專利名稱：用于管道運輸系統(tǒng)地質(zhì)災害遠程監(jiān)控的前沿信號采集儀的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種信號(數(shù)據(jù))采集裝置，尤其涉及一種用于管道運輸系統(tǒng)地質(zhì)災害遠程監(jiān)控的前沿信號采集儀，屬于數(shù)據(jù)采集技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
石油天然氣的管道運輸是我國五大運輸產(chǎn)業(yè)之一，對我國國民經(jīng)濟起著非常重要 的作用，被譽為國民經(jīng)濟的動脈。管道運輸系統(tǒng)擔負著油氣資源的主要輸送任務，由于分布 范圍非常廣闊，沿途區(qū)域自然地理和地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，不可避免地會受到各種地質(zhì)災害 的威脅和侵害。管道事故的發(fā)生不僅導致油氣泄漏、管線停輸，帶來巨大經(jīng)濟損失，還有可 能引發(fā)火災、爆炸等事故，對生命財產(chǎn)、自然環(huán)境和社會安定帶來嚴重后果和惡劣影響。導致油氣管道破裂或斷裂的因素很多，包括第三方破壞、外腐蝕、內(nèi)腐蝕、地質(zhì)災 害、鋼管早期損傷、環(huán)焊縫缺陷、設計缺陷等。地質(zhì)災害是指由于地質(zhì)作用而使地質(zhì)環(huán)境產(chǎn) 生突發(fā)的或漸進的破壞，并造成人類生命財產(chǎn)損失的現(xiàn)象或事件，具有突發(fā)性、多發(fā)性、群 發(fā)性和漸變影響等特點。在長距離管道運輸系統(tǒng)的沿線往往存在很多不良地質(zhì)體，容易引 起各種地質(zhì)災害，如滑坡、崩塌、泥石流、黃土性濕陷、煤礦采空區(qū)塌陷等。這些地質(zhì)災害會 對管道安全造成嚴重威脅，是影響管道安全運行的重要因素之一。用于管道運輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設備有多種。例如在授權(quán)公告號為CN2719867的中 國實用新型專利中，公開了一種埋地管道現(xiàn)場參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)， 其現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器中的微處理器之SCL、SDA端由兩根數(shù)據(jù)總線分別與存儲器、時鐘和雙數(shù) 據(jù)總線接口的SCL、SDA端并接，數(shù)據(jù)表中的微處理器之SCL、SDA端由兩根數(shù)據(jù)總線分別與 存儲器、時鐘的SCL、SDA端并接，現(xiàn)場溫度傳感器輸出接數(shù)據(jù)采集器微處理器輸入端。該系 統(tǒng)可在工作中方便地切換工作模式，直接觀察數(shù)據(jù)采集器工作狀態(tài)，所采數(shù)據(jù)準確性和可 靠性大大提高。又如在公開號為CN1503094的中國發(fā)明專利申請中，公開了一種基于GSM/ GPRS網(wǎng)的石油和天然氣管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)。其中，在石油和天然氣管道干支線上間隔設置 檢測點的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收單元；檢測點的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收單元連接GSM/GPRS數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服 務器，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器通過SGM/GPRS公共移動數(shù)字電信網(wǎng)連接SCADA監(jiān)測監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)主站的接收數(shù)據(jù)與發(fā)送單元，SCADA主站接收數(shù)據(jù)與發(fā)送單元連接SCADA監(jiān)測監(jiān)控及 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主站；SCADA系統(tǒng)主站連接個人化信息接收器。但是，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有針對 管道運輸系統(tǒng)地質(zhì)災害遠程監(jiān)控的需要而專門開發(fā)的數(shù)據(jù)采集設備，因此在適用性方面仍 然存在不足。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于管道運輸系統(tǒng)地質(zhì)災害遠程 監(jiān)控的前沿信號采集儀。該前沿信號采集儀一方面連接多個用于監(jiān)測地質(zhì)參數(shù)的傳感器， 另一方面通過無線收發(fā)模塊等與監(jiān)控中心服務器進行連接，從而組成地質(zhì)災害遠程監(jiān)控系 統(tǒng)。[0006]為實現(xiàn)上述的目的，本實用新型采用下述的技術(shù)方案—種前沿信號采集儀，用在管道運輸系統(tǒng)的地質(zhì)災害遠程監(jiān)控中，其特征在于所述前沿信號采集儀由電源、中央處理器、采集通道控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、光電隔 離繼電器組、串口芯片和頻率模塊組成，所述中央處理器通過所述串口芯片連接所述頻率模塊；所述采集通道控制器一方面連接所述中央處理器，另一方面與所述光電隔離繼電 器組相連接；所述中央處理器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器和所述采集通道控制器之間通過公共數(shù)據(jù)通道 交換數(shù)據(jù)。其中，所述中央處理器通過所述串口芯片連接無線收發(fā)模塊。所述光電隔離繼電器組分別連接兩類傳感器弦式傳感器和電壓信號傳感器；所 述弦式傳感器包括應變計、土壓計和水壓計，所述電壓信號傳感器包括測斜儀。所述中央處理器為單片機12C5A60S2。在發(fā)生地質(zhì)災害的過程中，管道應變、土壤壓力、孔隙水壓力、山體變形等參數(shù)會 發(fā)生不同程度的變化。利用本前沿信號采集儀開展遠程監(jiān)測，可以防止或及時發(fā)現(xiàn)、處理災 害，并采取應急措施，實現(xiàn)管道的安全控制，大大提高管道的安全性，減少因地質(zhì)災害對管 道造成的破壞。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的說明。

圖1為本實用新型所提供的前沿信號采集儀的電路原理圖；圖2為本前沿信號采集儀中，頻率模塊的頻譜示意圖；圖3為本前沿信號采集儀中，A/D574接口電路的原理圖；圖4為本前沿信號采集儀中，8255芯片接口電路的原理圖；圖5為本前沿信號采集儀中，驅(qū)動電路的原理圖；圖6為由本前沿信號采集儀參與組成的地質(zhì)災害遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型所提供的前沿信號采集儀主要由電源、CPU(中央處理 器)、采集通道控制器8255、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574、光電隔離繼電器組、串口芯片232和頻率模 塊等部分組成，其主要作用是通過CPU擴展外部接口，控制多路傳感器將傳入的信號進行 采集，處理以及發(fā)送。在圖1所示的實施例中，CPU采用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期 (IT)的單片機12C5A60S2。該單片機是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機， 指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8 12倍。當然，在本前沿信號采集儀采用其它 型號的單片機作為CPU也是可行的。這種替換是本領域一般技術(shù)人員都能掌握的常規(guī)技 術(shù)，在此就不詳細贅述了。在本前沿信號采集儀中，CPU的DO和Dl 口通過串口芯片232(1)連接無線收發(fā)模 塊等，進而連接終端機或PC機；頻譜模塊通過另一塊串口芯片232 (2)連接CPU的B3和B4 口。CPU的D6、D7和C5 口連接采集通道控制器8255，該采集通道控制器8255連接光電隔離繼電器組的A 口、B 口和C 口，而該光電隔離繼電器組分別連接土壓儀、水壓儀、多個測斜儀和多個應變儀等傳感器。CPU、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574和采集通道控制器8255之間通過公共 數(shù)據(jù)通道AO A7交換彼此的數(shù)據(jù)。同時，CPU的D6、D7以及CO C3 口也通過7400芯片 對模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574進行控制。電源模塊分別與CPU和光電隔離繼電器組進行連接，以便 向它們提供電力供應。與本前沿信號采集儀連接的傳感器主要有兩類弦式傳感器和電壓信號傳感器。 其中弦式傳感器包括應變計、土壓計和水壓計，它們向前沿信號采集儀傳入頻率信號；電壓 信號傳感器包括測斜儀，用于傳入電壓信號。頻率模塊外接于CPU采集部分的接口 B3和B4。弦式傳感器需要由頻率模塊向傳 感器發(fā)送激振信號源，并且采集由傳感器發(fā)送出來的反饋信號，進行放大處理，向前沿信號 采集儀提供頻率信號。前沿信號采集儀將信號引入CPU的定時器/計數(shù)器引腳中進行頻率 計算。在這個過程中，將引入的頻率信號同時輸入到中斷0的管腳和定時器1的管腳，但是 由于互相干擾導致CPU無法正常計數(shù)，為此利用7404芯片將兩者分隔開，并且利用其將信 號做初步處理，使其輸出足夠的電壓供CPU使用。另外，由于頻率模塊發(fā)出的頻率信號是帶 有周期性的間歇信號，在開機過程中還有系統(tǒng)初始化的過程，因此為了確定前沿信號采集 儀需要采集的信號段，發(fā)明人做了大量的實驗來研究采集的時序、算法，并利用時間對波數(shù) 的頻譜圖來研究其規(guī)律。如圖2所示，其中橫坐標為時間，縱坐標為波數(shù)，圖中的點表示每 經(jīng)過50ms所采集到的波數(shù)。由圖2可知，橫坐標的前40刻度表示系統(tǒng)初始化過程，之后每 經(jīng)過約40刻度即2秒波形重復一次。經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，本前沿信號采集儀采集時，穩(wěn) 定的信號有約1秒的時間，由此可以初步確定采集頻率的時序和程序流程。下面介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D 574與CPU的接口調(diào)試電路。該接口調(diào)試電路如圖3所 示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D 574用來處理傾斜儀傳入的+/-5v電壓信號，將其轉(zhuǎn)換成為12位數(shù)字 量輸出°接下來介紹采集通道控制器8255與CPU的接口調(diào)試電路。該接口調(diào)試電路如圖4 所示，首先根據(jù)標準電路，使其與CPU建立硬件連接，然后將下位機軟件的編寫與硬件相結(jié) 合以確保8255芯片的正常工作。最后介紹驅(qū)動電路的設計與調(diào)試。如圖5所示，驅(qū)動電路采取光耦控制三極管的 方式控制繼電器的開合。8255芯片管腳傳出的信號先通過光耦達到光電隔離的效果以保護 芯片，再由光耦控制三極管達到控制繼電器的效果。此處采用兩級驅(qū)動主要是考慮到光耦 無法直接控制12v繼電器，但又需要保護芯片不受電流沖擊，因此必須加入光耦。三極管可 以直接控制繼電器，因而將其作為二級驅(qū)動。圖6顯示了由本前沿信號采集儀參與組成的一個地質(zhì)災害遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在該地 質(zhì)災害遠程監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測地點的實際情況，考慮到監(jiān)測的實時性和便捷性，采用分布 式的設計，在監(jiān)測現(xiàn)場就將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過網(wǎng)絡方式將數(shù)字信號傳輸?shù)接?算機。由于數(shù)字信號抗干擾能力強，而且可以采用總線方式進行傳輸，使得系統(tǒng)布線容易， 易于擴展，抗干擾能力強。由于監(jiān)測地點多數(shù)地處偏遠山區(qū)，布線成本較高，難度較大，因 此，選擇用無線傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心?；谶@種思路，該地質(zhì)災害遠程監(jiān) 控系統(tǒng)主要由以下五個部分組成，分別是前沿信號采集儀、無線收發(fā)模塊、移動通信網(wǎng)絡、 監(jiān)控中心服務器以及上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)。其中前沿信號采集儀一方面連接多個用于監(jiān)測地質(zhì)參數(shù)的傳感器，另一方面連接無線收發(fā)模塊。該無線收發(fā)模塊利用GPRS/CDMA協(xié)議接 入移動通信網(wǎng)絡，進而通過Internet與監(jiān)控中心服務器進行連接。在監(jiān)控中心服務器中安 裝有上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)。前沿信號采集儀將傳感器采集到的信號進行處理、加工，最終由 無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡和Internet發(fā)送到監(jiān)控中心服務器上，由監(jiān)控中 心服務器的上位機監(jiān)控軟件將采集到的數(shù)據(jù)，通過協(xié)議解析取到所需要的信息，在監(jiān)控軟 件中將信息進行處理、存儲、顯示等操作，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測輸氣管道服役狀況的功能，達 到保護輸氣管道的目的。 上面對本前沿信號采集儀進行了詳細的說明。對本領域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本實用新型實質(zhì)精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構(gòu)成對本實用 新型專利權(quán)的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權(quán)利要求一種前沿信號采集儀，用在管道運輸系統(tǒng)的地質(zhì)災害遠程監(jiān)控中，其特征在于所述前沿信號采集儀由電源、中央處理器、采集通道控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、光電隔離繼電器組、串口芯片和頻率模塊組成，所述中央處理器通過所述串口芯片連接所述頻率模塊；所述采集通道控制器一方面連接所述中央處理器，另一方面與所述光電隔離繼電器組相連接；所述中央處理器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器和所述采集通道控制器之間通過公共數(shù)據(jù)通道交換數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的前沿信號采集儀，其特征在于 所述中央處理器通過所述串口芯片連接無線收發(fā)模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的前沿信號采集儀，其特征在于 所述光電隔離繼電器組分別連接兩類傳感器弦式傳感器和電壓信號傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的前沿信號采集儀，其特征在于 所述弦式傳感器包括應變計、土壓計和水壓計。
5.如權(quán)利要求3所述的前沿信號采集儀，其特征在于 所述電壓信號傳感器包括測斜儀。
6.如權(quán)利要求1所述的前沿信號采集儀，其特征在于 所述中央處理器為單片機12C5A60S2。
專利摘要本實用新型公開了一種前沿信號采集儀，用在管道運輸系統(tǒng)的地質(zhì)災害遠程監(jiān)控中。該前沿信號采集儀由電源、中央處理器、采集通道控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、光電隔離繼電器組、串口芯片和頻率模塊組成，中央處理器通過串口芯片連接頻率模塊；采集通道控制器一方面連接中央處理器，另一方面與光電隔離繼電器組相連接；中央處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和采集通道控制器之間通過公共數(shù)據(jù)通道交換數(shù)據(jù)。利用本前沿信號采集儀開展遠程監(jiān)測，可以防止或及時發(fā)現(xiàn)、處理災害，并采取應急措施，實現(xiàn)管道的安全控制，大大提高管道的安全性，減少因地質(zhì)災害對管道造成的破壞。
文檔編號G01V1/22GK201562054SQ20092022232
公開日2010年8月25日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者周永濤, 王聯(lián)偉, 董紹華, 費凡, 韓忠晨 申請人:中石油北京天然氣管道有限公司