一种多级监测智慧水务管道系统的制作方法

本实用新型属于水务信息监测领域，具体地说，涉及一种多级监测智慧水务管道系统。

背景技术：

水管不论在家家户户的日常生活中，还是在工业生产中，都是必不可少的。人们的生活缺不了水，社会的生产也离不开水。一旦水管出现损坏，对生活和生产造成的影响是巨大的。但是水管的排列复杂，分布杂乱，且为不同时期进行铺设修建的。想要对水管进行集中的管理无疑是困难的，且想要对水管的损坏进行提前预测以及及时报警也是相当困难的。且因为管道分布杂乱密集，想要从管网中及时发现并正确判断泄漏故障的管道，是控制管道泄漏的第一步；

现有技术中非泄漏声信号的检测方法主要通过测量管道压力、流量等物理参数实现泄漏检测。压力梯度检测法口，适合长输送管道，如输水主干道，在支管较多的管网中难以应用。流量检测法是通过在管网的干管安装流量计，监测流量的变化来发现管网是否存在泄漏，不能适用于管网中的所有管道监测。

采用泄漏声信号的检测方法由于检测效果好，广泛应用于泄漏管道无损检测中。传统的听音设备包括：听音棒，听漏饼等，这些设备使用简单，但是需要依靠测漏工人的经验来判断泄漏。采用互相关原理的便携式相关检测仪，常用于对泄漏点的定位，虽也可用于发现泄漏，但一次只能对一条管道进行检测。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术检测方法单一，不能适用多种管道、需要人工经验判断或人工一一检测的问题，提出了一种多级监测智慧水务管道系统。通过设置多组管道信息采集处理发送模块采集管道信息，并经由管道信息接收模块传输给上位机进行数据分析，实现了适用于多种管道的智能自动化采集监测系统。

本实用新型具体实现内容如下：

一种多级监测智慧水务管道系统，与水务管道连接，包括依次连接的管道信息采集处理发送模块、管道信息接收模块、上位机；

所述管道信息采集处理发送模块为多组设置，每组都与管道信息接收模块连接，包括管道信息采集处理器、emat信号发送单元、emat信号接收单元以及通过emat信号发送单元、emat信号接收单元与管道信息采集处理器连接的emat传感器组，所述emat传感器组安装在水务管道外；

所述管道信息采集处理器内嵌管道信息发送单元，所述管道信息采集处理器通过管道信息发送单元与管道信息接收模块连接。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述emat传感器组包括单一emat传感器组、收发emat传感器组；所述单一emat传感器组包括发送emat传感器、接收emat传感器；所述收发emat传感器组包括两个收发emat传感器；

所述管道信息采集处理器依次与emat信号发送单元、发送emat传感器连接；

所述接收emat传感器依次与emat信号接收单元、管道信息采集处理器连接；

所述管道信息采集处理器还通过emat信号接收单元、emat信号发送单元和收发emat传感器连接；所述收发emat传感器安装在水务管道上。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述emat信号接收单元包括依次连接的信号限幅电路、前置放大电路、可控放大电路、缓冲检波电路；所述缓冲检波电路与管道信息采集处理器连接；所述信号限幅电路与emat传感器组连接，用于接收emat信号。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述信号限幅电路包括电阻r9、电阻r10、电阻r11、二极管d2、二极管d3、电容c5；

所述emat传感器组与电阻r9连接，所述电阻r9的输出端与并联且接地的电阻r10、二极管d2、二极管d3连接；所述电阻r9的输出端与电容c5、前置放大电路的输入端连接；所述电阻r11接地后连接在电容c5和前置放大电路的输入端之间。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述前置放大电路包括电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电容c6、电容c31、电容c32；运算放大器ad797；

所述运算放大器ad797的3号引脚为前置放大电路的输入端；所述电阻r15接地后与运算放大器ad797的2号引脚连接；所述运算放大器ad797的6号引脚与可控放大电路的输入端连接，7号引脚连接电源，并连接一个由电容c1、电容c2并联接地构成的滤波电路；所述电阻r13与串联的电容c6、电阻r12并联后，与运算放大器ad797的2号引脚、6号引脚连接；所述电阻r14接地后连接在运算放大器ad797的6号引脚上。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述可控放大电路包括电阻r18、可调电阻r17、可调电阻r16、电容c7、电容c8、电容c9、电容c10、放大器ad603；

所述电容c9的输入端为可控放大电路的输入端，电容c9的输出端与放大器ad603的3号vinp引脚连接；所述可调电阻r17连接在放大器ad603的1号gpos引脚和放大器ad603的6号veng引脚连接；所述电阻r18接地后连接在放大器ad603的1号gpos引脚和可调电阻r17之间；所述电容c10接地后与放大器ad603的8号vpos引脚连接，电容c7接地后与放大器ad603的6号veng引脚连接；所述放大器ad603的7号vout引脚与缓冲检波电路的输入端连接；所述可调电阻r16连接在放大器ad603的5号fdbk引脚和7号vout引脚之间；所述电容c8接地后与放大器ad603的5号fdbk引脚连接。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述缓冲检波电路包括依次连接的同相放大电路、反相放大电路、缓冲电路；

所述同相放大电路为由芯片ad810组成的同相放大器电路；所述反相放大电路为由芯片ad8036组成的反向放大器电路；所述缓冲电路为由芯片lh033和芯片ad810组成的缓冲器电路。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述emat信号发送单元包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、三极管q12n3904、三极管q22n3906、三极管q32n3904、三极管q4mosfet-n、二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、可调电阻r8；

所述管道信息采集处理器与电容c1的输入端连接，所述电容c1的输出端与三极管q12n3904的基极连接，所述三极管q12n3904的集电极连接并联的电阻r3、电容c2后与三极管q22n3906的基极连接；所述三极管q12n3904的发射集还通过电阻r2与三极管q22n3906的集电极连接，三极管q12n3904的发射集接地；所述电阻r1接地后连接在三极管q12n3904的基极上；所述三极管q12n3904的集电极连接并联的电阻r4、电容c3后与三极管q32n3904的基极连接；所述三极管q32n3904的集电极与三极管q22n3906连接后形成一条支路与三极管q4mosfet-n的栅极连接，三极管q32n3904的源极接地；所述电阻r5接地后与三极管q4mosfet-n的栅极连接；所述电阻r6输入端连接电压vch，电阻r6的输出端与三极管q4mosfet-n的漏极连接；所述三极管q4mosfet-n的漏极还与电容c4、二极管d1连接；所述二极管d1不与电容c4连接的一端为emat信号发送单元的输出端；所述电阻r7接地后连接在电容c4和二极管d1之间；所述可调电阻r8接地后连接在二极管d1的输出端。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述管道信息采集处理器为第一芯片cc2530，所述管道信息接收模块包括cc2530路由节点、中央处理模块；所述中央处理模块包括第二芯片cc2530、单片机msp430f149；所述管道信息采集处理器还连接有射频前端cc2591；所述管道信息采集处理器还可以通过射频前端cc2591与管道信息接收模块连接。

为了更好地实现本实用新型，进一步地，中央处理模块还包括usb接口电路，所述usb接口电路连接单片机msp430f149和上位机。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

（1）实现了管道的自动检测；

（2）实现了管道泄漏的快速定位；

（3）实现了管道缺陷的预测；

（4）减少了人工的处理量，且结果准确性更高。

附图说明

图1为emat信号发送单元与emat传感器组连接电路示意图；

图2为emat信号接收单元的信号限幅电路示意图；

图3为emat信号接收单元的前置放大电路示意图；

图4为emat信号接收单元的可控放大电路示意图；

图5为emat信号接收单元的缓冲检波电路示意图；

图6为第一芯片cc2530及其辅助电路的电路示意图；

图7单片机msp430f149及其辅助电路示意图；

图8为usb接口电路示意图；

图9为单一emat传感器组工作示意图；

图10为收发emat传感器组工作示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

一种多级监测智慧水务管道系统，与水务管道连接，如图9、图10所示，包括依次连接的管道信息采集处理发送模块、管道信息接收模块、上位机；

所述管道信息采集处理发送模块为多组设置，每组都与管道信息接收模块连接，包括管道信息采集处理器、emat信号发送单元、emat信号接收单元以及通过emat信号发送单元、emat信号接收单元与管道信息采集处理器连接的emat传感器组，所述emat传感器组安装在水务管道外；

所述管道信息采集处理器内嵌管道信息发送单元，所述管道信息采集处理器通过管道信息发送单元与管道信息接收模块连接。

所述emat传感器组包括单一emat传感器组、收发emat传感器组；所述单一emat传感器组包括发送emat传感器、接收emat传感器；所述收发emat传感器组包括两个收发emat传感器；

所述管道信息采集处理器依次与emat信号发送单元、发送emat传感器连接；

所述接收emat传感器依次与emat信号接收单元、管道信息采集处理器连接；

所述管道信息采集处理器还通过emat信号接收单元、emat信号发送单元和收发emat传感器连接；所述收发emat传感器安装在水务管道上；

工作原理：本实用新型采用组合式emat探头检测方法，采用两组探头，经过组合的方式，实现对管道的两维精确定位。其中一组探头采用一发一收的方式，在被测工件中产生周向导波，这里我们使用lamb波作为检测波形，该组探头沿管道轴向运动，根据超声波能量衰减和传播速度变化的两重指标，确定在该轴向位置的圆周上是否有腐蚀。通过该组emat探头可以定位缺陷的轴向位置。另外一组emat探头采用脉冲反射方法，该组两个探头独立运行发射和接收工作，避免了检测盲区，垂直入射体波，这里我们使用纵波作为检测波形，该组emat探头在缺陷的轴向位置处沿管道作周向运动，来实现对管道缺陷的精确定位以及壁厚的检测。通过以上步骤，可以实现对管道缺陷的两维定位。

实施例2：

本实用新型在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本实用新型，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，进一步地，所述emat信号接收单元包括依次连接的信号限幅电路、前置放大电路、可控放大电路、缓冲检波电路；所述缓冲检波电路与管道信息采集处理器连接；所述信号限幅电路与emat传感器组连接，用于接收emat信号；

所述信号限幅电路包括电阻r9、电阻r10、电阻r11、二极管d2、二极管d3、电容c5；

所述emat传感器组与电阻r9连接，所述电阻r9的输出端与并联且接地的电阻r10、二极管d2、二极管d3连接；所述电阻r9的输出端与电容c5、前置放大电路的输入端连接；所述电阻r11接地后连接在电容c5和前置放大电路的输入端之间；

所述前置放大电路包括电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电容c6、电容c31、电容c32；运算放大器ad797；

所述运算放大器ad797的3号引脚为前置放大电路的输入端；所述电阻r15接地后与运算放大器ad797的2号引脚连接；所述运算放大器ad797的6号引脚与可控放大电路的输入端连接，7号引脚连接电源，并连接一个由电容c1、电容c2并联接地构成的滤波电路；所述电阻r13与串联的电容c6、电阻r12并联后，与运算放大器ad797的2号引脚、6号引脚连接；所述电阻r14接地后连接在运算放大器ad797的6号引脚上。

所述可控放大电路包括电阻r18、可调电阻r17、可调电阻r16、电容c7、电容c8、电容c9、电容c10、放大器ad603；

所述电容c9的输入端为可控放大电路的输入端，电容c9的输出端与放大器ad603的3号vinp引脚连接；所述可调电阻r17连接在放大器ad603的1号gpos引脚和放大器ad603的6号veng引脚连接；所述电阻r18接地后连接在放大器ad603的1号gpos引脚和可调电阻r17之间；所述电容c10接地后与放大器ad603的8号vpos引脚连接，电容c7接地后与放大器ad603的6号veng引脚连接；所述放大器ad603的7号vout引脚与缓冲检波电路的输入端连接；所述可调电阻r16连接在放大器ad603的5号fdbk引脚和7号vout引脚之间；所述电容c8接地后与放大器ad603的5号fdbk引脚连接；

所述缓冲检波电路包括依次连接的同相放大电路、反相放大电路、缓冲电路；

所述同相放大电路为由芯片ad810组成的同相放大器电路；所述反相放大电路为由芯片ad8036组成的反向放大器电路；所述缓冲电路为由芯片lh033和芯片ad810组成的缓冲器电路；

所述emat信号发送单元包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、三极管q12n3904、三极管q22n3906、三极管q32n3904、三极管q4mosfet-n、二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、可调电阻r8；

所述管道信息采集处理器与电容c1的输入端连接，所述电容c1的输出端与三极管q12n3904的基极连接，所述三极管q12n3904的集电极连接并联的电阻r3、电容c2后与三极管q22n3906的基极连接；所述三极管q12n3904的发射集还通过电阻r2与三极管q22n3906的集电极连接，三极管q12n3904的发射集接地；所述电阻r1接地后连接在三极管q12n3904的基极上；所述三极管q12n3904的集电极连接并联的电阻r4、电容c3后与三极管q32n3904的基极连接；所述三极管q32n3904的集电极与三极管q22n3906连接后形成一条支路与三极管q4mosfet-n的栅极连接，三极管q32n3904的源极接地；所述电阻r5接地后与三极管q4mosfet-n的栅极连接；所述电阻r6输入端连接电压vch，电阻r6的输出端与三极管q4mosfet-n的漏极连接；所述三极管q4mosfet-n的漏极还与电容c4、二极管d1连接；所述二极管d1不与电容c4连接的一端为emat信号发送单元的输出端；所述电阻r7接地后连接在电容c4和二极管d1之间；所述可调电阻r8接地后连接在二极管d1的输出端；

所述管道信息采集处理器为第一芯片cc2530，所述管道信息接收模块包括cc2530路由节点、中央处理模块；所述中央处理模块包括第二芯片cc2530、单片机msp430f149；所述管道信息采集处理器还连接有射频前端cc2591；所述管道信息采集处理器还可以通过射频前端cc2591与管道信息接收模块连接；

为了更好地实现本实用新型，进一步地，中央处理模块还包括usb接口电路，所述usb接口电路连接单片机msp430f149和上位机。

工作原理：emat超声波发射电路通常有调谐式与非调谐式两种。调谐式电路发出的信号频带很窄，由谐振线圈和电容值决定其信号的频率。非调谐式电路发射的脉冲信号相对较宽，因为实际使用中探头的规格较多，技术规范中适合的频带范围较宽，因此非调谐式电路能够满足不同的探头。本实用新型采用非调谐式发射电路。首先，由管道信息采集处理器发出控制脉冲，此脉冲信号是一低电压、弱电流的信号，不能直接用于驱动emat换能器激发超声波。必须增加驱动电路提高脉冲的信号强度，经过驱动电路的作用，将原来低电压、弱电流的脉冲信号转换成高电压、大电流的强脉冲信号，用来驱动高压开关器件，通过高压开关器件的开断瞬间产生一窄高电压脉冲信号来驱动emat探头激励超声波。如图1所示，首先，发射的控制脉冲信号经过光电隔离，后经由三极管q1、q2、q3构成的推挽式放大电路对其进行驱动，以提高q4的瞬态响应能力。控制脉冲信号经推挽式放大电路驱动后送到q4的控制极。为了减小激励脉冲的脉宽，需要缩短脉冲信号上升沿和下降沿的时间，因此我们需要选用性能优越的mos器件来满足要求。本课题设计选用大功率场效应mos管apt10050b2vr，apt10050b2vr是新一代的高电压n沟道增强型场效应管。它提供了更快的开关速度，低泄漏，漏源电压高达1000v，脉冲漏极电流达84a，最大允许通过恒定电流为21a，能够满足最快的大功率输出高频高强度脉冲信号的要求。如图1所示，q4漏极经电阻r6接高压ch。在常用的超声检测系统中，vch电压在数十伏至几百伏的范围内，为充分激发探头的压电性能，本设计中采用600v高压直流电源。当q4截止时，电容器c4在高压电源的作用下，经r6充电到600v；q4一经导通，c4经q4、r7放电，在r8上产生激励探头的高压脉冲信号。r8为最大10千欧姆的可变电阻。我们可以通过改变电阻r8的阻值来改变发射高压脉冲信号的强度。电阻越大，加载在可调电阻r8上的电压越大，产生的高压脉冲强度越大。

本实用新型使用的通过脉冲反射方法对缺陷进行精确定位和检测壁厚的emat探头是收发一体的。这就造成高强度的发射脉冲信号会加载到接收回路中，为了保护后边的放大电路不被烧坏，我们有必要在放大电路之前加以限幅电路，过滤掉高电压脉冲信号，才能保证正确接收回波信号。本次设计的限幅电路如图2所示。利用二极管的开关特性，使用二极管并联电路对信号进行限幅，以滤除高电压脉冲发射信号。我们选取电阻r9的阻值为50kω，远大于发射电路中的可调电阻r8，这么做是为了避免接收电路对发射电路产生负载效应。选用具有较大正向电流的二极管d2和d3构成双向限幅电路，剔除发射电路中的高压脉冲，避免其进入到后端接收电路干扰接收。

经过前置放大电路处理后的信号已经达到了毫伏级别，为了便于观察同时为了提高信噪比，需要对信号进行二级放大。在实际检测应用中，如果被检测工件的材料不同，厚度不同，那么回波信号的强度也将不同。为了满足不同的检测要求，因此设计一种具有一定检测范围的检测系统是有必要的，所以我们选用可控放大电路作为二级放大电路，这样可以根据需要改变放大范围，从而可以实现对回波信号的放大可调。

在实际使用过程中，emat电磁超声换能器的超声波信号频率都比较高。由采样定理可知，采样频率要大于超声信号频率的两倍以上，才能保证信号不失真。而在实际使用过程中，我们一般都选用6倍或者更高的采样频率，才能真正做到完整还原出原始信号。这就给我们带来了难题，因为普通的a/d转换芯片是达不到这种频率要求的。因此我们设计了缓冲检波电路进行检波处理。

经过缓冲检波电路处理后的信号与第一芯片cc2530连接；cc2530是用于ieee802.15.4、zigbee和rf4ce应用的一个真正的片上系统（soc）解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。芯片cc2530结合了领先的rf收发器的优良性能，业界标准的增强型805lcpu，系统内可编程闪存8kbram和许多其他的强大功能。cc2530有4种不同的闪存版本：cc2530f32/64/128/256，分别具有32/64/128/256kb的闪存。cc2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。cc2530结合了ti公司业界领先的zigbee协议栈（z-stacktm），提供了一个强大和完整的zigbee解决方案。缓冲检波电路的输出端与第一芯片cc2530的具有8路输出和可配置分辨率的12位adc引脚连接实现a/d转换，再由第一芯片cc2530将处理后的信号通过cc2530路由节点发送给与单片机msp430f149连接的第二芯片cc2530，cc2530的应用比较简单，只需要外接少数的电路即可实现。因为cc2530本身带有射频的功能，一般对于小功率网络节点的设计不需要外加额外的射频芯片，cc2530外加一些简单电路即可实现射频功能。但是在设计节点时，对于发射功率会有一定的要求，一般要求传输较远距离时需要加功放芯片，如cc2591。图6为第一芯片cc2530及其辅助电路的示意图。如图6所示，第一芯片cc2530的辅助电路的射频部分使用不平衡的天线，因此用一个巴伦来优化性能，使用的巴伦是通过低成本的电容和电感实现的，如图6中的c28、c26、l1和l2，并且射频方面满足输入输出匹配电阻50欧姆的要求。电路中，使用了两个负载电容c29和c30，以及32mhz的振荡器（xtal1）构成了32mhz的晶振。而32.768khz的晶振电路通过c23，c22及32.768khz的振荡器（xtal2）实现，32.768khz的晶振是可选的。片上1.8v稳压器的稳定运行通过去耦电容c21来实现。在使用cc2530芯片时，由于该芯片本身的发射功率很小，其发射功率最大为4.5dbm，且它的接收灵敏度也固定在某一水平，这就限制了无线网络的通信距离，一般它的传输距离仅为几百米，远满足不了实际工程的应用，这就使得我们在使用cc2530芯片时，还要结合射频芯片cc2590或cc2591。本实用新型采用的是ti公司生产的2.4ghz的射频前端芯片cc2591，它不仅可以提高发射功率，还能够改善接收机的灵敏度，从而延长其通信距离。通过射频芯片cc2591将信号经由cc2530路由节点发送至与单片机msp430f149连接的第二芯片cc2530后，再由单片机msp430f149的usb接口电路将信息数据传输给上位机进行后续分析处理，最终实现了水管信息的监测。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。