基于ZigBee技术的气体阀门泄漏检测系统.pdf

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石油和化工设备
52-口技术交流
2013年第16卷
基于 Zigbee技术的气体阀门泄漏检测系统
管士涛,陈均伟
(国家知识产权局专利局专利协作广东中心,广东广州510530
摘要]介绍了一种基于 Zig Bee技术的气体门泄漏检测系统,使用 Zigbeed技术可实现对流程工业中气体阀门泄漏情况的
检测,同时可有效地控制检测系统的成本。
[关键词] Zigbee;气体阀门;泄漏;检测系统;应用
目前,在工业生产和社会生活中大量使用着阀门泄漏的位置,并且及时进行补漏,对于节约
储存和输送各种介质的管道,连接和控制这些管能源、降低成本、提高企业的经济效率,具有重
道中介质运动的是各种各样的阀门,如石油、天大意义。
然气的采集,炼油、石化、化工等流程工业中各1气体阀门泄漏检測系统的构建
种管道和储油罐、储气罐上的卸压阀、隔离阀、
旁通阀以及工厂中蒸汽管道中的疏水阀等。阀门
是工业自动控制系统及安全防护系统的核心执行
元件,被称为石化工业的“咽喉”。阀门的性能
和状态不仅影响着石化工业生产过程的质量和安
全,而且对企业的能源效率产生较大影响。阀门
一般安装在人员不易到达或难以触及的地方(如
储罐或反应罐顶部的卸压阀),往往要用特殊装
置和采取安全措施进行现场检査。通常方法是定
期将卸压阀拆下,取回车问,用专门的设备进行
检测和试验。在未发生任何泄漏事件时,规定5年
图1气体阀门泄漏检測系统布置图
对卸压阀检査一次。在例行检査中约有30%的卸压
阀存在某种程度的泄漏,已超过允许值,其中约
有10%泄漏严重,成为产品泄漏和污染的主要来
源
Z7 igbeeh技术是一种近距离、低复杂度、低功
关
耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要
用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子
设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数
据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
图2气体阀门泄漏检泗系统结枃框图
Zig Bee是一种高可靠的无线数传网络,类似于
CDMA和GSM网络。 Zigbee?数传模块类似于移动
气体阀门泄漏检测系统的布置如图1所示,气
劇络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几体阍门泄漏檢測系统结构框如图2所示。该系统包
千米,并且支持无限扩展。
括无线压力变送器5、表贴式无线温度变送器6、
本文针对现有储存和输送压缩气体管道的无线超声泄漏传感器7和无线网关3和计算机4,无
阀门需要预见性检测的问题,提出了一种基于
Zig Bee无线传输技术的气体阀门泄漏检测系统
作者简介:管士涛(1980-),男,山东梁山人,本科学历,在
国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心工作,专业研究方向
通过 Zigbee无线传感器网络的布置可准确地判断为计量测试、控制技术
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第10期
管士涛等基于 Zigbee技术的气体阀门泄漏检测系统
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线压力变送器5安装于管道2上,靠近被测阀门1,能量主要分布在10kHz~50kHz之间,并且超声信
表贴式无线温度变送器6安装在管道2靠近阀门1号在40kHz时的漏气超声波能量比较大,而且漏气
处,无线超声泄漏传感器7安装在阀门1旁側,各声和本底噪声能量差值最大。因此,可以将40kHz
传感器采集的现场信息通过 zigbee网络与无线网关作为阀门泄漏产生超声信号的中心频率,通过检
3连接,网关3通过有线方式与计算机4通信,计算测中心频率附近超声信号的强度,确定阀门是否
机4上的分析软件通过这些数据分析判断阀门1的存在漏点。其超声传感器利用以上方式检测并采
泄漏情况。
集阀门气体泄漏时产生的超声信号,通过 zigbee h?
无线压力变送器安装在管道两侧,电池供电络上传至无线网关。
免维护。该部分利用压力分布法进行检测。在管
无线网关接收各类无线传感器上传的信号,
道沿线的各个截断阀处,分别设置无线压力传感通过有线方式将处理打包后的数据上传至计算
器作为无线检测系统的输入并同时采集压力信号机。计算机安装了分析软件,通过获得的压力曲
汇总后构成该管道整体压力的分布图,最后依据线的变化特征、温度曲线的变化特征、超声泄漏
压力曲线的变化特征确定泄漏位置和泄漏程度
特征曲线的变化特征,来综合分析阀门泄漏情
由于地理环境和气候的变化以及管道支线的增况,包括是否泄漏,泄漏量的大小,并作出相应
多,可能出现异常的曲线变化而出现误操作的情的综合分析曲线,并将数椐存储。
况,但使用无线压力传感器可实时对相应变化作
2 Zig Beep网络的建立方法
出相应的检测点的调整,从而增加检测的准确性
和灵活性。无线压力变送器采集气体阀门两侧管
Z7 ig Beel网络单元中含有网络路由器、网络协
路的压力变化信号,通过zgbe网络上传至无线网调器、终端接收器三类设备。 Zigbee网络路由器
关
最复杂,它包含所有的网络消息,存储容量最
大、计算能力最强,并且具有发送网络信标、
表贴式无线温度变送器安装在管道幕阀门建立网络、管理网络节点、存储网络节点信息、
侧,电池供电免维护。其温度传感器表贴于管道
寻找一对节点间的路由消息、连续接收信息等功
上。该部分利用温度检测法进行检测,主要适用能。 Zigbee网络协调器可以担任网络协调者,形
在流体的温度比环境温度显著高或显著低的地成网络。如果其具备控制器的功能,还可提供信
方,用表面安装的温度传感器作为无线检測系统息双向传输。它附带由标准指定的全部802.15.4功
的输入。例如蒸汽泄漏时,排出的蒸汽会使温度能和所有特征。此外, Zigbee网络协调器拥有更
上升较多,若是致冷液体泄漏会使温度显著下强的存储、计算功能,可以使其在空闲时起网络
降,均可用管夹头固定表面安装的热电阻或热电路由器作用,还能做为终端设备使用。最后,还
偶,测量可能发生泄漏的卸压阀和隔离阀的温
包括专用的终端设备。在整个检测过程中,传感
度,从而推断泄漏的程度。无线温度变送器检测
器节点自动调节信息的采集频率和信息采集量,
并采集管道温度的变化值,通过 zigbee网络上传至
由无线传输模块对信号进行简单处理后,通过
无线网关
Z7 ig Beef模块传输给网关模块并最终将数据传输至
无线超声泄漏传感器安装在阀门旁侧,电池控制计算机
供电免维护。该部分利用超声泄漏检测法进行检
测。如果网门出现漏点,气体会从漏孔冲出,当块,采用CC2430模块的核心芯片CC2430结合
Chipcon公司全球先进的 Zig Beet协议栈工具包和
湍流。湍流在漏孔附近产生一定频率的声波,声
波振动的频率与漏孔的大小有关。漏孔较大时,
参考设计,该芯片具有如下特点:高性能、低功
人耳可听到漏气声;漏孔很小且声波频率高于
耗;集成标准无线电收发机;抗干扰性强、灵敏
度高;外部的中断或RTC能唤醒系统;具有电池
20kHz时,人耳无法听到,但它们在空气中传播,
监测和温度感测功能;集成了14位模数转换的
这种传播被称作空载超声波。超声波是高频短波ADC;集成AES安全协处理器,非常适合石化工
信号,其强度随着离开声源(漏孔)距离的增加
业使用。另外2.4GH