结合附图对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，本实施例的新型过球指示器包括电源模块1、采集过球信号的跟踪定位模块2、显示过球信息的显示模块3和实现过球信息无线上传的GPRS通讯模块4，所述电源模块1的电流输出分别与所述跟踪定位模块2、所述显示模块3和所述GPRS通讯模块4的电流输入连接，所述跟踪定位模块2的信号输出与所述显示模块3的信号输入连接并在采集过球信号时触发所述显示模块3，所述显示模块3的数据输出与所述GPRS通讯模块4的数据输入连接。所述跟踪定位模块2由磁信号采集模块和电磁信号采集模块组成。

如图2所示，所述磁信号采集模块包括依次连接的脉冲电路211、磁传感器212、放大电路213和主控MCU214，所述主控MCU214还与所述脉冲电路211连接，所述磁传感器212还与自适应电路215连接。所述磁传感器212为可进行低磁场采集的高灵敏度磁场传感器，能够敏感地检测到30uGs的磁场变化，它采集磁信号并将磁信号转换成电压差分输出；所述脉冲电路211对所述磁传感器212的置位/复位管脚进行脉动以消除历史磁场的影响，使所述磁传感器212始终保持高灵敏度；所述自适应电路215调节所述磁传感器212的电流大小和方向的，能够随所述磁传感器212放置的环境和方向变化自动调节所述磁传感器212的偏置电流，从而消除环境磁场的干扰；所述放大电路213对所述磁传感器212输出的电压信号进行放大(例如信号被放大500倍)，所述放大电路213将放大后的电压信号输出到所述主控MCU214进行A/D转换，所述主控MCU214进一步进行信号筛选和识别。在本实施例中，所述主控MCU214采用TI公司的MSP430F149单片机(自带的A/D转换器)，其通过数字开关控制所述脉冲电路211的通断，所述磁传感器采用AD22151，所述放大电路213的放大芯片采用MAX4194。所述磁信号采集模块通过所述主控MCU214与所述显示模块3连接。

单片机MSP430F149自带的A/D转换器将该模拟电压信号转换成数字信号，转换进行的速率为400khz，对此数字信号采用求平均值的方法滤波；然后，单片机MSP430F149分析该信号是否受环境影响，是则调节所述磁传感器212的灵敏度，使其工作在最灵敏、受环境影响最小的状态。调节结束后持续采集信号，并分析信号是否符合过球时的信号特征，如果符合则发出报警信号，否则舍弃重新采集判断。

采用磁传感器采集磁信号最关键的问题在于消除外界环境的干扰和有效信号的识别，为消除外界环境的干扰，本实施例中采用了多次采集求均值的方法。在有效信号识别方面，采用识别余玄波的算法，经过大量的牵拉实验，验证了此算法的有效性。图3为磁信号采集模块的程序流程图，其运行过程如下：

(1)上电复位后对所有硬件进行初始化，然后打开中断。

(2)启动定时器，为得到磁场随时间的变化曲线，程序设计时采用定时采集的方法，以400khz的频率匀速采集。

(3)为消除干扰，每采集64个点，求均值得到一个点，实验表明这个方法能够有效的消除外界环境干扰。

(4)每次进入程序都要进行自适应调节，程序通过调节所述磁传感器212的偏置/复位电流来消除历史磁场的影响，使所述磁传感器212始终处在最灵敏的检测状态。当一次报警信号发出后，程序会再次进行自适应调节。

(5)采集到的数据带入信号识别算法，判断是否为余弦波，是则发送报警脉冲，否则继续采样判断。

所述电磁信号采集模块包括安装于过球(即管道内通过体，如清管器或检测器)上的发射机和安装在所述过球指示器上的接收机222，所述接收机222的信号输出与主控MCU214的信号输入连接；所述电磁信号采集模块通过所述主控MCU214与所述显示模块3连接。所述接收机222包括信号采集放大电路223以及与所述信号采集放大电路223的信号输出连接的滤波放大电路224，所述信号采集放大电路223上连接有接收天线。信号放大部分主要采用LinCMOS精密斩波稳定运算放大器TLC2652进行放大，信号处理部分主要采用通用可编程有源滤波器MAX260进行滤波。

发射机持续产生低频信号，并将此信号进行信号放大、功率放大，在发射机上产生一定的交变电流，利用交变电流产生交变磁场，交变磁场产生电场，实现了管道内信号向外界的传输，从而在接收机222的接收天线中产生感应电动势，经过滤波、放大、识别处理等过程，实现了在接收端准确接收发射信息，进行过球信号的识别。

由于受到地磁场、环境电磁场的干扰会产生误报，所以本***采用了数字滤波+频率识别的方式对接收到的信号进行处理，使特定频率范围内的信号产生报警，有效地降低了误报率。

图4所示为主控MCU及其***电路图，图5为信号采集放大电路图，图6为信号滤波放大电路图。图5中接收天线接收发射机发射的电磁信号，经初级放大、滤波处理，得到较为稳定的信号，然后经图6中的滤波放大电路进行精确滤波、进一步放大处理，得到所需要的特定频带的信号，供所述主控MCU214分析处理。

图9、图8所示分别为主程序流程图和信号识别流程图，通过频率识别、信号编码识别及连续采集的信号个数来判断过球情况，所采集信号符合要求即视为有清管器通过，进行过球报警，否则舍弃数据，重新采集。

GPRS通讯模块4接收显示模块3传输过来的数据，通过网络将数据发送到监控室的上位机，当网络未连接或不稳定时，可以以短信的方式将数据发送到指定的手机，从而实现了数据的无线远程上传，实现了无人监守，不再以传统模式作业：一个或一组人携带标记器(即传统的跟踪仪器)定点蹲守，标记器报警后，人为记录时间，并向总调度报告过球信息，省却昼夜跟踪之劳。

如图7、图10和图11所示，主控MCU214(MSP430F149)通过串口将AT指令发送到GPRS通讯模块4(Telit无线通信技术的GC864)，实现拨号连接功能、链路维持功能、主控板到无线数传板的数据传输、与上位机的数据传输、备用短信数传功能、GPRS与短信的切换功能、远程唤醒等功能。

在GPRS通讯模块4与服务器连接上之后需要有数据传输来维持链路的正常，如果长时间没有数据交换，***将收回这条链路以供其他用户使用，因此，为了保持连接是通畅的，过球信号没有到来之前人为的向上位机发送一些维持线路的无用的数据包(即心跳包)，这些数据包对数据和过球***来说没有任何实际意义，但却是维持链路畅通的必不可少的数据包。

拨号连接，主控MCU214通过串口将AT指令发送到GPRS通讯模块GC864，使GPRS通讯模块GC864与***的网关进行数据交换，获取IP地址及信号强度，拨号连接的子程序如图12所示。

为了能更方便、更及时的发现网络问题，GPRS通讯模块4将检测到的通讯卡的状态(是否安装好)、网络信号强度、网络连接状态(是否连接)等数据发送给显示模块3，显示模块3将相应的状态先显示在液晶上，这样，即使非专业人员也可以通过显示界面及时了解网络状态。

当GPRS网络连接失败或GPRS网络异常中断时，数据便不能及时上传，为此本实用新型设计了备用短信数传功能，GPRS网络连接失败或者异常时，自动并且迅速、准确的切换到SMS模式，将数据通过短信发送到指定手机，此功能不受GPRS网络的限制，对上位机的要求也较低，只需要一部能够接收短信的手机即可。缺点是受到移动SMS网络延时的限制，无法保证实时传输。

另外，本实用新型设计了远程唤醒功能，当GPRS网络异常中断时，可以通过任意一部手机拨打终端安装的手机卡的手机号码，当听到回铃声后挂断即可，听到一到两声的回铃既可挂断，GPRS通讯模块4会自动根据唤醒信号重新连接网络。

本实用新型采用外部24V电源供电，但是由于新型过球指示器的组成部分比较多，各模块所需电压各不相同，所以设计了向新型过球指示器各个***供电的电源模块1。图13所示为电源电路图，外接24V电源经PU1转换成8V电压，然后再进一步转换为所需要的7.2V，±5V，3.3V等。图中PU1电压转换芯片LM2576，具有非常小的电压调整率和电流调整率，具有3A的负载驱动能力，LM2576能够输出3.3V、5V、12V、15V的固定电压并具有电压可调节的可调电压输出方式，还具有很强的散热性。

本实施例的新型过球指示器能够实现管道无损检测(即非***)，磁信号和电磁信号的采集以及GPRS远程通讯。当管道内的通过体(清管器/检测器等)通过本实施例的新型过球指示器时，跟踪定位模块2采集过球信号，即磁信号采集模块和低频电磁信号采集模块分别采集磁信号和低频电磁信号，跟踪定位模块2采集信号的同时触发显示模块3，显示模块3记录相关数据，并将数据发送到GPRS通讯模块4，通过GPRS通讯模块4实现数据的无线上传，将数据及时反馈给监控室的工作人员，而且显示模块3能够就地显示出过球信息，操作人员可在其用户界面上就地查看最近10次的过球信息。

本实施例的新型过球指示器经过了多次地面裸管和实际管道清管的试验。下表中是30次牵拉数据，速度为2米/秒左右。

本实用新型多次在管道检测、清管作业中得到广泛的应用，结果表明效果良好，达到了预期目标。

Claims (7)

1.新型过球指示器，其特征在于，包括电源模块(1)、采集过球信号的跟踪定位模块(2)、显示过球信息的显示模块(3)和实现过球信息无线上传的GPRS通讯模块(4)，所述电源模块(1)的电流输出分别与所述跟踪定位模块(2)、所述显示模块(3)和所述GPRS通讯模块(4)的电流输入连接，所述跟踪定位模块(2)的信号输出与所述显示模块(3)的信号输入连接并在采集过球信号时触发所述显示模块(3)，所述显示模块(3)的数据输出与所述GPRS通讯模块(4)的数据输入连接。

2.根据权利要求1所述的新型过球指示器，其特征在于，所述跟踪定位模块(2)为磁信号采集模块。

3.根据权利要求1所述的新型过球指示器，其特征在于，所述跟踪定位模块(2)为电磁信号采集模块。

4.根据权利要求1所述的新型过球指示器，其特征在于，所述跟踪定位模块(2)由磁信号采集模块和电磁信号采集模块组成。

5.根据权利要求2或4所述的新型过球指示器，其特征在于，所述磁信号采集模块包括：

采集磁信号并将磁信号转换成电压差分输出的磁传感器(212)，

对所述磁传感器(212)的置位/复位管脚进行脉动以消除历史磁场的影响的脉冲电路(211)，

调节所述磁传感器(212)的电流大小和方向的自适应电路(215)，

对所述磁传感器(212)输出的电压信号进行放大的放大电路(213)，

对所述放大电路(213)输出的信号进行A/D转换并进行信号筛选和识别的主控MCU(214)；

所述脉冲电路(211)、所述磁传感器(212)、所述放大电路(213)和所述主控MCU(214)依次连接，所述主控MCU(214)还与所述脉冲电路(211)连接，所述自适应电路(215)与所述磁传感器(212)连接；所述磁信号采集模块通过所述主控MCU(214)与所述显示模块(3)连接。

6.根据权利要求3或4所述的新型过球指示器，其特征在于，所述电磁信号采集模块包括安装于过球上的发射机和安装在所述过球指示器上的接收机(222)，所述接收机(222)的信号输出与主控MCU(214)的信号输入连接；所述电磁信号采集模块通过所述主控MCU(214)与所述显示模块(3)连接。

7.根据权利要求6所述的新型过球指示器，其特征在于，所述接收机(222)包括信号采集放大电路(223)以及与所述信号采集放大电路(223)的信号输出连接的滤波放大电路(224)，所述信号采集放大电路(223)上连接有接收天线。

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