CN215524866U - 一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，该装置以光纤作为传感介质，结合电热带同步铺设的设计思路，实现对管线的温度进行智能控制，能够提升管线维护的人工效率及自动化、智能化水平。同时，可根据温度的实时监测对电热带进行上电/断电，既能保证管道的正常工作，又能提高加热带的使用时间，降低加热带的更换频率，有效节能。本实用新型有较强的实用性强，可应用石油、天然气，输水，电网等多种管线领域。

Description

一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，属于温度控制领域。

背景技术

在城市科技的迅速发展过程中，各种管线设施(基础设施包括石油、天然气管道，水管，电网等)已遍布城市的各处，并不断密集化并往外扩展，但由于检测成本高、维护经费有限、检测手段缺乏、检测难度大、检测人员紧张，造成管道大都缺乏监测，或者检测面不够，导致事故频发，给城市经济、社会稳定和公共安全造成了重大的损失。

目前国内各类管线在温度管控方面主要采用以下方式：

1、温度监测方面主要采用单点温度测量仪，单点温度测量仪主要是将温度测量探头放置需要测量的管线位置，然后通过延长线将管线单点温度数据传输至温度显示表盘，由于管线长度较长，需要布置数量较大的单点测温测量仪，该类温度测量仪存在几个缺点：1)只能够实现单点的温度测量，不能够实现分布式长距离的温度测量，且布置的单点温度测量仪越多，维护成本易会增高；2)由于单点温度测量仪温度测量探头中间会出现温度监测间隔，容易导致温度监测空白区，不能够为管线维护人员有效提供管线的连续温度情况；3)温度测量受外界电磁环境、天气环境影响较大，例如雷电或者强电磁干扰会导致温度测量仪损坏或者测量数据不准确；4)温度测量数据较为分散，不能够集中处理显示。

2、管线温度管控自动化、智能化较弱，目前国内针对管线温度控制的基本是将自限温电热带沿发管线铺设或者没有任何温度控制措施，采用自限温加电带的方式是打开通电开关，给电热带通电，让电热带一直保持通电加热状态，以起到对管线温度的保温的功能。该方式由于不能够和温度监测装置联动需要采用人工巡检方式对管线进行保温排查，巡查所有管线的电热带的运行情况，通过人工触摸方式排查管线的电热带是否正常工作。

综上所述，需要一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置来提供有效温度监测和控制，为管线的维护提供一种自动化、智能化的温度测控方式。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，该装置由于温度监测装置和温度控制装置两部分组成，温度监测装置和温度控制装置之间通过一根测温光纤和一个通信光纤连接，可以通过测温光纤实现对管线进行24小时全天候实时分布式温度监测，同时能够根据监测的温度数据对电热带进行自动上电/断电，实现对管线的温度控制功能，能够提升管线维护的人工效率及自动化、智能化水平。本实用新型可应用石油、天然气，输水，电网等多种管线领域。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，包括温度监测装置和温度控制装置，温度监测装置通过布置在管线上的测温光纤实现对管线的实时分布式温度监测，并通过通信光纤与温度控制装置进行信息交互；同时温度控制装置根据监测到的温度对电热带进行上电/断电，实现对管线的温度控制。

进一步，温度监测装置包括用于供电的电源模块以及主控模块、光模块、电模块、光电转换模块、显控模块，主控模块分别与光模块、电模块、光电转换模块、显控模块连接；

光模块用于产生探测光、接收光信号，并将之转换为电信号输出，探测光通过光连接器注入测温光纤中，并在测温光纤中产生光信号，光信号从同一端口返回后，再次进入光模块进行一级信号分离和光电转换，将与测温光纤温度状态相关的光信号转换成电信号输出到电模块；

电模块用于接收光模块输出的电信号，并将其先转换为满足电压要求的电信号，再转换成数字信号，进而经过二级信号分离、整形、滤波和平均后，输出到主控模块；

光电转换模块将电信号转换为光信号，通过通信光纤与温度控制装置进行信息交互；

显控模块用于根据主控模块的指令实现模块状态、工作状态的实时显示以及将操作人员的输入传输到主控模块。

进一步，光模块包括探测器、耦合器、光连接器、激光器、转换器，探测器通过耦合器与管连接器相连，激光器分别与转换器和光连接器相连，转换器与电模块相连。

进一步，电模块包括时序控制器、信号采集器、均衡器、转换器，时序控制器与信号采集器相连，均衡器分别与信号采集器、转换器相连，转换器与主控模块相连，信号采集器与光模块相连。

进一步，温度监测装置还包括支持总线连接的背板，用以连接和固定各模块；其中。

进一步，温度监测装置还包括后面板，后面板上布置有对外接口，对外接口通过软连接线连接背板，对外接口用于实现与其他***/装置的连接。

进一步，温度控制装置包括用于供电的电源单元以及主控单元、光切换单元、电切换单元、光电转换单元，主控单元分别与光切换单元、电切换单元、光电转换单元相连；

光切换单元用于根据主控单元的指令完成测温光纤的功能切换，所述功能为接收和发送光信号；

电切换单元用于根据主控单元的指令控制电热带的开启和关闭；

光电转换单元将电信号和光信号进行相互转换，通过通信光纤与温度控制装置进行信息交互。

进一步，光切换单元为32路光开关，采用TTL电平控制，完成测温光纤的功能切换，实现连续多路管线的温度监测。

进一步，电切换单元为32路隔离继电器，完成电热带的开启和关闭。

进一步，温度控制装置还包括滤波单元，用于稳定电源单元的输出。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置是为管线温度的提供一种分布式温度控制的智能装置，该装置以光纤作为传感介质，结合电热带同步铺设的设计思路，通过搭配***软件实现对管线的温度进行智能控制，能够提升管线维护的人工效率及自动化、智能化水平。同时，可根据温度数据的分析对电热带进行上电/断电，既能保证管道的正常工作，又能提高加热带的使用时间，降低加热带的更换频率，有效节能。本实用新型有较强的实用性强，可应用石油、天然气，输水，电网等多种管线领域。

附图说明

图1是一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置示意图；

图2是温度监测装置原理图；

图3是主控模块硬件架构图；

图4是光模块硬件架构图；

图5是光模块CPCI接口定义；

图6是电模块硬件架构；

图7是电模块CPCI接口定义；

图8是电源模块硬件设计架构；

图9是显控模块硬件设计架构；

图10是温度控制装置原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型提出一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，如图1所示，该装置由于温度监测装置和温度控制装置两部分组成，温度监测装置和温度控制装置之间通过一根测温光纤和一个通信光纤连接，可以通过测温光纤实现对管线进行24小时全天候实时分布式温度监测，同时能够根据监测的温度数据对电热带进行自动上电/断电，实现对管线的温度控制功能，能够提升管线维护的人工效率及自动化、智能化水平。本发明可应用石油、天然气，输水，电网等多种管线领域。

具体技术方案如下：

1、温度监测装置技术方案

如图2所示的温度监测装置由主控模块、光模块、电模块、电源模块、光电转换模块、显控模块及对外接口组成。主控模块是***软件的硬件载体，提供对设备各模块的调度控制、信息流程的管理及人机交互等功能；光模块主要用于产生探测光、接收光信号，并将之转换为电信号输出；电模块用于接收光模块输出的电信号，并输出数字信号进行算法解析，光模块和电模块间相同标号的射频接口通过背板直通，信号频率>1GHz；光电转换模块主要是实现将主控模块的100M网口电信号转换为光信号；显控模块由7寸显示屏、专用键盘组成，主要实现模块状态、工作状态的实时显示以及本地数字输入等功能。同时，温度监测装置还具备2路USB、1路百兆网口、1路通信光接口等对外接口，可以实现与其他***/装置进行连接。

A1主控模块主要实现温度监测装置内各功能模块的控制、管理，各接口数据收发、处理，人机接口数据收发、显示，以及对各业务流程、通信流程的综合管理等功能。

如图3所示，主控模块高度标准4U的，标准CPCI接口与背板相连(J1、J2)，支持window操作***的安装。模块由主板板卡和载板两部分组成。主控板卡由MA3-N2930核心模块和载板模块组成外配2G DDR3内存；将PCIe总线转为PCI总线对外通信。本板对外提供4路RS232串口，1路VGA接口，6路USB2.0接口，2路SATA接口，3路10/100/1000M网络，其中一路为处理器自带网络，另2路则是在处理器PCIe总线上外扩的I210网络接口；处理器通过LPC总线与CPLD互连实现数据交互，CPLD对外提供4路IRQ接口；此外板卡还采用电源模块供电，并提供热插拔及状态指示。

主控模块接口引脚定义设计如下：VGA接口采用DB15标准母头，其定义如表1所示；USB接口定义如表2所示，串口定义如表3所示，CPCI J1信号定义如表4所示，CPCI J2信号定义如表5所示。

表1 VGA接口信号定义

表2 USB接口信号定义

表3串行接口信号定义

表4 CPCI J1信号定义

表5 CPCI J2信号定义

A2光模块主要用于产生探测光、接收光信号，并将之转换为电信号输出。探测光通过光连接器注入与测温装置连接的测温光缆中，并在光缆中产生光信号。光信号从同一端口返回后，再次进入光模块进行一级信号分离和光电转换，将与光缆温度状态相关的光信号转换成电信号输出。光模块硬件设计架构如图3所示，光模块CPCI引脚接口定义如图4所示。

A3电模块用于接收光模块输出的电信号，并将之转换为数字信号输出。光模块产生的电信号进入电模块后，首先转换为电压适中的电信号，再经过模数转换，转换成数字。经过二级信号分离、整形、滤波和平均后，将有效数据通过CPCI端口输出到主控模块，等待进一步处理。电模块硬件设计架构如图5所示，电模块CPCI引脚接口定义如图6所示。

A5电源模块采用4U标准欧式接口，该接口相对于传统电源接口，可靠性更高，并具有输入欠压、过压保护、过温自动保护及短路保护等功能。电源模块的工作温度-25～55℃，输入电压90～264V宽电压，根据各模块的用电需求拥有多种四路直流输出。优选的，电源模块输入电压为外部交流220V，输出包括12V、5V、3.3V、-12V四路直流电压，以供内部各模块使用。电源模块硬件设计架构如图8所示，电源模块对外接口如表6所示。

表6电源模块对外接口

如图9所示的显控模块采用7寸显示屏和整机进行一体化设计，组合按键提供操作控制，LED指示灯进行电源指示，船型开关控制整机电源。显示屏显示设备工作状态，实时温度，界面切换，操作控制等。

温度传感装置的各模块由于采用可拆卸方式结构设计，所以需要通过支持总线连接的背板来连接和固定各功能模块。背板采用CPCI总线接口设计，J1、J2接口按照CPCI标准走线，如本发明前面所述，其中电源模块接口采用符合电源模块接口的接口，光模块和电模块均使用J1接口，主控模块使用J1、J2两个接口。光电模块安装在背板的反面，将主控模块的网络信号转换为光信号。

后面板解决设备对外接口的物理连接需求，布局对外接口的接插件。后面板接口通过软连接线连接背板，连接对外接口对应的总线引脚，后面板对外输出插口包括两个标准USB接口、一个RJ45网络接口和两个光接口。同时考虑到整个装置散热，配置了两个直流风扇。

2、温度控制装置技术方案

如图10所示的温度控制装置硬件由主控单元、光切换单元、电切换单元、电源单元、滤波单元、光电转换单元及对外接口组成。主控单元采用嵌入式控制芯片搭建的控制电路，是温度控制装置软件的硬件载体，提供对设备各模块的调度控制、信息流程的管理等功能。光切换单元主要用于在各光纤通路之间进行切换，接收和发送光信号。电切换单元用于控制电信号的开关，控制电热带的开启和关闭。电源单元提供稳定的电压，为各个单元供电。滤波器由电容电阻和电感组成，使电源输出更加稳定。光电转换单元将电信号和光信号相互转换。其中为考虑温度控制装置外场工作环境，在商用产品研制的基础上，各电子器件尽量选择温度范围宽的型号。

温度控制装置主要实现的功能都由单独的功能模块承担，像光切换模块、电切换模块、电源模块、滤波器等，主要从功能逻辑上来安排器件位置，方便内部接线，保证安装牢固可靠；电切换模块有频繁的接线安装操作，布置在迎面位置，方便接线操作；有高压的部分，设计有保护盖，防止误接触危险。整机有接地柱保证可靠接地。装置装配过程中全部采用符合GB/T标准的不锈钢材料紧固件。整个装置设计保证操作安全，符合国家安全标准；结构性能可靠，满足工业产品环境测试要求，便于操作和维修。

主控单元(即控制板)是整个设备的控制管理核心，采用成熟的嵌入式MCU架构，芯片选用ST公司的STM32F207ZG芯片，该单元有三大功能：利用其网络接口连接光电转换模块，实现从传感设备的软件信息交互；利用芯片并口实现对光切换单元的控制，控制光切换单元32路光纤通路的切换，完成测温光纤的切换功能；利用芯片串行与继电器相连，用于控制继电器开关通断。

32路光开关是一种光路控制模块，起着控制光路和切换光路的作用，具备***损耗小、切换速度块、内部模块化设计的特点，采用TTL电平(并口)控制。在温度控制装置中主要起到测温光缆的切换，实现连续多路管线的温度监测。光切换单元对外接口如表7所示。

表7光切换单元对外接口定义

管脚	信号名称	输入/输出	描述
				2	D0	输入	数据位，TTL电平
3	D1	输入	数据位，TTL电平
				4	D2	输入	数据位，TTL电平
5	D3	输入	数据位，TTL电平
				6	D4	输入	数据位，TTL电平
11	/RESET	输入	低电平复位到通道0，高电平数据位有效，TTL电平
				7	/READY	输出	“0”准备复位或接收数据，TTL电平
8	ERROR	输出	“1”表示光模块运行错误，TTL电平
				1，9	GND	电源	公共接地
15	+5VDC	电源	5±5％VDC数字电路电源(最大电流50mA)
				12	VM	电源	5±5％VDC驱动电源(最大电流600mA)
10，13，14	NA

32路隔离继电器单元是一款232+隔离485的串口继电器，32路输出，继电器输出触电隔离，支持5VDC供电，支持标准的Mobdus协议，采用9600通信波特率，具有闪开、闪断功能，可以在指令中带参数操作继电器开一段时间自动关闭，同时该单元具备频闪功能，可以控制继电器周期性开关。

电源单元选用LRS-200单组输出电源，该单元是一款输出功率200W的单组输出封闭电源供应器，具有30mm低外型设计，采用115VAC或230VAC分段输入，提供4.2V、5V、12V、15V、24V和48V输出。效率高达90％，金属网外壳的设计加强了散热能力使用LRS-200在没有风扇的情况下工作在-25℃至+70℃的温度范围内。提供低空载功能，能够使终端***很容易满足国际能源要求。同时，该单元具有完整的保护功能和抗5G振动的能力。

光电转换单元选用千兆单模光纤收发器，该单元基于波分复用技术，单模光纤传输最远距离20Km，发送光纤波段1550nm，接收光纤波段1310nm，具有一个千兆SC光纤接口，1各千兆RJ45接口。单元在温度控制装置中主要用于实现将主控单元的网络接口转换为光接口，与温度监测装置中光电转换单元配对使用，实现与温度监测装置的光通信功能，具有可靠性高、维护方便，易于集成等特点。

3、智能温度测控流程

本实用新型的温度测控流程如下：

利用温度监测装置通过测温光纤按周期对管线进行分布式温度数据监测采集，对采集的温度数据进行统计得出当前管线的温度；

当管线电热带处于通电加热状态时，则查询管线电热带的加热时间是否满足设置的加热时长，若管线电热带加热时间不满足设置的加热时长，则继续按周期对管线进行分布式温度数据监测采集，若满足则关闭管线电热带加热并继续按周期对管线进行分布式温度数据监测采集；

当管线电热带处于断电未加热状态时，则将管线当前的温度与设置的温度阈值进行比对，若当前管线的温度高于设置的温度阈值，则继续按周期对管线进行分布式温度数据监测采集；若当前管线的温度低于设置的温度阈值，则查询对应的加热时长并启动管线电热带开始加热，管线电热带加热后进行加热时长判断，当所加热时长满足设置的加热时长时，则关闭管线电热带加热并继续按周期对管线进行分布式温度数据监测采集；当管线电热带加热时间不满足设置的加热时长时，则继续按周期对管线进行分布式温度数据监测采集。

如图1所示，在本实用新型中，为便于温度智能测控，管线、电热带和光纤的编号设置采用一一对应方式，如管线定义为1号，则相应的电热带和光纤编号则都为1号，共计可以设置32组对应的编号用于管线温度的智能测控。以1号管线温度智能测控为例，当温度监测装置和温度控制装置启动后，温度监测装置通过温度控制装置将管线编号设置为1号，同时调整对应的电热带和光纤编号，继而利用光纤对管线进行温度数据采集，将采集到的管线温度数据进行存储并与该管线温度阈值进行比较：

1、若采集温度数据高于该管线设置的阈值，则通过温度控制装置将管线编号设置为2号，以此类推最大至编号32号，同时按周期利用光纤循环对1至32号管线温度监测采集。

2、若采集温度数据低于该管线设置的阈值，则通过温度控制装置将该管线对应的电热带通电加热，并开始计算加热时长。在该管线电热带通电加热过程中，温度监测装置和温度控制装置可以继续按周期利用光纤对其他管线进行温度采集，在轮询至该管线时，则需判断该管线加热时长是否满足设置的加热时间，若满足，则停止电热带加热。

综上可见，该设计在管线连续监测的分布式光纤智能温度测控方面，采用基于主控模块、电模块、光模块、光电转换的硬件环境，通过对32路测温光路切换、32路继电器控制进行***软硬件联调联试工作，形成了以温度监测装置、温度控制装置为基础的管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，同时本发明的装置具备提供网口、USB等常用接口。在功能扩展方面，温度监测装置预留网络接口，具备连接外部***的能力，在石油、天然气，输水，电网等行业应用均具备较强的实用性。当然，该装置的应用也可将温度监测装置和温度控制装置分开应用，例如：温度监测装置可以单独利用光纤进行温度监测，通过网络接口连接其他现有报警器、***装置等实现定制化的集成功能。

进一步的，通过对管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置的硬件设计、软件设计以及研制组装，最终实现基于温度监测装置和温度控制装置的研制。在装置设计完成后，采取了针对性的测试方案，分别对温度监测长度、定位分辨率、温度测量范围、光切换、继电器切换、远程控制及对外接口的功能性能进行测试，同时对其环境适应性、可靠性等运行情况在专业机构进行检测和试验。结果表明，管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置在管线温度连续监测、管线温度自动控制等方面均正常，并且通过既定的试验，能够满足石油、天然气，输水，电网等多种领域的应用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，包括温度监测装置和温度控制装置，温度监测装置通过布置在管线上的测温光纤实现对管线的实时分布式温度监测，并通过通信光纤与温度控制装置进行信息交互；同时温度控制装置根据监测到的温度对电热带进行上电/断电，实现对管线的温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，温度监测装置包括用于供电的电源模块以及主控模块、光模块、电模块、光电转换模块、显控模块，主控模块分别与光模块、电模块、光电转换模块、显控模块连接；

光模块用于产生探测光、接收光信号，并将之转换为电信号输出，探测光通过光连接器注入测温光纤中，并在测温光纤中产生光信号，光信号从同一端口返回后，再次进入光模块进行一级信号分离和光电转换，将与测温光纤温度状态相关的光信号转换成电信号输出到电模块；

电模块用于接收光模块输出的电信号，并将其先转换为满足电压要求的电信号，再转换成数字信号，进而经过二级信号分离、整形、滤波和平均后，输出到主控模块；

光电转换模块将主控模块接收到的电信号转换为光信号，通过通信光纤与温度控制装置进行信息交互；

显控模块用于根据主控模块的指令实现模块状态、工作状态的实时显示以及将操作人员的输入传输到主控模块。

3.根据权利要求2所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，光模块包括探测器、耦合器、光连接器、激光器、转换器，探测器通过耦合器与管连接器相连，激光器分别与转换器和光连接器相连，转换器与电模块相连。

4.根据权利要求2所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，电模块包括时序控制器、信号采集器、均衡器、转换器，时序控制器与信号采集器相连，均衡器分别与信号采集器、转换器相连，转换器与主控模块相连，信号采集器与光模块相连。

5.根据权利要求2所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，温度监测装置还包括支持总线连接的背板，用以连接和固定各模块。

6.根据权利要求2所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，温度监测装置还包括后面板，后面板上布置有对外接口，对外接口通过软连接线连接背板，对外接口用于实现与外部***/装置的连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，温度控制装置包括用于供电的电源单元以及主控单元、光切换单元、电切换单元、光电转换单元，主控单元分别与光切换单元、电切换单元、光电转换单元相连；

光切换单元用于根据主控单元的指令完成测温光纤的功能切换，所述功能为接收和发送光信号；

电切换单元用于根据主控单元的指令控制电热带的开启和关闭；

光电转换单元将电信号和光信号进行相互转换，通过通信光纤与温度控制装置进行信息交互。

8.根据权利要求7所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，光切换单元为32路光开关，采用TTL电平控制，完成测温光纤的功能切换，实现连续多路管线的温度监测。

9.根据权利要求7所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，电切换单元为32路隔离继电器，完成电热带的开启和关闭。

10.根据权利要求7所述的一种用于管线连续监测的分布式光纤智能温度测控装置，其特征在于，温度控制装置还包括滤波单元，用于稳定电源单元的输出。

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