[发明专利]一种管道堵塞的定位方法以及装置

权利要求书

1.一种管道堵塞的定位方法，该方法由如下步骤组成：

在待测管道上安装由核心控制板、压缩气泵、次声波传感器、压力传感器、温度传感器、控制声波释放的电磁阀、管口阀、排气阀以及连接管道组成的检测装置；

使用压力传感器采集待测管道内以及连接管道内的压力值，如果压力值大于0.2Mpa，控制检测装置内的排气阀打开释放管道内的气体；

在压力满足要求的条件下，控制所述检测装置的压缩气泵自动打气，每次打气气压为0.7MPa，气量每分钟35L，气体经过所述压缩气泵前孔的次声波发生装置，产生次声波；

检测装置控制电磁阀打开，将产生的次声波释放，控制声波释放的电磁阀处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；

检测装置控制管口阀始终处于打开状态，使得产生的次声波直接进入到待测管道中，直至当待测管道中发生油气倒流现象时，检测装置控制管口阀关闭；

检测装置控制排气阀处于常闭状态，当压力传感器检测到装置或管道中的压力值大于0.2Mpa时，控制排气阀打开以排放气体；

    当次声波信号在管道中传播时，由检测装置的次声波传感器检测发出的声波信号和声波的回值信号；

    检测装置将所获得的次声波信号通过滤波、放大电路后进入DSP微控制器，选用自适应滤波器进行对消噪声处理，采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，通过阈值方法确定堵塞回波到达时刻，结合所计算出的声波速度计算出堵塞位置；

    检测装置通过显示模块实时显示声波曲线，显示计算出的管道堵塞位置与管道口之间的距离。

2.一种用于实施权利要求1中所述方法的管道堵塞定位装置，该装置由核心控制板和机械单元两部分组成，所述机械单元包括压缩气泵（1）、次声波传感器（2）、压力传感器（3）、温度传感器（4）、控制声波释放的电磁阀（5）、管口阀（6）、排气阀（7）以及连接管道（9），在管口阀（6）下端的测试管口连接端（8）上开有用于和管口连接的外螺纹；其中，压缩气泵（1）位于连接管道（9）的始端，压缩气泵（1）的气体出口端通过电磁阀（5）连接在连接管道（9）上；次声波传感器（2）、压力传感器（3）以及温度传感器（4）依次连接在电磁阀（5）之后的连接管道（9）上；排气阀（7）固定在连接管道（9）的末端，管口阀（6）位于连接管道（9）和测试管口连接端（8）之间；

压缩气泵（1）用于自动打气，每次打气气压为0.7mPa，气量每分钟35L，核心控制板上有开关控制声波释放电磁阀（5）开关一次，把气体放到封闭管道容器中；次声波传感器（2）用来检测压缩气泵发出声波和声波回值；压力传感器（3）用于实时监测封闭管道的压力值，确保管道内的压力值小于0.2Mpa；温度传感器（4）用于实时监测封闭管道的温度值；

当压缩气泵产生气体，核心控制板控制控制声波释放的电磁阀（5）打开，将产生的声波释放出，控制声波释放的电磁阀（5）处于常闭状态，以防止管道中油气倒流进入压缩气泵；管口阀（6）处于常开状态，使装置和管道保持联通状态，当有管道中发生油气倒流现象时，核心控制板控制管口阀（6）关闭；排气阀（7）用于排出装置中的气体，排气电磁阀（7）处于常闭状态，压力传感器检测到装置和管道中的压力值大于0.2Mpa时，，核心控制板控制打开排气阀（7），排放气体；

所述核心控制板，包括: 温度采集模块（9）、与温度采集相对应的滤波电路（10）以及放大电路（11）；压力采集模块（12）、与压力采集相对应的滤波电路（13）以及放大电路（14）；次声波采集模块（15）、与次声波采集相对应的滤波电路（16）以及放大电路（17）； TMS320F2812核心处理器（20）、显示模块（22）、供电模块（23）以及外部电路（24）；

温度采集模块（9）接收来自于温度传感器（4）的信号，用于采集管道内部的温度，将采集到的温度信息模拟量，经过滤波电路（10）、放大电路（11）放大后，传给TMS320F2812核心处理器(20)； 

压力采集模块（12）接收来自于压力传感器（3）的信号，用于采集管道内部的压力，将采集到的压力信息模拟量，经过滤波电路（13）滤波、放大电路（14）放大后，传给TMS320F2812核心处理器（20）；

次声波采集模块（15）用于接收来自于次声波传感器（2）的信号，用于采集管道内的次声波；在电磁阀（5）放气的时候，次声波采集模块（15）采集到声波信号，DSP记录下信号采集的时刻                                                ，声波经过管道抵达管道堵塞位置返回，此时，次声波采集模块（15）再次采集到声波信号，DSP再次记录下声波信号采集时刻，声波在管道内传输，从管道口到堵塞位置，后又返回到管道口所经历的时间为；

滤波电路（16）对次声波采集模块（15）采集的声波信号进行滤波，实现滤除噪声、杂音；放大电路（17）对滤波电路（16）输出的信号进行放大处理，放大电路（17）输出的信号输入到TMS320F2812核心处理器（20）；

TMS320F2812核心处理器（20）通过核心控制板分别向压缩气泵（1）输出打气、向控制声波释放的电磁阀（5）输出放气的控制信号，以实现把存储在密封容器内的气体放出；电磁阀（5）、管口导通电磁阀（6）和排气阀（7）的控制信号输入端分别直接连接到TMS320F2812核心处理器（20）的一位I/O引脚上，TMS320F2812核心处理器（20）通过控制I/O引脚的高低电平，控制上述电磁阀的开关；

TMS320F2812核心处理器（20）采用STM320F2812芯片，对温度传感器（9）、压力传感器（12）、次声波传感器（15）采集到的温度信号、压力信号、声波信号进分析、处理、用于反馈调节和智能控制；

显示模块（22）用于显示TMS320F2812核心处理器（20）输出的信息、检测到的压力、温度、声波释放和回值的波形，以及TMS320F2812核心处理器（20）计算出的管道堵塞位置到管口的距离值；

外围电路（24）包括基本电路、晶振电路、复位电路等，为管道堵塞定位装置系统提供系统时钟，来完成STM320F2812的系统定时；

供电模块（23）为TMS320F2812核心处理器（20）供电，为外围电路、显示模块供电；

所述TMS320F2812核心处理器（20）采用STM320F2812芯片，包括：次声波传感器A/D采集控制模块（20-1）、温度传感器A/D采集控制模块（20-2）、压力传感器A/D采集控制模块（20-3）、核心微控制处理器（20-4）、I/O引脚（20-5）、I/O引脚（20-6）、I/O引脚（20-7）、I/O引脚（20-8）、系统时钟（20-9）、RAM存储（20-10）、电源（20-11）、定时模块（20-12）、数据总线（20-13）、SRAM接口模块（20-14）、SRAM接口模块（20-15）、SRAM接口模块（20-16）以及存储于存储器内的通过程序构建的自适应滤波处理算法模块（20-17）、频减法分析处理算法模块（20-18）、声速计算模块（20-19）、管道堵塞定位计算模块（20-20）；

A/D声波采集模块（20-1）是TMS320F2812核心处理器（20）采集引脚，用于和外部声波放大电路输出信号的连接，将放大的声波模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器（20），TMS320F2812核心处理器（20）将模拟信号转换成数字信号，TMS320F2812核心处理器（20）中有16路12位高速A/D转换器，速度可达到12.5MHZ；

温度传感器A/D采集控制模块（20-2）是TMS320F2812核心处理器（20）采集引脚，用于和外部温度放大电路的输出信号的连接，将放大的温度模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器（20），TMS320F2812核心处理器（20）将模拟信号转换成数字信号；

压力传感器A/D采集控制模块（20-3）是TMS320F2812核心处理器（20）采集引脚，用于和外部压力放大电路的输出信号的连接，将放大的压力模拟信号输入到TMS320F2812核心处理器（20），TMS320F2812核心处理器（20）将模拟信号转换成数字信号；

核心微处理器（20-4）在TMS320F2812核心处理器（20）中负责各种信息处理，包括压力、温度、声波信号的分析、信号处理、算法处理；

I/O引脚（20-5）和气泵（1）相连，是TMS320F2812核心处理器（20）用于控制气泵（1）的引脚，TMS320F2812核心处理器（20）定时给I/O引脚（20-5）输出低高电平，用于控制气泵（1）的开关；

I/O引脚（20-6）和电磁阀（5）相连，是TMS320F2812核心处理器（20）用于控制电磁阀开关的引脚，TMS320F2812核心处理器（20）定时给I/O引脚（20-6）低高电平，用于控制电磁阀开关；

I/O引脚（20-7）和排气阀（7）相连，TMS320F2812核心处理器（20）采集到放大的压力信号之后，对压力信号进行分析，当压力信号大于0.2Mpa时，TMS320F2812核心处理器（20）控制排气阀（7）打开，释放管道内部气体，避免压力过大损坏检测装置；

I/O引脚（20-8）和管口阀（6）相连，是TMS320F2812核心处理器（20）用于控制采集结束的引脚，TMS320F2812核心处理器（20）定时给I/O引脚（20-8）低高电平，用于控制管口阀开关；

系统时钟（20-9）是CPU的各工作时序的驱动源，频率为160MHz，系统时钟（20-9）和外围电路（24）连接；

RAM（20-10）和外部的液晶显示模块（22）相连，将TMS320F2812核心处理器（20）采集到的压力值、温度值、声波曲线及计算出的最终管道堵塞位置和管口之间的距离L，显示在液晶显示模块（22）上；

电源（20-11）为TMS320F2812核心处理器（20）提供电源；

数据存储模块（20-13）负责次声波传感器A/D采集控制模块（20-1）、温度传感器A/D采集控制模块（20-2）、压力传感器AD采集控制模块（20-3）的信息存放；

SRAM接口模块（20-14）和数据总线相连，SRAM接口模块（20-14）和自适应滤波处理算法模块（20-17）的输入连接，将次声波传感器A/D采集控制模块（20-1）的数据传到自适应滤波处理算法模块（20-17）中；

SRAM接口模块（20-15）和数据总线相连，SRAM接口模块（20-15）和声速计算模块（20-19）的输入连接，将温度传感器A/D采集控制模块（20-2）的数据传到声速计算模块（20-19）中；

SRAM接口模块（20-16）和数据总线相连，SRAM接口模块（20-16）和声速计算模块（20-19）的输入连接，将压力传感器A/D采集控制模块（20-3）的数据传到声速计算模块（20-19）中；

自适应滤波处理算法模块（20-17）按照以下方式完成滤波处理：即以均方误差最小为准则，自动调节权重系数,以达到最优滤波的时变最佳DF；也即，参数会变，随着外界参数变化自动调节，使滤波器效果最佳；所谓时变最佳DF，即利用前一时刻已获得的滤波器参数，自动地调节当前时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波；

频减法分析处理算法模块（20-18）采用短时幅度-过零率函数方法识别堵塞回波，即将短时过零率和短时幅度函数结合应用在堵塞回波识别中；

声速计算模块（20-19）按照以下方式完成对声速的计算，计算公式为： ；式中为介质的密度；，称为体积弹性模量，、分别为压强和密度的微小变化；将测量得到的温度值和压力值传到声速计算模块，根据具体的数值计算出次声波在管道中的传播速度；

管道堵塞定位计算模块（20-20）按照以下方式完成对堵塞位置的确定，计算公式为，应用次声波传感器采集到的声波发生时刻和声波返回采集时刻，声波在管道内传播的时间为；通过过压力传感器和温度传感器可以测出管道内的压力和温度，TMS320F2812核心处理器计算出声波在相应条件下的传播速度，声波经过的路程则表示为：，管道堵塞的位置与管口之间的距离为：。