压电式动态压力变送器及其在管道泄漏检测中的应用研究

摘要

石油管道泄漏检测技术能够迅速准确地对管道泄漏进行检测和定位，从而预防和打击原油偷盗行为，减少巡线工作中人力、物力的浪费。随着新型高精度、高灵敏度传感器和高速微处理器的发展，采用动态压力变送器的管道泄漏检测方法具有更大的应用前景。 本文研究利用动态压力变送器进行管道泄漏信号检测，通过对动态压力信号的功率谱、信号能量和幅值三种特征量的分析，探索迅速可靠有效的泄漏信号检测技术。 本文研制了适用于石油输送管道泄漏检测的动态压力变送器。该动态压力变送器采用压电式动态压力传感器来实现管道泄漏信号探测；利用嵌入式技术，以MSP430微处理器为核心的嵌入式系统完成信号采集、数据分析与处理；并通过RS-485串行总线通讯接口，实现了与石油输送管道泄漏检测系统的远程数字化通讯。 实验研究表明，所研制的动态压力变送器原理正确可行，具有较高的检测精度，能适应现场复杂环境，能够实现管道泄漏检测的各种设计功能，很好地满足了石油管道自动化管理的要求。

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第一章绪论

1.1管道运输的发展状况和面临的问题

1.2国内外管道泄漏检测技术的发展及现状

1.2.1基于硬件的管道泄漏检测方法

1.2.2基于模型的管道泄漏检测方法

1.2.3基于信号的管道泄漏检测方法

1.2.4其他的方法

1.3本课题研究的意义和创新点

1.3.1本课题的意义

1.3.2本课题的创新点

第二章石油输送管道泄漏检测与定位方法研究

2.1泄漏检测原理及定位公式

2.1.1泄漏检测原理

2.1.2泄漏定位准确的关键

2.2时间差对定位准确的影响

2.2.1 GPS校正首、末端计算机系统的时间

2.2.2首末站压力变送器的动态响应时间差

2.3管道输送介质温降分析

2.4输送管道负压波的传播速度

2.5沿管程传播速度变化的负压波定位方法

第三章动态压力变送器的硬件设计

3.1系统整体设计方案

3.2传感器模块的设计

3.2.1晶体的压电效应

3.2.2常见的压电材料及其特性

3.2.3压电传感器的测量原理

3.2.4压电传感器的结构

3.3模拟信号调理模块的设计

3.3.1压电传感器的等效电路

3.3.2压电传感器对信号调理电路的要求

3.3.3电荷放大器的原理

3.3.4电荷放大器的设计

3.4微控制器模块

3.4.1 MSP430F149的特点

3.4.2基础时钟模块

3.4.3上电复位电路

3.4.4模数转换电路

3.5电源模块的设计

3.6通讯模块的设计

3.7硬件抗干扰设计

第四章动态压力变送器的软件设计

4.1系统软件开发调试环境

4.2 MSP430的指令系统

4.3系统软件流程

4.4系统的初始化

4.5数据采集程序

4.6串行通讯程序

4.7软件抗干扰设计

第五章泄漏检测方法及其应用

5.1管道泄漏信号的多样性特征

5.2基于动态压力信号平滑移动滤波的泄漏信号辨识方法

5.3基于动态压力信号功率谱特征的泄漏信号辨识方法

5.4基于动态压力信号顺序能量比率特征的泄漏信号辨识方法

5.5实验与结果分析

5.6小结

结束语

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者简介和导师简介