專利名稱：低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種用于監測高寒凍土地區埋地長輸油氣管道陰極保護電位、管壁及管道周圍土壤溫度等參數的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，涉及金屬材料的一般防蝕、溫度的測量、測量電變量和管道系統技術領域。
背景技術：
隨著我國能源需求的迅速增加，管道建設也經歷著跨越式發展。截止2011年底，我國已建油氣管道總長度已接近10萬公里，形成了縱貫南北、橫跨東西、連通國外的油氣管網格局。隨著能源輸送量的迅速增加和社會關注度的不斷提高，管道安全運行工藝參數能否正常管道運行方是最為關注的問題之一。在管道干線眾多運行參數中，陰極保護運行參數和管道工藝輸送參數尤為重要。具體來講，管道直流和交流電位可作為評判管道陰極保護系統是否有效運行和管道受外界雜散電流干擾程度的重要指標；管道沿線的管壁溫度和周圍土壤環境溫度則對原油(特別是高粘易凝原油)的低成本安全運行工藝具有重要的參考價值。目前為止，管道的陰極保護運行參數運行的采集通常采用人工到管道測試樁定期采集，再匯總上報。這不可避免地存在采集工作效率低，勞動強度大，數據量少且可靠性不足，不能連續采集等弊端。尤其在東北、青藏高原等高寒凍土區，冬天工作環境惡劣，更無法保證定期獲得管道相關參數，這為管道安全運行帶來隱患。對于原油輸送溫度的采集，目前國內常用的主要有兩種方法1)在進出站兩端進行測量，管道沿線溫度依靠計算和經驗進行估計；2)野外開挖測量。除此之外，尚無其它可靠管道沿線原位溫度檢測手段。但結合現場實際可知，以上兩種方法工作量大，精度低，自動化程度較差。加之高寒凍土區氣候惡劣，施工期短，很難獲得可靠地沿管線溫度數據參數，不利于對管道沿線溫度動態的掌握和節能運行目標。針對上述不足，國內已開展了采用無線傳輸技術的研究，如劉明輝等(劉明輝，李志勇等，油氣儲運，長輸管道陰極保護參數自動采集系統，200524 (2)50-53)提出應用無線傳輸技術可實現長輸管道陰極保護參數自動采集，這使得采集效率和數據的精度也大大提高，但相對于有線傳輸技術，無線傳輸技術仍存在設備多且復雜的缺點，尤其在衛星信號較弱的高寒凍土區，傳輸可靠性仍難以保證。此外，已授權專利“埋地管道現場參數采集系統”(授權號ZL200420066793. 9)針對無線傳輸存在的不足，開發研制一套通過有線傳輸的埋地管道陰極保護現場采集系統，可實現對溫度及管地直流電位的采集合存儲，但無法實現對交流電壓的測量。此外，由于設備所采用的電子元件抗低溫性能較弱，因此在高寒凍土區仍難以直接應用。

實用新型內容本實用新型的目的是設計一種在設定的工作模式下對高寒區缺乏通訊信號的區域實現管道運行參數監測和采集并傳輸可靠的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統。[0008]本實用新型的技術方案如下本自動監測系統組成如圖1所示，由數據采集器、便攜式數據表、上位機PC組成。數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線連接，進行參數設置和數據傳輸；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC連接，進行數據傳輸。所述數據采集器安裝于管道沿線陰極保護測試樁中，可按照設定模式(每分鐘，每小時或者每天進行參數采集)定時測量并存儲管道現場參數；數據采集器(見圖1)包含由一個為數據采集器供電的大容量鋰電池、微處理器、溫度傳感器、A/d轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口、傳輸接口 ；管道及參比電極接交直流電壓采樣，交直流電壓采樣輸出依次串接運放電路、A/D轉換電路，A/D轉換電路輸出接微處理器輸入；溫度傳感器輸出接微處理器輸入；微處理器有存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口 ；數據表與雙數據總線接口連接；電池接微處理器、溫度傳感器、A/D轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘，為它們供電；數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線進行參數設置和數據傳輸；其中數據采集器的電源電路如圖4-1所示，主要由U2、U13組成；其中，U2選用型號為ICL7660的小功率極性反轉電源轉換器；U13選用型號為MAX1797的DC-DC轉換器I2C升壓芯片，可將電壓由3. 7V升至5V ；+3. 7V直流電的正極并聯電容CO后接U13的8腳，8腳與6腳之間接電感L0，U13的2腳和5腳接地，7腳到地并接電容Cl和電容C2后接U2的8腳，U2的2腳和4腳之間接電容C3, 5腳到地之間接電容C4;U2的8腳輸出+5V, U2的5腳輸出-5V;數據采集器的微處理器電路如圖4-2所示，主要由Ul組成，Ul選用型號為ATMEGA16L的單片機，內存為16K;U1的5腳接DC3. 7V,同時DC3. 7V經電阻R25后接4腳，6腳和7腳經電容C18接地，7腳和8腳之間并接晶振XI，并晶振Xl的兩端各接一電容C18和電容C19到地，9腳接I3DOl的2腳；27腳經電容C21接地，并經電感LI接DC3. 7V; 29腳接U12的2腳；數據采集器的存儲器及時鐘部分的電路如圖4-3所示，主要由U10、U11組成；U10選用型號PCF8563的含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，UlI選用型號為Atmel公司生產的AT24C1024的大容量串行EEPROM，其容量為128KB;其中DC3. 7V接Ull的2腳和8腳，4腳和7腳接地，5腳和6腳分別接PCO和PCI ;DC3. 7V經電阻R24接UlO的5腳，經電阻R23接UlO的6腳；U10的I腳經電容C15接地，2腳經晶振X2和電容C15串聯后接地；3腳接PB2, 4腳接地;DC3. 7V經電阻R22接PB2, DC3. 7V接8腳，DC3. 7V經電容C16和電容C17接地；數據采集器的交流電位測量部分的電路如圖4-4所示，主要由03和U3組成；03為2組型號為G3VM_352C的光耦繼電器，U3選用型號為AD736的AC/DC轉換器；微處理器Ul 的 PD2、PD3、PD4、PD5 分別經電阻 R2、R3、R4、R5 接 03 的 I 腳、3 腳、5 腳、7 腳，03 的 2腳、4腳、6腳、8腳接地；AC經電容C5后接16腳，16腳和14腳之間接電阻R6，14腳和12腳之間接電阻R7，12腳和10腳之間接電阻R8，10腳經電阻R9接地;9腳、11腳、13腳、15腳連接后經電阻RlO到U3的2腳，+5V經二極管Dl接2腳，-5V經二極管D2接2腳；U3的I腳經電容C18接地，8腳接地，3腳經電容C8接6腳并接PA6，4腳接-5V，-5V經電容C7接地；U3的5腳經電容C9接-5V，6腳接PA6，7腳經電容C6接地；數據采集器的直流電位測量部分的電路如圖4-5所示，主要由04、U7、U8和U9組成；04選型號為PS2501-2的光電耦合隔離器，U7和U8均選工業級且型號為LM258的運算放大器，U9選用型號為TCL393的過零比較器；AC經電阻Rll和電阻R12串聯后接U7的3腳，且在電阻Rll和電阻R12之間由電容Cll接地，3腳經電容C12接地；I腳和2腳經電阻R13和電阻R14串聯后接U7的5腳，且電阻R13和電阻R14之間由電容C13接地，5腳經電容C14接地；4腳接-5V，8腳接+5V; 6腳和7腳相接后一路經電阻R15接U8的2腳，U8的I腳和2腳之間接電阻R16, I腳接04的8腳，U8的3腳接地，4腳接-5V, 7腳接04的6腳，04的5腳和7腳接PA5，2腳和4腳接地，I腳經電阻R17接PC6，3腳經電阻R18接PC7;U7的6腳和7腳相接后另一路經電阻R19后再接并聯到地的電阻R23、二極管D3、二極管D4到U9的3腳；U9的I腳接TO6，2腳和4腳接地，8腳接+5V;數據采集器的溫度測量及LED閃燈部分的電路如圖4-6所示，溫度傳感器選用的型號為18B20，其中I引腳接+5V，2引腳接PB6，3引腳接地;PB7經串聯的電阻R27和LED接地;18B20的3腳接+5V, 2腳接PB6, 2腳和3腳之間接電阻R21, I腳接DGND, DGND經電阻ZO接地;數據采集器的光耦通斷部分的電路如圖4-7所示，主要由型號為PVA3354光耦通斷02組成;02的I腳經電阻RO接+5V, 2腳接地，4腳與2腳接AC的I腳和2腳，3腳接AC;數據采集器的JTAG和USB接口部分的電路如圖4-8所示，JTAG接口的I腳接DC 3. 7V, 2腳-5腳分別接PC2-PC5, 6腳接地;USB的I腳接DC 3. 7V, 2腳、3腳分別接PCO、PCl, 4腳接地；數據采集器的溫度測量及LED閃燈部分的電路如圖4-6所示，主要由18B20組成;PB7經串聯的電阻R27和LED接地;18B20的3腳接+5V, 2腳接PB6, 2腳和3腳之間接電阻R21，I腳接DGND, DGND經電阻Z O接地；所述便攜式數據表由管道巡線人員攜帶，定期到管道測試樁讀取數據采集器中的儲存的現場數據，并將這些數據傳輸至上位機軟件中。由圖2可以看到，數據表由一個為數據表供電的電池、微處理器、按鍵輸入、IXD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘、RSS232串行通訊電路、MAX232串行通訊接口和數據總線、傳輸接口組成。接PC機輸出的MAX232串行通訊接口輸出接RSS232串行通訊電路，RSS232串行通訊電路輸出接微處理器輸入；微處理器有按鍵輸入、LCD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口 ；雙數據總線接口接數據采器；電池接按鍵輸入、IXD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘，為它們供電；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC軟件進行數據傳輸；其中便攜式數據表的電源部分電路原理圖如圖5-1所示，主要包括型號為AMSl 117的穩壓器U0;BAT14. 5V為數據表提供電源，UO正極接地，負極經開關SO接UO的3腳，UO的2腳接3. 3V, I腳接地；便攜式數據表的時鐘部分電路原理圖如圖5-2所示，主要包括U2;U2選用型號為DS1302的時鐘芯片。U2的I腳接VCC,并與地之間接電容C6, 2腳與3腳之間接晶振X2, 4腳接地，8腳接NK，7-5腳分別接PB1-PB3;便攜式數據表的IXD顯示部分電路原理圖如圖5-3所示，顯示屏由JLX12864G-0088 圖像點陣型模塊構成；PM 的 1-6 腳分別接 PA3、PA2、PA1、PA0、PA4、3. 3V, 7腳和14腳接地，12腳經電容C12接地；8腳和9腳之間接電容CIO，10腳和11腳之間接電容 Cll;便攜式數據表的微處理器部分電路原理圖如圖5-4所示，主要包括Ul和USB;Ul選用32K內存的ATMEGA32芯片；其中，Ul的I腳、2腳、3腳分別接PB5、PB6、PB7，4腳經電阻RlO接VCC，且4腳一經電容C9接地，另一路經開關SI與電阻R9串聯后接地；5腳接VCC, 6腳接地，7腳和8腳分別經電容C8電容C7接地，并7腳和8腳之間接晶振Xl; 9腳、10腳、11腳分別接PBO、PB2、PB3, 12腳、13腳、14腳、19腳、20腳、21腳、22腳分別接PB3、PB4、PB5、PB0、PB1、PB2;23 腳、24 腳、25 腳、26 腳、30 腳、31 腳、32 腳、33 腳分別接 PB4、PB5、PB6、PB7、PB7、PB6、PB5、PB4;34 腳、35 腳、36 腳、37 腳、40 腳、41 腳、42 腳、43 腳、44 腳分別^PA3,PA2,PAUPA0,PB0,PBUPB2,PB3,PB4; 18 腳、28 腳接地，38 腳接 VCC;USB 的 I 腳接VCC, 4腳接地，2腳經電阻Rl接PC0, 3腳經PCl電阻R2接PCl;便攜式數據表的書寫器部分和按鍵輸入部分電路原理圖如圖5-5所示，主要包括C0N6的D-WR和定制的按鍵器BUTTON; WR的I腳、2腳、3腳、4腳、5腳、6腳分別接VCC、PC2、PC3、PC4、PC5、地;BUTTON 的 I 腳、2 腳、3 腳、4 腳、5 腳、6 腳、7 腳、8 腳、9 腳分別接 PB0、PA5、PA6、PA7、PC7、PC6、PD3、PD4、PD5;便攜式數據表的提示音部分電路原理圖如圖5-6所示，主要包括三極管Ql和U4;三極管的集電極接VCC，基極經電阻R20接TO2，發射極經U4接地；Ql選NPN管；便攜式數據表的串口部分電路原理圖如圖5-7所示，主要包括U3和DB9;其中U3選用型號為MAX232的單電源電平轉換芯片，DB9為9芯DB頭塑料殼/USB接口。其中U31腳和3腳之間接電容Cl，4腳和5腳之間接電容C3，2腳經電容C2接16腳，16腳與11腳之間接電容C5，11腳接地，6腳經電容C4接地；7腳和8腳分別接DB9的2腳和3腳，DB9的5腳接地;13腳和14腳相連，9腳和10腳分別接PDO和PDl;便攜式數據表的SD卡存儲部分電路原理圖如圖5-8所示，主要包括8GSD卡；SD卡的I腳一經電阻R6接PB4，二經電阻R3接地；2腳一經電阻R7接PB5，二經電阻R4接地;5腳一經電阻R8接PB7, 二經電阻R5接地;3腳和6腳接地，4腳接3. 3V, 7腳接PB6;所述上位機PC (見圖3)包含PC機COM通訊接口和PC機操作界面；用于接收便攜式數據表中的電位數據,并在PC機上建立相應的數據庫，從而實現對上述電位數據的管理。本發明技術特點1)雙數據總線通訊該系統的技術特點是在數據采集器和便攜式數據表中微處理器采用雙數據總線與各自系統中的存儲器以及數據時鐘進行數據通訊，具體電路參考圖4和圖5。由圖可見，數據采集器的微處理器之SCL、SDA端分別與存儲器、和實時時鐘和數據總線、傳輸接口的SCL、SDA端通過雙數據總線相連；現場溫度傳感器的輸出由導線直接接至微處理器的PB6引腳，交流電壓采樣電路與微處理器的PA6引腳相連，直流電壓采樣電路與微處理器的PA7引腳相連。便攜式數據表的微處理器之SCL、SDA端分別與存儲器和實時時鐘和數據總線、傳輸接口的SCL、SDA端通過雙數據總線相連。數據采集器的雙數據總線接口通過雙股電纜線與數據表中的雙數據接口連接。數據表微處理器的HXK PDl端接RS232串行通訊電路，再通過串行通訊接口與PC機的COM通訊接口相連。2)模式設置簡單為了能在數據表上方便管理人員對采集器工作模式進行設置和切換，按鍵輸入器設有9只按鍵，分別在微處理器的八處引腳(PA5、PA6、PA7、PB0、PC6、PC7、PD3、PD4、PD5)通過SPI總線實現信號傳輸；為了在便攜式數據表上更直觀的觀察到數據采集器的工作模式的設置、切換以及判斷采集器當前的工作狀態是否正常，特設置LCD顯示屏與微處理器的PA0-PA4端用SPI總線相連。為了實現SD存儲器能存儲數據采集器中的數據，需通過SPI總線分別與微處理器的PA0-PA4、PB4-PB7以及PC2-PC5相連。為了簡便、快捷的實現預定的程序，采集器及數據表內的微處理器、存儲器及時鐘采用具有4種以上尋址方式的集成塊。3 )測量供電模塊穩定本采集系統所涉及到的現場參數為溫度、管道交流電位及管地直流電位。由數據采集器電路圖(附圖4)可見，不同參數的采集及數據傳輸相對獨立，使得系統的可靠性顯著提高。其中，溫度參數是由溫度傳感器與采集器微處理器直接相連，這是因為選用的數字式的溫度傳感器可直接產生數字信號直接送入微處理器。此外，管道交、直流電位的測量是由系統外的管道和參比電極與電壓采樣模塊相連，采集的信號經運放電路和A/D轉換由導線直接接到微處理器輸入端。數據采集器鋰電池與微處理器、數字溫度傳感器、A/D轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘和數據總線、傳輸接口相連并未其供電。便攜式數據表鋰電池與微處理器、按鍵輸入、IXD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘、RSS232串行通訊電路、MAX232串行通訊接口和數據總線、傳輸接口相連并為之供電。本實用新型應用高寒凍土區的埋地長輸油氣管道運行參數自動監測及采集系統，該系統采用耐低溫電子元件，通過有線傳輸方式，實現在設定的工作模式下對高寒區缺乏通訊信號的區域，進行實現管道運行參數監測和采集，解決了現有技術中傳輸可靠性差，設備難以在低溫下正常工作等實際問題。

圖1數據采集器系統框圖圖2便攜式數據表系統框圖圖3上位機軟件系統框圖圖4-1數據采集器電源部分電路原理圖圖4-2數據采集器微處理器部分電路原理圖圖4-3數據采集器存儲器及時鐘部分電路原理圖圖4-4數據采集器交流電位測量部分電路原理圖圖4-5數據采集器直流電位測量部分電路原理圖圖4-6數據采集器溫度測量及LED閃燈部分電路原理圖圖4-7數據采集器光耦通斷部分電路原理圖圖4-8數據采集器JTAG和USB接口部分電路原理圖圖5-1便攜式數據表電源部分電路原理圖圖5-2便攜式數據表時鐘部分電路原理圖[0052]圖5-3便攜式數據表IXD顯示部分電路原理圖圖5-4便攜式數據表微處理器部分電路原理圖圖5-5便攜式數據表燒寫器和按鍵輸入部分電路原理圖圖5-6便攜式數據表提示音部分電路原理圖圖5-7便攜式數據表串口部分電路原理圖圖5-8便攜式數據表SD卡存儲部分電路原理圖
具體實施方式
實施例.本自動監測系統組成如圖1所示，由數據采集器、便攜式數據表、上位機PC組成。數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線連接，進行參數設置和數據傳輸；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC連接，進行數 據傳輸。所述數據采集器安裝于管道沿線陰極保護測試樁中，可按照設定模式(每分鐘，每小時或者每天進行參數采集)定時測量并存儲管道現場參數；數據采集器(見圖1)包含由一個為數據采集器供電的大容量鋰電池、微處理器、溫度傳感器、A/D轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口、傳輸接口 ；管道及參比電極接交直流電壓采樣，交直流電壓采樣輸出依次串接運放電路、A/D轉換電路，A/D轉換電路輸出接微處理器輸入；溫度傳感器輸出接微處理器輸入；微處理器有存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口 ；數據表與雙數據總線接口連接；電池接微處理器、溫度傳感器、A/D轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘，為它們供電；數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線進行參數設置和數據傳輸；所述便攜式數據表由管道巡線人員攜帶，定期到管道測試樁讀取數據采集器中的儲存的現場數據，并將這些數據傳輸至上位機軟件中。由圖2可以看到，數據表由一個為數據表供電的電池、微處理器、按鍵輸入、IXD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘、RSS232串行通訊電路、MAX232串行通訊接口和數據總線、傳輸接口組成。接PC機輸出的MAX232串行通訊接口輸出接RSS232串行通訊電路，RSS232串行通訊電路輸出接微處理器輸入；微處理器有按鍵輸入、LCD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口 ；雙數據總線接口接數據采器；電池接按鍵輸入、IXD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘，為它們供電；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC軟件進行數據傳輸；所述上位機PC(見圖3)包含PC機COM通訊接口和PC機操作界面；用于接收便攜式數據表中的電位數據,并在PC機上建立相應的數據庫，從而實現對上述電位數據的管理。1.數據采集器1.1數據采集器技術指標數據采集器安裝于沿線測試樁中用于測量和存儲管道陰極保護電位和溫度，其主要技術指標如下 適用溫度范圍一40°C -+80°C (設計指標)·電位測量范圍+2. 5V—2. 5V·電位測量精度土 IOmV[0068] 交流電壓測量范圍0-100V 交流電壓測量精度0.1V 溫度傳感器(測數據采集器環境溫度) 數據存儲量大于5760 (I分鐘4條，I天的記錄量)條數據記錄 換一次電池連續工作時間大于5年(日模式)籲休眠期電耗小于5 μ A 工作期電耗小于15mA 采用120mmX55mmX33mm防水模具，外面加涂防水膠等措施保證能夠正常使用。 適于低溫環境下埋地安裝的數據采集器模具及數據傳輸方案1. 2.硬件系統設計I)單片機選用Atmel公司低功耗Atmegal6L單片機，工作電壓為2. 7V-5. 5V，內部16K字節的可編程flash。單片機Atmegal6L的PB2腳通過上位電阻與時鐘PCF8563的INT腳相連。當PCF8563的INT腳輸出一 個低電平脈沖時，單片機Atmegal6L通過PB2低電平脈沖中斷被喚醒。單片機Atmegal6L被喚醒后，由休眠狀態轉為測量狀態，進行一次陰極保護電位測量并將數據存儲，然后再次進入休眠狀態。2)電源系統設計數據采集器采用三洋18650鋰電池作為電源，電池電壓3. 7V，容量為2600mA. h。數據采集器供電系統分為兩部分，數據處理部分供電系統，數據采樣部分供電系統。兩部分分別采用一節工作電壓為3. 7V的鋰電池供電。數據處理部分包括Atmegal6L單片機、AT24C1024存儲器及PCF8563時鐘。數據采集器的工作狀態分為兩種，一種為休眠狀態，一種為測量狀態。休眠狀態下僅數據處理部分供電系統工作，數據采樣部分供電系統關閉。測量狀態下數據處理部分供電系統和數據采樣部分供電系統共同工作。3)系統數據總線數據采集器單片機ATMEGA16L與其外圍元件存儲器AT24C1024及時鐘PCF8563通訊均采用雙數據總線。存儲器AT24C1024寫地址為A4、讀地址為A5 ;時鐘PCF8563寫地址為A2、讀地址為A3。采集器雙數據總線與便攜式數據表連接，以便于便攜式數據表讀取或者修改存儲器AT24C1024及時鐘PCF8563中的數據。4)數據采集器存儲器數據采集器用存儲器采用AT24C1024，工作電壓范圍為2. 7-5. 5V。存儲器通過雙數據總線總線與數據采集器單片機ATMEGA16L及便攜式數據表單片機ATMEGA32L通訊。存儲器AT24C1024數據地址范圍為0X00000-0X1FFFF。AT24C1024的前16字節的地址用來存儲數據采集器ID等相關信息，從第17個地址字節開始存儲電壓溫度等數據。存儲器前16個地址字節所存儲信息的意義如下Al A2 BI B2 Cl C200 03 49 44 00 01 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 Al、A2表示當前在存儲芯片內已存儲的數據條數，數據格式為十六進制。[0092]B1、B2分別為英文字母1、D的ASSCI I碼，用來表示采集器的IDCl、C2表示采集器的ID號剩余的10個字節用來以后擴展使用。數據指針由16個字節組成，它們的組成及對應的意義如下所示00 01 11 10 21 18 34 51 01 40 2D 22 75 2B 19 70序號年月日時分秒交流 +/_直流 +/_溫度注在上面的數據指針中，序號表示第幾條數據；正號“ + ”用它的ASSCII碼2B表示，負號用ASSCII碼2D表示5)數據采集器時鐘數據采集器時種采用PCF8563，由一次性鋰電池供電，工作電壓為1. 0-5. 5V。通過I2C總線與數據采集器單片 機ATMEGA16L及便攜式數據表單片機ATMEGA32L通訊。時鐘PCF8563的INT腳通過上拉電阻與單片機ATMEGA16L的PB2腳相連，通過INT腳輸出低電平脈沖可定時喚醒單片機ATMEGA16L。通過對PCF8563寄存器的設置可以實現PCF8563的INT腳低電位脈沖三種不同周期的輸出，進而改變數據采集器采集數據的模式。便攜式數據表可以通過雙數據總線對PCF8563寄存器進行設置，從而改變時鐘PCF8563的脈沖輸出周期，最終改變數據采集器的工作模式。6 )陰極保護電位的電位采樣電路■直流電壓采樣電路陰極保護電位輸入后，首先經過2個二級RC低通濾波，用于濾除交流電壓信號和其他高頻干擾信號，每個二級RC低通濾波后面跟一個電壓跟隨器電路進行隔離。其工作過程大致如下管道電壓經濾波調理處理之后，首先經一個過零比較器，判斷直流電壓的正負極性，然后過零比較器的輸出端接微處理器的PD6引腳，根據不同的電壓極性，微處理器通過引腳PC6、PC7控制電壓跟隨器和反向比例放大器的通斷，然后再經A/D轉換，便得到正確的直流電壓。■交流電壓采樣電路本設計中交流電壓測量部分的核心采用2組光耦繼電器G3VM_352C和AD公司的真有效值/直流變換器AD736。光耦繼電器及電路可實現對交流電壓進行自動衰減，以達到A/D變換器的測量范圍0-500mA內。AD736的真有效值直流變換可以直接測得各種波形的真有效值，它不是采用普通萬用表上采用的整流加平均測量技術，而是采用信號平方后再積分的平均技術。AD736的主要特點是準確度高，靈敏性好，測量速率快，頻率特性好，輸入阻抗高，輸出阻抗低。1.3.數據采集器工作流程數據采集器軟件流程如附圖6所示。數據采集器工作流程是系統加電，在滿足測試條件下，系統從休眠狀態下被喚醒，進行管道交直流電位和溫度的測量、讀取時鐘時間并存儲時間和數據，然后按照系統設定的工作模式一直執行下去，反復循環。2.便攜式數據表開發2.1便攜式數據表主要功能及技術指標便攜式數據表由管理人員使用，可用于設置、讀取數據采集器的信息，其主要功能及技術指標如下 可以顯示、設置數據表ID號 可以顯示、設置數據采集器I D號 可以顯示數據表的時間及基本信息 可以顯示數據采集器的時間及基本信息 可以讀取數據采集器中的數據 可以校準數據采集器的時間 可以改變數據采集器的工作模式 可以將數據表中的數據通過串口傳到上位機中 適用溫度范圍-40°C -+60°C (設計指標) 數據存儲量可管理50個數據采集器； 采用135mm X 70mm X 25mm的塑料材質模具； 五號電池供電可連續工作20小時。2. 2硬件系統開發I)單片機數據表單片機選用Atmel公司ATMEGA32L單片機。2)電源系統設計電源采用3節5號電池，穩壓芯片采用AMS1117，為IXD和SD卡提供3. 3V電壓。3)系統數據總線數據表單片機ATMEGA32L與雙數據數據總線與數據采集器連接，以便于便攜式數據表讀取或者修改存儲器AT24C1024及時鐘PCF8563中的數據，便攜式數據表通過雙數據總線僅對AT24C1024和時鐘PCF8563進行操作，不涉及數據采集器單片機ATMEGA16L。4)數據表存儲器數據表SD卡進行數據存儲，工作電壓范圍為2.0-3. 6V;通信電壓范圍為
2.0-3. 6V，在實際應用中通過電阻分壓解決了 SD卡與ATMEGA32L的電平匹配問題。SD卡通過SPI總線與便攜式數據表單片機ATMEGA32L通訊，本設計中沒有涉及SD卡的文件系統制作。5)數據表時鐘數據表用時鐘采用DS1302，工作電壓為2. 0-5. 5V，在2. OV的工作電壓時，工作電流小于300nA。與單片機之間采用簡單的三線連接。6) LCD 顯示屏顯示屏為JLX12864G-0088顯示模塊，可以顯示128列*64行點陣單色圖片，或顯示8個/行X4行16X16點陣的漢字,或顯示16個/行X8行8X8點陣的英文、數字、符號，采用4線SPI串行接口，寬溫范圍為-20-+50°C。由于SD卡與單片機 ATMEGA32L是通過SPI接口連接的，為避免SPI端口復用，本設計中IXD模塊與單片機的接口采用普通I/O 口模擬SPI總線。7)串口便攜式數據表可以采用MAX232芯片與PC機進行串口通訊。8)按鍵系統[0144]本數據表設置了 9個獨立按鍵分別與ATMEGA32L單片機連接。根據目前的需要，配合IXD菜單顯示，這9個鍵分別為復位、校時、模式、讀數、返回、UP、DOWN、Left、Right。2.3.便攜式數據表工作流程便攜式數據表的工作流程是系統加電，用電纜線連接雙數據總線接口于數據采集器總線接口，讀取、顯示數據采集器時間和模式，接受按鍵指令并根據指令進行工作，即對數據采集器時鐘進行校對、讀取數據采集器的數據、進行數據采集器工作模式切換。同時，用電纜將便攜式數據表通訊接口和PC機通訊接口相連后判斷是否接受PC機指令，如接受，則可完成以下指令校對數據表時間，讀取及清空數據表中的數據，如不接受PC機數據傳輸指令，則返回系統上電后的流程。數據表不與采集器相連時，則讀取數據表時鐘并在LCD上顯示時間，或不接受按鍵指令時均可以轉入是否接受PC機指令的判斷。3上位機軟件開發3.1上位機軟件實現的功能本軟件用于處理從現場取回的數據的下位機數據表中讀取數據并對其進行相應的處理，主要包括如下功能 讀取數據表中的數據； 將讀到的數據進行分析保存至數據庫； 將數據打包成 XML和EXCEL文件便于與主機的通信；·將數據導出到WORD模板文件中； 將采集到的電位數據分別按照時間和里程兩種計量方式以曲線圖形的形式呈現出來，可以對圖形進行縮放；還可以對大批數據進行均值和方差計算，便于對比分析； 打印曲線圖形以紙質的形式予以保存。3. 2上位機軟件工作流程當用電纜將便攜式數據表通訊接口和上位機軟件通訊接口連接之后，可對數據表發出接受指令，如果數據表選擇接受，則可完成數據表時間校對、讀取和清空數據表中存儲的現場參數的數據，進而在PC機上對數據進行圖形分析。4 小結綜上可見，本系統可實現如下功能I)數據采集器根據設定模式(分鐘、小時或天)定期進行現場參數(如管道交直流電位及管道周圍環境溫度)的自動測量和存儲；2)通過數據表IXD屏可以觀察采集器工作是否正常；3)通過數據表可以在現場對采集器模式進行設置、切換并可實現對時間的校正；4)通過PC機可實現對數據表的時間進行校正并可實現對數據表內的數據進行讀取和初步分析。本例操作簡單，不同模式間轉換方便，可以定期采取不同模式對管道交直流電位和溫度進行自動采集和存儲。此外，系統采用有線傳輸方式，雖然需要定期到現場采集數據，但較以往人工測量可靠性更高，還解決了無GPS衛星信號地區參數無法傳輸的的問題，較無限傳輸更穩定。本系統結構較為簡單，緊湊，既可以埋在地下也可以放在測試樁內，現場施工方便。此外，本系統采用耐低溫電子元件，最低可耐_40°C以上的低溫，便于高寒地區 管道陰極保護系統的管理和維護。
權利要求1.一種低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是它由數據采集器、便攜式數據表、上位機PC組成；數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線連接；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC連接。
2.根據權利要求1所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是數據采集器安裝于管道沿線陰極保護測試樁中，按照設定模式定時測量并存儲管道現場參數；數據采集器包含由一個為數據采集器供電的大容量鋰電池、微處理器、溫度傳感器、A/D轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口、傳輸接口 ；管道及參比電極接交直流電壓采樣，交直流電壓采樣輸出依次串接運放電路、A/D轉換電路，A/D轉換電路輸出接微處理器輸入；溫度傳感器輸出接微處理器輸入；微處理器有存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口 ；數據表與雙數據總線接口連接；電池接微處理器、溫度傳感器、A/D轉換電路、運放電路、交直流電壓采樣、存儲器、實時時鐘，為它們供電；數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線進行參數設置和數據傳輸。
3.根據權利要求1所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是便攜式數據表由管道巡線人員攜帶，到管道測試樁讀取數據采集器中的儲存的現場數據；數據表由一個為數據表供電的電池、微處理器、按鍵輸入、IXD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘、RSS232串行通訊電路、MAX232串行通訊接口和數據總線、傳輸接口組成；接？(機輸出的MAX232串行通訊接口輸出接RSS232串行通訊電路，RSS232串行通訊電路輸出接微處理器輸入；微處理器有按鍵輸入、LCD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘和雙數據總線接口 ；雙數據總線接口接數據采器；電池接按鍵輸入、LCD顯示屏、SD存儲器、實時時鐘，為它們供電；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC連接。
4.根據權利要求2所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述數據采集器的電源電路主要由U2、U13組成；+3. 7V直流電的正極并聯電容CO后接U13的8腳，8腳與6腳之間接電感LO，U13的2腳和5腳接地，7腳到地并接電容Cl和電容C2后接U2的8腳，U2的2腳和4腳之間接電容C3, 5腳到地之間接電容C4;U2的8腳輸出+5V, U2的 5 腳輸出-5V;U2 選 ICL7660;U13 選 MAX1797。
5.根據權利要求1所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述數據采集器的微處理器電路主要由Ul組成；U1的5腳接DC3. 7V,同時DC3. 7V經電阻R25后接4腳，6腳和7腳經電容C18接地，7腳和8腳之間并接晶振XI，并晶振Xl的兩端各接一電容C18和電容C19到地，9腳接roOl的2腳；27腳經電容C21接地，并經電感LI接DC3. 7V;29 腳接 U12 的 2 腳；Ul 選 ATMEGA16L。
6.根據權利要求2所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述數據采集器的存儲器及時鐘部分的電路主要由Uio、Ull組成；U10選用型號PCF8563的含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，Ull選用型號為AT24C1024的大容量串行EEPROM;DC3. 7V接Ull的2腳和8腳，4腳和7腳接地，5腳和6腳分別接PCO和PC1;DC3. 7V經電阻R24接UlO的5腳，經電阻R23接UlO的6腳；U10的I腳經電容C15接地，2腳經晶振X2和電容C15串聯后接地；3腳接PB2，4腳接地；DC3. 7V經電阻R22接PB2, DC3. 7V接8腳，DC3. 7V經電容C16和電容C17接地。
7.根據權利要求2所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述數據采集器的交流電位測量部分的電路主要由03和U3組成；03為2組型號為G3VM_352C的光耦繼電器，U3選用型號為AD736的AC/DC轉換器；微處理器Ul的PD2、PD3、PD4、PD5分別經電阻R2、R3、R4、R5接03的I腳、3腳、5腳、7腳，03的2腳、4腳、6腳、8腳接地;AC經電容C5后接16腳，16腳和14腳之間接電阻R6，14腳和12腳之間接電阻R7，12腳和10腳之間接電阻R8, 10腳經電阻R9接地;9腳、11腳、13腳、15腳連接后經電阻RlO到U3的2腳，+5V經二極管Dl接2腳，-5V經二極管D2接2腳；U3的I腳經電容C18接地，8腳接地，3腳經電容C8接6腳并接PA6，4腳接-5V，-5V經電容C7接地；U3的5腳經電容C9接-5V，6腳接PA6，7腳經電容C6接地。
8.根據權利要求2所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述數據采集器的直流電位測量部分的電路主要由04、U7、U8和U9組成；04為PS2501-2的光電耦合隔離器，U7和U8為LM258的運算放大器，U9選用型號為TCL393的過零比較器；AC經電阻Rll和電阻R12串聯后接U7的3腳，且在電阻Rll和電阻R12之間由電容Cll接地，3腳經電容C12接地；I腳和2腳經電阻R13和電阻R14串聯后接U7的5腳，且電阻R13和電阻R14之間由電容C13接地，5腳經電容C14接地；4腳接-5V，8腳接+5V; 6腳和7腳相接后一路經電阻R15接U8的2腳，U8的I腳和2腳之間接電阻R16，I腳接04的8腳，U8的3腳接地，4腳接-5V，7腳接04的6腳，04的5腳和7腳接PA5，2腳和4腳接地，I腳經電阻R17接PC6，3腳經電阻R18接PC7;U7的6腳和7腳相接后另一路經電阻R19后再接并聯到地的電阻R23、二極管D3、二極管D4到U9的3腳；U9的I腳接TO6，2腳和4腳接地，8腳接+5V。
9.根據權利要求2所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述數據采集器的光耦通斷部分的電路主要由PVA3354光耦通斷02組成；02的I腳經電阻RO接+5V, 2腳接地，4腳與2腳接AC的I腳和2腳，3腳接AC;數據采集器的JTAG和USB接口部分的電路為:JTAG接口的I腳接DC3. 7V, 2腳-5腳分別接PC2-PC5，6腳接地;USB的I腳接DC3. 7V, 2腳、3腳分別接PCO、PCl, 4腳接地。
10.根據權利要求3所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述便攜式數據表的微處理器部分電路主要包括Ul和USB;Ul為ATMEGA32芯片；其中，Ul的I腳、2腳、3腳分別接PB5、PB6、PB7, 4腳經電阻RlO接VCC,且4腳一經電容C9接地，另一路經開關SI與電阻R9串聯后接地；5腳接VCC，6腳接地，7腳和8腳分別經電容C8電容C7接地，并7腳和8腳之間接晶振XI; 9腳、10腳、11腳分別接PB0、PB2、PB3，12腳、13腳、14 腳、19 腳、20 腳、21 腳、22 腳分別接 PB3、PB4、PB5、PBO、PB1、PB2; 23 腳、24 腳、25 腳、26 腳、30 腳、31 腳、32 腳、33 腳分別接 PB4、PB5、PB6、PB7、PB7、PB6、PB5、PB4; 34 腳、35 腳、36 腳、37 腳、40 腳、41 腳、42 腳、43 腳、44 腳分別接 PA3、PA2、PA1、PAO、PBO、PB1、PB2、PB3、PB4; 18腳、28腳接地，38腳接VCC;USB的I腳接VCC, 4腳接地，2腳經電阻Rl接PC0, 3腳經PCl電阻R2接PC1。
11.根據權利要求3所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述便攜式數據表的串口部分電路主要包括U3和DB9;U3為MAX232的單電源電平轉換芯片，DB9為9芯DB頭塑料殼/USB接口； U3的I腳和3腳之間接電容Cl，4腳和5腳之間接電容C3，2腳經電容C2接16腳，16腳與11腳之間接電容C5，11腳接地，6腳經電容C4接地；7腳和8腳分別接DB9的2腳和3腳，DB9的5腳接地;13腳和14腳相連，9腳和10腳分別接PDO和 PDl。
12.根據權利要求3所述的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，其特征是所述便攜式數據表的SD卡存儲部分電路主要包括8GSD卡；SD的I腳一經電阻R6接PB4，二經電阻R3接地；2腳一經電阻R7接PB5，二經電阻R4接地；5腳一經電阻R8接PB7，二經電阻R5接地;3腳和6腳接地，4腳接3. 3V, 7腳接PB6。
專利摘要本實用新型是一種用于監測高寒凍土地區埋地長輸油氣管道陰極保護電位、管壁及管道周圍土壤溫度參數的低溫型埋地油氣管道參數自動監測系統，涉及金屬材料的一般防蝕、溫度的測量、測量電變量和管道系統技術領域。它由數據采集器、便攜式數據表、上位機PC組成;數據采集器通過雙數據總線接口與便攜式數據表之間通過雙數據總線連接；數據表分別通過雙數據總線和MAX232串行通訊接口與數據采集器和上位機PC連接。本實用新型在設定的工作模式下，對高寒區缺乏通訊信號的區域實現管道運行參數監測和采集，并傳輸可靠。
文檔編號G08C19/00GK202903233SQ201220321900
公開日2013年4月24日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者徐承偉, 薛致遠, 王維斌, 畢武喜, 劉玲莉, 滕延平, 陳洪源, 陳振華, 王禹欽, 姜有文 申請人:中國石油天然氣股份有限公司