压力监测（共9篇）
压力监测 篇1
0 引言
支架压力监测是矿压监测和顶板支护的重要监测手段[1]。在矿压监测数据中,移架过程的压力变化对于计算和分析煤矿工作面压力有非常重要的意义[2]。图1(a)为某支架24h实际压力曲线,可见支架压力监测数据中存在有奇异变化的信号,反映了移架时的压力突降、低压保持、再升压和压力调整的过程[2,3]。其中A点移架过程压力变化如图1(b)所示,整个移架过程持续约7~8s,其中降压时间约为1s,升压时间约为1s。24h压力曲线被多个移架过程分成2~3h的若干工作周期。在这2~3h内,压力曲线的变化比较缓慢。
可见支架压力监测数据的特殊性是在较缓慢变化的压力数据中夹有人工移架时压力突变的奇异数据。对于缓慢变化的压力数据,支架压力监测系统的采样频率可低至数秒甚至数十秒1次,而对移架时的奇异数据,采样频率需不低于每秒3—4次。
目前煤矿支架压力监测系统一般采用工业总线传输数据,系统由1个主站和若干个接在总线上的分站构成,由主站轮询向各个分站查询数据。主站通常置于地面,分站分布在各个支架上,整个支架压力监测系统传输线路可达数km。为了保证长距离传输的可靠性,通信速率常设为5 kbit/s或2.4kbit/s。而分站的采样速率较快,如3次/s,一个支架采样6个压力值,传输速率为5kbit/s,在超长工作面多达200个分站时[3],查询扫描1周的时间约为11s。而在此传输过程中,分站内积累存储了约11倍的数据。为了缓解传输压力,有的支架压力监测系统不得不降低分站的采样速率,从而抛弃大量数据。 但分站采样速率即使减小为1 次/s,200个分站的数据传输时间仍需3.36s左右。也就是说,对于具有200个分站的支架压力监测系统,分站采样速率减小为0.25 次/s时才能满足数据的实时传输要求,但该情况下可能会丢失降架、移架、升架信息。针对该问题,本文提出一种支架压力监测数据分段拟合方法。
1 支架压力监测数据分段拟合方法
1.1 数据分段拟合
支架压力监测普遍采用工业总线查询方式,主站发指令查询分站,分站接收到主站的查询指令才向主站发送数据,1个查询周期往往为数秒或数十秒。因此,将支架压力监测数据按查询周期进行分段,即分站在1个查询周期内将数据存储在分站存储器中,主站查询该分站时进行数据拟合。
采用多项式拟合方法进行数据拟合。通过实测发现,采用4次多项式能较好地满足支架压力监测要求,即设监测的压力数据为
式中:ti为第i个采样点时刻,i=1,2,…,n,n为分段内数据长度。
f函数关系未知,因此采用多项式拟合公式(式(2))来拟合f函数。
式中:yi为拟合后的数据;a4,a3,a2,a1,a0为拟合系数。
与一般的数据拟合不同,因总线查询时间难以完全确定,所以分段内数据长度n可能会有变化。拟合目标是取合适的系数组,使拟合后的数据yi与监测数据xi最接近。目前常用最小二乘法来确定拟合系数,即通过不断迭代,使拟合后的数据yi与监测数据xi差值的平方和最小,即求解式(3)中F最小时的系数集。
具体方法:采用式(2)代替式(1)中的f函数并代入到式(3)中的xi,然后分别求5 个拟合系数的偏导数。令偏导方程为0,公式为[4]
式中:j为对某一个系数求偏导时该系数的下标,j=0,1,…,4;m=4;k为5 个系数的下标,k=0,1,…,m。
式(4)为5 个方程的偏导方程组,n为采样点数,因n>m,所以该方程组有唯一解。数据拟合过程即迭代求解式(4)的过程,获取5个拟合系数a4,a3,a2,a1,a0。总线传输时只传输这5个系数。
1.2 数据直传与数据拟合判断
有的支架压力监测系统并不对所有支架进行压力监测,如采用5条线监测方法时,在工作面中选取5个支架安装分站,当工作面向前推进时,形成5条监测线。该情况下,由于分站少,可能不需要进行数据拟合,而是直接传输监测数据。为了实现系统软件的通用性,由分站判断分段内的数据量,若数据量小于拟合系数量,则直接传输数据;若数据量大于或等于拟合系数量,则进行数据的多项式拟合,只传输拟合系数。本文采用4次多项式拟合,即当1个查询分段周期内的数据量小于5时,直接传送数据,并在数据后补0,凑足5位数据,所补0可作为主站判断所传输数据为直接数据还是拟合系数的标志;当数据量大于或等于5时,进行4次多项式拟合,获取5位拟合系数且只传输这5位数据。这样每次均传输5位数据,便于管理数据传输和确定传输时间。
1.3 主站中拟合数据恢复
理论上主站只需将接收到的5位拟合系数代入式(2)即可求出拟合数据yi。但主站首先需要确定分段内数据长度n。有2种方法获取n:(1) 在传输时增加1 位数据n,即传输6 位数据(5 个系数加1个数据长度数)。该方法优点是恢复的数据长度准确,缺点是增加了传输负担。设每个分站有6个测点,存在200个支架时,在1个查询周期内需多传输1 200个数据。当查询周期较短时,这种传输代价与本文目的相悖。(2)由主站根据查询周期计算出数据长度。查询指令由主站发出,因此主站可方便地根据每个分站的查询时间间隔乘以各个分站的采样速率计算出本查询周期内的数据长度。例如主站对某分站的查询周期为12.8s,该分站采样速率为3次/s,则可计算出数据长度为38.4,取整为n=38。该方法的优点是获取方便,减少了数据传输量,缺点是由于主站与各分站之间时钟稳定性存在差异,在极偶然的情况下,可能会少或多计算出1位数据。实际上因分站之间时钟稳定性存在差异,在1个查询周期内,大多数分站采集了n个数据,但极个别分站采集了n+1或n-1个数据,这与拟合后极偶然情况下可能会多或少1位数据类似,并不影响整体数据的准确性。因此,本文采用方法(2)来确定分段内的数据长度,进而恢复拟合数据。
2 数据分段拟合方法的实现
图2为系统分站组成。6路压力传感器量程为5 000kN,分别监测前梁、前柱、后柱压力。压力数据由6路信号放大电路放大为0~5V电压信号。信号放大电路中带有低通滤波器,对压力数据进行滤波处理。STC15F2K60S2 单片机对放大信号进行A/D转换,对部分信号进行显示转换后送液晶显示屏进行显示,并根据需要进行分段数据拟合。单片机处理程序和数据均存储在外部存储器中,采集数据或拟合系数通过MAX485芯片连接到系统总线上。主站发送的查询指令通过总线由分站接收。
图3 为分站软件流程。主程序首先进行初始化,清数据存储器,然后采集6 路压力信号进行A/D转换,将A/D转换值发送到存储器,并对数据进行压力转换,送到液晶显示屏进行本地显示。
当主站查询本分站数据时,程序进入中断处理过程。首先进行中断保护,然后从存储器中读取数据,如果数据量小于5,直接将数据存入通信缓冲单元,数据不足5位时通过补0补足5位;如数据量不小于5则进行数据拟合,获得5位拟合系数,将系数存入通信缓冲单元并发送给主站。6路压力数据发送完后,清除数据存储器,准备存储下一段数据。
3 拟合效果分析
采用支架压力监测数据分段拟合方法后,主站对从站的查询周期与采样间隔可相互独立,不会出现查询周期越长,分站中积累的数据越多,所需传输时间也越长的情况。设分站采样速率为3次/s,在查询周期分别为10,15,30s情况下(即分别有30,45,90 个采样数据)进行数据拟合,结果如图4所示。
从图4可看出,采用数据分段拟合方法后,主站查询周期为10,15,30s时传输数据个数是相同的,均为每次传输5个数据,压力曲线变化也基本类似,满足应用需要。从数据准确度来讲,应尽可能选择较短的查询周期。
4 结语
支架压力监测数据分段拟合方法按支架压力监测系统主站的1个查询周期进行数据分段,在某个分段内,如果数据量小于拟合系数量,则直接传输数据;若数据量不小于拟合系数量,则进行数据的多项式拟合,获取拟合系数并只传输拟合系数。实验结果表明,该方法大大减少了数据传输量,且不丢失重要数据,解决了支架压力监测数据的实时性和对奇异信号捕捉之间相互矛盾的问题,同时实现了每个查询周期固定数据传输量,方便数据传输管理。
摘要：针对支架压力监测系统应用于超长工作面时,受总线查询周期限制而难以兼顾监测支架压力中的突发奇异信号与数据实时传输的问题,提出一种支架压力监测数据分段拟合方法。该方法按照支架压力监测系统1个查询周期进行数据分段,在某个分段内如果数据量小于拟合系数量,则直接传输数据;如果数据量不小于拟合系数量,则进行数据的多项式拟合,获取拟合系数并只传输拟合系数。实验结果表明,该方法大大减少了传输数据量,又不丢失重要数据,同时实现了每个查询周期固定数据传输量,便于数据传输管理。
关键词：支架压力监测,数据拟合,分段拟合,查询周期
参考文献
[1]赵端,纵鑫.基于ZigBee技术的井下液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化,2014,40(1):31-34.
[2]汪新文,刘云霞.综采工作面压力实时监测系统的应用[J].工矿自动化,2011,37(10):121-124.
[3]张飞,张巍,孙建岭,等.超长综放工作面矿压显现规律研究[J].煤炭工程,2010,12(12):52-54.
[4]刘霞,王运锋.基于最小二乘法的分段三次曲线拟合方法研究[J].科学技术与工程,2007(3):352-355.
压力监测 篇2
设备、压力管道定期在线监测管理制度
编号： 共 1 页
版数：00 制订/修订日期：.8.16
1 目的
保证全厂设备、管道的安全稳定运行，防止突发事故的发生。
本制度适用于全厂压力容器、压力管道、易燃、易爆、易腐蚀的液体介质的盛装容器，以及关键设备易损坏的监测部位。
2 引用标准
信强化工工作标准。
信强化工设备管理责任制度。
3 职责
3.1 设备科负责制度的制定及监督考核。
3.2 各车间负责对本车间所规定的监测项目进行、定期、在线监测实施。
4 具体规程
4.1 定期检查项目：
4.2 在线监测：
4.3 相关规定及考核
5 相关记录
压力蒸汽灭菌器化学监测的研究 篇3
【关键词】 无菌物品 批量产品 灭菌质量
我院自2005年开始使用脉动真空压力蒸汽灭菌器进行日常灭菌工作。消毒技术规范对压力蒸汽灭菌器有严格的监测要求:每周进行一次生物监测;每天灭菌前进行B-D测试对灭菌器的工艺流程进行检测;每锅进行物理检测和化学指示卡的化学监测。在长期的工作实践中,发现化学指示卡颜色变化并非完全与灭菌程度同步,以此作为日常判断灭菌是否合格的依据存在一定的危险因素,在此进行探讨。问题的发现:
2008年11月23日,B-D监测合格后,执行本锅第三次灭菌时,消毒员发现灭菌周期明显缩短,随即查看打印记录,结果显示脉动一次(正常脉动3次),灭菌合格。我们对本锅次灭菌物品进行了检查,发现包外化学胶带变色不均匀,90%包内化学指示卡变色合格,达到要求。只有10%的难以穿透的敷料包化学指示卡未合格。
2008年12月5日,由于蒸汽不饱和致使温度不能达到灭菌要求造成升温时间过长。考虑到对灭菌质量的影响,中途退出程序(脉动程序已完成),并对本锅次的包内化学指示卡进行检查,仅发现个别敷料包内化学指示卡变色不合格。
鉴于上述两种情况的发生,我们有意识的进行测查3次,测查目的:批量监测和132℃指示卡哪个更接近于灭菌过程(程度)的真实性。方法:每个灭菌包内放放置132℃化学指示卡,包外指示卡按规定在5点放置。同时在排汽口放置批量监测。每次都在完成脉动程序后灭菌前人为退出,然后打开被灭菌物品进行检查,结果如下:
低功耗煤矿压力监测系统设计 篇4
关键词：煤矿,压力监测,矿压传感器,低功耗,ZigBee
0 引言
在煤矿安全生产中,井下压力监测是非常重要的环节,煤矿井下压力监测系统可以及时反映井下巷道围岩压力、煤柱压力、液压支架压力的变化情况。而目前煤矿井下压力监测系统一般采用有线通信方式,具有结构复杂、传感器功耗大、数据不稳定等缺点。鉴此,本文设计了一种基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统。
1 系统总体设计
低功耗煤矿压力监测系统主要由监控主机、数据采集分站、传感器节点组成[1],如图1所示。其中监控主机安装在地面监控室,用于井上工作人员监测井下各个位置的压力情况;数据采集分站安装在每个巷道的入口处,用于管理本巷道内所有传感器节点并将本巷道内所有节点数据上传到井上监控主机;矿压传感器为整个系统的最前端,用于实时采集巷道压力数据并定时回传给本节点所属采集分站,系统主要使用了矿用顶板应力传感器、煤柱应力传感器、液压支架压力传感器。
矿压传感器采集各种压力后,依次将压力数据通过ZigBee的方式传送到数据采集分站,数据采集分站将汇总的所有压力数据通过RS485总线传输到监控主机中。井下通信采用ZigBee无线传输方式,降低了各个传感器节点的功耗和组网复杂度,大大提高了传感器电池的使用寿命。同时也确保了数据的可靠安全传输,节约了成本。
2 系统硬件设计
2.1 低功耗传感器节点设计
因为井下压力传感器节点采用电池供电方式,所以采用低功耗设计方案。传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、射频模块、电源等组成,如图2所示。
(1)数据采集模块。传感器中应变片受到压力后产生形变,应变片上的电阻丝同时发生形变,电阻大小产生变化,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,然后电压信号被送到数据处理模块。
(2)数据处理模块。为了满足低功耗要求,传感器节点采用低成本、低功耗SOC芯片———CC2530作为控制核心[2]。在接收模式和发送模式下,CC2530的电流损耗分别为24mA和29mA,在睡眠模式下,CC2530消耗的电流仅为1μA;利用有效位数多达12位的ADC实现对采样数据的模数转换,并用DMA将转换结果写入存储器,从而实现数据处理功能。
(3)射频模块。系统采用ZigBee的方式进行数据传输[3],通信频率为2.4GHz,为了适应井下复杂的工作环境,保证长距离的通信以及较低的误码率,射频模块选用CC2530芯片,同时辅以低成本、高性能的射频前端模块CC2591,实现传感器节点间的无线通信,进而组成无线传感网络。
2.2 数据采集分站设计
数据采集分站负责对汇总的传感器数据进行打包,并发送给上位机,实现井下与井上数据的相互传递。数据采集分站整体结构如图3所示。
3 系统软件设计
3.1 井下通信机制设计
为了适应巷道的狭长特性,设计了一种基于ZigBee的线性接力传输方式。每个传感器节点都有唯一的地址[4],数据采集分站地址为0x0000,第1个节点地址为0x0001,依此类推。所有节点完成初始化后,同时进入等待接收同步时间的状态。数据采集分站发送时间同步命令给1号节点,1号节点收到命令后,给数据采集分站返回1个应答指令,确认已经收到同步时间命令,然后按照同步指令启动本地睡眠定时器,并将时间同步命令传给2号节点;2号节点采用与1号节点相同的流程,当1号节点收到2号节点的应答信息后,转移到等待接收2号节点数据的状态;然后,2号节点将同步指令发送给3号节点,依此类推,直到最后的N号节点,因为不存在N+1 号节点,所以N号节点收不到应答信号。当发送10次同步信后若仍然无应答,则N号节点发送采集数据给N-1号节点,N-1号节点给N号节点应答信号后,N号节点进入睡眠状态。当N-1号节点收到N号节点的数据后,将自己采集的数据和N号节点的数据打包发送给N -2号节点,然后,依此类推,最后所有节点的数据都被打包发送到数据采集分站;数据采集分站将数据进行存储,完成本次通信。井下通信机制如图4所示。
3.2 节点的低功耗软件设计
因为井下各种压力传感器节点都采用电池供电,所以设计一种低功耗的工作方式十分重要,降低各个节点的功耗可以大大提高其工作寿命,提高系统可靠性,节约成本。低功耗软件分为CC2530调度程序、时间同步通信机制程序、无线收发程序3个部分。
CC2530调度程序采用中断的方式,相比于查询方式,中断方式的功耗更低。如果采用查询的调度方式读取AD转换数据,必须不停地读取I/O端口寄存器,从而提高了功耗,而采用中断方式时,主芯片不需要读取数据就直接进入待机模式,从而降低了功耗。
时间同步通信机制对于降低传感器节点功耗非常重要,无线数据的收发功耗非常大,为了节省电量,要尽可能地关闭节点射频模块,使其处于低功耗状态[5]。为了在尽可能短的时间内通信成功,就要对各个节点进行时间同步,使所有节点同时唤醒并进行数据收发,然后同时休眠,以保证功耗最低。
数据的无线发送与接收是功耗最大的部分,为了降低这部分的功耗,要考虑到节点因为故障不能收发数据的情况,将不能通信的节点转到单机模式,只采集而不发送数据,其他节点跳过该节点进行通信,节点工作流程如图5所示。
3.3 数据采集分站软件设计
数据采集分站主要有2个功能:数据处理与向下通信。向下通信功能相当于把分站看成一个压力传感器节点,软件设计与节点相同。数据处理功能包括数据的汇总、存储、显示和转发。为了更好地运用STM32F103VET6单片机,在分站中嵌入了μCOS II实时操作系统,利用其优先级保证系统的实时处理能力,增强系统的可靠性。根据具体的功能要求设计了相对应的任务优先级,如图6所示。
3.4上位机软件设计
上位机软件采用C#语言编写,配合使用SQL Server 2008进行数据存储。上位机软件包含用户管理功能、基本信息配置功能、实时数据显示功能、历史数据查询功能、报警功能、报表分析功能,并使用RS485串口与数据采集分站进行通信。
4 功耗测试
以矿用锚杆(索)应力传感器节点为例,测量节点各个状态的工作电流,传感器节点工作流程:被唤醒→采集数据→传输数据→睡眠。睡眠模式下节点工作电流理论值为1μA,节点在睡眠状态、采集状态、接收状态、发送状态、显示状态的电流I1—I5分别为0.001,12.8,35,53,45mA。
1个周期T内数据采集模块、数据显示模块、数据发送模块、命令转发模块、数据接收模块、指令接收模块的工作时间T1—T6分别为200 ms,5s,15ms,1.5 ms,2s,2s,节点处于睡眠状态的时间T7= T-(T1+T2+T3+T4+T5+T6)。
按T=30min计算1个工作周期中单个节点所耗的电量为
因为T=30min,所以每天通信48次。假设在1d中,节点被查看数据10次,则1d中消耗电量为
由于顶板离层仪节点所使用的电池为ER14505,其参数为2.4A·h/3.6V,电池使用效率按80%计算,其可用电量Q=1.92A·h。结合式(2)可知,ER14505最长供电时间为750d。
经过一系列低功耗软硬件设计优化之后,传感器安装完成后能够使用750d,完全能够满足其工作需求。
5 结语
基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统可以对井下各种应力进行实时监测,提高了煤矿井下生产的安全性。该系统采用ZigBee无线通信方式和时间同步机制,降低了各个节点的功耗,提高了产品的使用寿命。
参考文献
[1]李致金.基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统[J].电子技术应用,2010(11):102-105.
[2]姬海超,王晓荣,盖德成,等.井下分布式无线应力监测系统设计[J].电子技术应用,2015,41(9):45-47.
[3]陈斯,赵同彬,高建东,等.基于ZigBee PRO的矿井瓦斯无线监测系统[J].煤炭技术,2011,30(9):110-112.
[4]方刚,任小洪,贺映光,等.基于ZigBee技术的煤矿监测系统[J].仪表技术与传感器,2010(12):41-43.
压力监测 篇5
产品介绍
汽车轮胎压力监视系统是一款主动安全系统产品, 主要用于在汽车行驶时, 实时对轮胎气压和温度进行自动监测, 当轮胎气压和温度异常时进行报警, 提醒驾驶员注意轮胎中的安全隐患, 防止爆胎等恶性事故的发生, 以保障行车安全, 并减少因轮胎气压异常而产生的燃油消耗, 以及对轮胎的不必要磨损, 延长轮胎的使用寿命。
产品功能
1. 提高安全性能、防止恶性事故的发生。
目前汽车安全系统如ABS、EDS、EPS、安全气囊等, 都是被动型安全系统, 即在事故已经发生时才起到保护人身和汽车的安全作用, 轮胎气压监视系统属于主动型安全系统, 即在轮胎出现气压和温度异常时, 监测到危险隐患并及时报警, 提醒驾驶员采取措施, 防止爆胎事故的发生 (科学统计, 当汽车以时速100公里以上行驶时, 发生爆胎事故的死亡率是100%) , 确保汽车行驶过程中始终处于安全状态。
2. 提高燃油效率、节约能源消耗。
科学统计缺气行驶时, 如果气压低于正常值0.21Bar (约0.2公斤/平方厘米) , 油耗将增加1.5%。安装TPMS以后, 可以及时知道轮胎的气压是否在标准值的范围内, 有效减少汽车的燃油消耗, 并减少对环境的污染。
3.防止轮胎异常磨损, 延长轮胎使用寿命。
科学统计, 轮胎气压从正常值下降10%, 轮胎寿命减少15%, 有了轮胎气压监视系统, 缺气状况就不会发生, 从而能够保护胎面, 延长轮胎使用寿命。
4.避免对汽车各部件的冲击, 改善汽车使用环境。
安装了胎压监测系统以后, 驾驶者随时知道轮胎的气压状况, 使汽车长期行驶于正常气压和温度状态下, 对汽车发动机及底盘尤其是对悬挂系统的保养和维护起到重要的保护作用。
同类产品比对
尽管胎压监测系统都具有低压报警功能, 但有些只有蜂鸣提示报警, 没有显示功能;本文介绍的则包括了高低压报警、高温报警、快速漏气报警、传感器故障报警、当前轮胎状况查询等完备功能。另外还具有:
1.高可靠性的射频链路设计, 保证汽车高速行驶中仍能可靠的接收数据。
本系统采用高灵敏度接收芯片, 空旷收发距离为35—40m, 比一般的同类产品性能更优越;当汽车高速行驶至时速150—160km, 仍能可靠的接收到数据。
2.发射器采用超低功耗芯片及550mAh大容量电池保证超长寿命。
核心器件采用德国INFINEON公司, 美国MAXIM公司超低功耗芯片, 采用以色列TPMS专用电池。系统中电池理论寿命5—7年, 实际使用过程中保证3—5年。
3. 性能要求比美国国家公路车辆安全行驶管理局 (NTHTSA) 立法的标准更加严格。
发射器软件中加入快速漏气报警及快速发射数据模式, 当传感器检测到轮胎压力以30kpa/min漏气时, 能在8秒内发出报警信号, 保证及时提醒司机处理相关异常情况。
4. 气门嘴采用的优质铝合金材料有
专门设计的配方, 防氧化作用相当强, 气门嘴上的密封橡胶垫的形状与材料都经过精心设计, 保证与轮毂的接触完全密封。
5. 发射器比同类产品的重量轻 (44克) , 对轮胎平衡影响相对较小。
6. 巧妙的天线设计, 节省成本, 节省空间。
市场分析
在汽车的高速行驶过程中, 轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的, 也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计, 在中国高速公路上发生的交通事故有46%是由于轮胎故障引起的, 其中的70%又是由爆胎而产生的, 在美国这一比例则高达80%。科学统计, 当汽车以时速100公里以上行驶时, 发生爆胎事故的死亡率是100%, 怎样防止爆胎一直是汽车行业和政府部门研究的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析, 保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车胎压监视系统毫无疑问将是理想的工具。
经销分析
该产品没有最低进货要求, 分为两种不同型号, 进货价格分别为580元/套、780元/套, 市场最低零售价分别为980元、1380元, 若投资者进货超过5台, 厂家有适当优惠。投资者每销售一台产品, 可获取最低利润为400元。
投资提示
压力监测 篇6
1系统基本实现的性能指标
(1)气压测量范围:0～3.5 Bar。
(2)温度测量范围:-40～+125℃。
(3)发射模块工作电源:3.6V锂亚电池。
(4)发射模块电池工作寿命:>5年。
(5)系统工作电压范围:10～16V(额定电压12V)。
(6)发射模块工作温度:-40～+125℃。
(7)接收、显示模块工作温度范围:-30～+85℃。
(8)接收端灵敏度-100dBm以上,监测距离20m以上。
2 系统硬件结构设计
本文所讲的TPMS系统主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元MCU、RF发射器组成的TPMS发射模块。和安装在汽车驾驶台上的包括数字信号处理单元MCU、RF接收器以及LCD组成。系统方案结构框图如图1所示。
图1中温度压力传感器将采集到的温度压力数据通过SPI总线送到单片机,单片机发送一使能信号给发射器。当为高电平时发射机开始工作,产生一个数据时钟信号给单片机,用于信号的同步。此时单片机发送数据给发射机,发射机将得到的数据通过天线发射出去。接收模块开机即由单片机对接收机进行寄存器配置,然后等待接收信息;接收到信号后,通过数据线将接收到的数据发送给单片机,并产生同步时钟。单片机将接收到的数据处理送LCD显示报警。
3 接收模块的硬件结构设计
接收部分由主要射频接收芯片MAX1471和微控制器构成,接收方一般和其他系统连接在一起,故不需要刻意根据低功耗选择微控制器,而是根据数据处理的需要自行选择。构成框图如图2所示。
MAX1471需要外接一个10.7 MHz的低通滤波器,晶振的频率同接收载波的频率的关系为:
如果接收载波的频率为315 MHz,则晶振的频率为9.509 MHz,接收载波的频率为433.92 MHz,则晶振的频率为13.225 6 MHz。
MAX1471的主要引脚功能如表1所示。
其中,IFIN+、MIXOUT、AGND连接10.7 MHz的低通滤波器,用于ASK数据的解调。ADATA引脚为高,表示到来的是ASK解调数据;FDATA为高,表示到来的是FSK解调数据。微控制器连接SCLK、CS、DIO引脚对MAX1472内部的寄存器进行读写。
4 接收模块软件设计
上电后MCU初始化并配置MAX1471、LCD显示及报警装置,之后MCU等待MAX1471传来的数据,接到数据后进行循环冗余校验[3],在接收的数据中包含了轮胎的ID号把它与存在MCU里ID号进行比较,只要有一个相符,数据就确认有效,MCU在处理的时候根据传来的数据与它内部设定的报警限值进行比较,看看压力是否偏低,温度是否偏高,以及发射部分电源电压是不是偏低从而决定是否需要报警。如遇非常情况使相应的轮胎图形开始闪烁,蜂鸣器发声以示报警,其软件流程图见图3。
5 结束语
本方案通过对发射数据的编码和校验提高了收发过程的抗干扰性能;通过异常数据多次发射提高了系统的安全性。经实验测试,该系统对气压的检测,误差不超过±3PSI;对温度的检测,误差不超过±3℃;有效通讯距离大于10m,能够满足轿车和其他中小型车辆的需求。
本系统充分利用MAXIM公司的发射芯片MAX1479、接收芯片MAX1471和传感器SP12[4]的特性,结合适当的软件设计,对低功耗、收发距离与可靠性等问题提出了一个较好的解决方案,具有产品化、商业化的前景。
摘要：由于现代汽车行业对轮胎的要求越来越高,基于防止轮胎的爆裂,本文提出的TPMS(Tire Pressure Monitoring System)采用英飞凌公司的传感器SP12为核心开发出的发射模块,发射部分微处理器用Microchip公司的PIC16F630,RF选用MAXIM公司的MAX1479。接收模块微处理器选用PHILIPS公司的LPC2131,RF接收部分用MAXIM公司的MAX1471。实现了直接式TPMS。
关键词：轮胎压力监测系统,ARM,MAX1471,LCD12864
参考文献
[1]余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,2002
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压力监测 篇7
随着煤矿开采强度不断增大,开采逐步向深部转移,巷道掘进压力显现越来越剧烈,尤其是掘进工作面前50 m左右,压力变化大,两帮易变形,极易发生顶板垮落[1]。在地质条件复杂的区域,顶板垮落发生范围一般较大,危害严重。因此,实现巷道围岩压力监测对保障煤矿安全生产具有重要意义。
现有的煤矿掘进巷道灾害监测技术仍存在不足: 巷道表面位移、巷道深部位移和锚杆应力等数据大多由人工采集,工作量大,效率低,而且缺乏系统、有针对性的研究; 因开采条件具有特殊性,特别是对于掘进工作面,传感器布线困难,难以有效监测并分析围岩稳定性,且监测技术的预警能力弱。针对该问题,本文采用无线传感器技术,设计了一种施工简便、布线快捷、预警准确性高的煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统,对掘进巷道的稳定性和安全性进行实时监测及预警预报。
1系统组成及通信模式
1.1系统组成
煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统分为井上、井下两部分,由监测主机、数据服务器、监测软件、矿用隔爆兼本质安全型网络交换机、数据传输接口、通信主站、监测分站、无线网关、应力传感器、顶板离层传感器、声发射传感器等组成,如图1所示。 系统基于井下工业以太环网,采用CAN总线多主通信方式,传感器可以挂接到监测分站上,也可以挂接到CAN总线上,使系统布线更加灵活,节点更加智能[2]。该系统可与矿局域网、所属集团广域网实现互联互通。
1.2系统通信模式
为提高总线数据传输效率,缩短异地断电时间, 提高组网灵活性及整个系统的可靠性,系统采用CAN总线多主通信方式。通过合理安排消息优先级,设置报文标志符ID,使CAN总线实现多主通信,采用“载波监测,多主掌控/冲突避免”的通信模式解决多个节点同时访问总线时产生的竞争机制[3,4]。监测分站与 数据传输 接口通信 速率为5 kbit / s,最大传输距离达2 km; 当传感器输出采用无线方式时,发射信号中心频率为2. 4 ~2. 483 GHz,无线网关与传感器无障碍通信距离可达200 m。
2系统工作原理及相关技术
2.1系统工作原理
系统以计算机网络为基础,同时可与井下CAN总线通信电缆、通信光缆、工业以太环网进行数据交换。系统监测分站容量为32台,分站带载最大传感器数量为36台,可实时采集巷道掘进工作面顶板离层、声发射、顶板应力等参数,并将采集数据保存到监控中心数据库,通过上位机进行实时显示及预警。
系统具有较好的延展性,可以选择监测顶板离层传感器、声发射传感器或应力传感器中的1种或多种,还可接入符合通信协议的其他类型传感器,如支架压力传感器、超前应力传感器等,从而满足煤矿用户的特殊需求。
监测分站实时采集矿井环境参数,如顶板位移、 锚杆( 索) 应力等。当通信中断时,监测分站可独立工作。当交流电断电时,监测分站可持续工作2 h以上,并且保存相应数据,具有声光报警功能。
无线网关是系统的信号转换设备,采用Zig Bee技术将井下无线传感器监测的各种数据接入井下监测分站,进而实时上传到井上监控中心,为井上、井下信息交换提供平台[5]。
无线传感器集成了数据路由功能,实现了自组网通信,有效降低了传感器布线及安装的难度。无线网关可根据无线传感器的安装位置,动态生成新的数据传输网络拓扑线路,传感器可与之最近的传感器进行无线自动组网及通信。
无线传感器进行自组网通信时,除常规的电源箱供电方式外,还设计了应急状态下的自供电电路, 采用具有保护功能的本质安全型电池组供电,如图2所示,在常规供电间断时,保证无线自组网通信的正常进行。
2.2无线传感器自组网技术
无线传感器自组网的核心是路由算法。基本路由算法包括Cluster - Tree和AODV算法。ZBR路由算法既具有AODV算法的路由寻优能力,又具有Cluster - Tree算法的无初始延迟优点,显著提高了网络路由的性能[6]。
传统ZBR路由算法将网络节点分为RN + , RN - ,RFD 3类。RN + 节点具备AODV算法的存储能力; RN - 节点的存储空间受限,执行Cluster Tree算法进行路由处理; RFD为终端节点。当RN + 节点需要对网络中的某个节点发送分组时,若不存在通往目的节点的路由,则按照AODV算法进行路由发起发现过程,发出路由消息( RREQ) 。ZBR路由算法组网过程如图3所示。
改进的ZBR路由算法将所有节点设置为2种状态。在预先设定的正常组网状态下,节点均为RN - 状态,按照Cluster - Tree算法进行路由处理。 当某一节点按照Cluster - Tree算法无法与子节点通信时,该节点转换为RN + 节点,按照AODV算法进行RREQ广播,与新的子节点建立通信,组成新的通信拓扑网络。该方式不但能提高无线传感器网络的可扩展性,还能有效减小无线传感器的能量消耗, 进而延长待机时间。在煤矿井下实际环境中,建立如图4所示的网络结构。系统正常工作时,节点4无法连接到无线网关,按照Cluster - Tree算法与最近的节点3通信,节点3按照Cluster - Tres算法与节点2通信,最终将数据传输至无线网关; 节点3发生故障时,节点4按照AODV算法重新组网,与节点2通信,无线网络结构发生重组,生成了新的通信拓扑网络。
3系统软件设计
3.1系统软件功能组成
系统监测主机软件基于. Net3. 5平台开发,采用B / S和C / S相结合的方式。系统功能模块如图5所示。
( 1) 系统信息设置模块。该模块包括掘进巷道编号、断面形状、支护形式、巷道净宽、巷道净高、应力测线数、位移测线数等,以及监测主机、监测分站和传感器的地址编号、类型、位置、测线编号等。该模块可设定单个传感器报警限值及多参量综合预警流程。
( 2) 数据采集存储模块。该模块基于VC开发,通过传输接口向井下监测分站发送命令,使用I / O完成端口模型对数据服务线程进行管理,提高了数据并发处理能力。采集的数据报文经过校验和解析,采用变值变态算法保存到数据库中,可减少50% 以上的数据存储空间。
( 3) 数据双机热备份模块。为了保证数据的安全,采用基于纯软件的双机热备份系统,如图6所示。A,B两机通过socket接口通信,采用心跳包状态交换技术实现A,B机的切换。当A机处于工作状态时,A机与井下监测分站通信,B机处于休眠状态,A机将接收到的数据保存到本地的同时,定时向B机发送一份数据 ,B机将该数据保存到本地数据库,实现A,B机数据动态一致。当A机发生故障时,B机自动唤醒并接管通信工作,保证系统正常运行。
( 4) 实时数据显示模块。不同掘进工作面的传感器数据可通过曲线图、柱状图和列表等方式进行动态显示,并通过颜色的变化显示通信状态和报警级别。
( 5) 历史数据显示及报表显示打印模块。该模块可通过曲线图、列表方式进行原始数据、日报表、 月报表、报警统计、自定义等各种类型报表的查询及打印。
( 6) 数据分析预警模块。为了对采集数据的准确性进行判断,采用均方差分析方法将复杂的原始数据进一 步处理后,得出巷道 顶板受力 连续曲线[7]。例如当顶板应力高于平均值且小于1倍均方差时为受力较高,高于2倍均方差时定义为异常数据。采用直方图分析法进行巷道应力分析,绘制某时间段内顶板应力 - 时间百分比柱状图,作为评估巷道支护质量的依据。
3.2多参量综合预警模型
巷道围岩状态监测主要包括巷道围岩位移、锚杆( 索) 应力、声发射信号等,传统的预警方式为每一个监测参量设定预警阈值上下限,当监测值达到该限值时发出声光报警。该方法很难解决系统误报、漏报等问题。为了最大限度地提高报警的准确性,需要对报警数据进行多个参量的关联分析。
当巷道受力发生变化时,往往是所监测的多个参量同时发生变化的过程,例如当巷道顶板来压增大时,顶板应力会相应增加,巷道发生变形。随着煤岩受到挤压破裂,会探测到相应的声发射信号等,而巷道的变形和围岩的破裂又会释放掉一部分聚集的能量[8]。巷道围岩监测的多参量综合预警流程如图7所示。系统软件采用监测值的增量或增速来分析判断异常情况的发生,监测值的增量或增速视煤矿实际情况及经验而定。通过3个参数的综合增量变化,按照预设的判断流程来确定是否发出预警。
4结语
矿山压力监测与数据处理分析系统 篇8
基于对以上情况的综合考虑,在充分利用我校先进的矿压理论研究基础上,结合已开发完成的于矿压监测相关的系列产品,如KJ216综采支架压力监测系统,采用新的软件设计理念,先进的软件开发工具以及数据库技术等研发了矿压数据监测与数据分析平台系统。
1 系统总体设计
总体设计的任务是根据需求分析阶段得到的目标系统的物理模型确定一个合理的软件系统的体系结构[5]。本系统依据已有的矿压理论研究,结合煤矿工作面的压力、进尺等数据,最终给出目标工作面内的矿压规律,并且利用计算机将压力数据用图形展示出来;通过极值求解的算法,借助信号处理的方法,利用极值点实现在杂乱的时序数据里获取初撑力和循环末阻力进而实现周期来压步距的提取;将压力数据通过人为设定相关参数将数据结果分析出来,从而节省了人力、物力,提高了工作效率[4]。软件的功能分解属于软件开发中的总体设计阶段,软件的总体设计从总的方面决定了软件系统的扩充性和维护性[6]。本系统的软件功能分解如图1所示。
2 系统模块设计
煤矿顶板动态监测与矿压数据分析平台主要是对矿井中监测的数据进行数据处理,主要分为以下五个功能模块:系统设置模块,数据监测模块,数据查询模块,数据分析模块和用户设置模块。每个主要功能模块又有各个子功能模块。
2.1 系统设置模块
系统设置模块这一模块包括矿井基本信息设置、监测分站设置、生产进度管理、测点设置、报警设置、系统初始化。矿井基本信息设置主要实现对应用单位、工作面、区域和支架等信息进行添加、修改和删除的功能;监测分站设置实现了对监测分站的各种参数的添加、修改和删除的功能;生产进度管理实现了对生产工作面推进进尺和班产量的添加、修改和删除的功能;测点设置实现了对监测点对应的支架以及支架接线次序进行设置,同时对支架信息进行添加、修改和删除的功能;系统初始化是对系统的所有信息进行初始化。
2.2 数据监测模块
数据监测模块主要是用来进行数据采集的。传感器将井下的矿山压力数据采集以后通过光纤将数据传送到一个通讯分站中。计算机通过USB接口和通讯分站相连,系统中的数据监测模块通过调用Serial Port类,采用RS232通信协议将数据从通讯分站中解析出来,存入数据库中完成数据采集的工作。数据采集模块的工作原理如图2所示。
2.3 数据查询模块
数据查询模块下的单点阻力查询可以用来查询单点阻力曲线;单架阻力查询可以用来查询单架阻力曲线;平均阻力查询可以用来查询一个工作面内所有支架的平均阻力曲线;测点监测数据查询可以某个测点支架的原始数据。
2.4 数据分析模块
数据分析模块下的提取进尺是用户根据查询条件选择工作面内的进尺类型;计算循环是用户根据限定值和最小阈值在原始数据里求出循环;计算初撑力和循环末阻力是根据进尺和循环求出初撑力和末阻力;计算来压步距是根据循环末阻力和限定值求出显著步距和稳定步距;导出报表是根据计算结果导出相应的报表。
2.5 用户设置模块
用户设置模块主要是包括用户管理和修改密码,在这一模块中用户可以根据提示修改个人信息,系统管理员用户可以在这一模块中添加普通用户并为其设置相应的权限。
3 系统实现
3.1 系统的技术架构
系统主要使用C#语言进行开发,数据库为SQL Serv⁃er2008,采用MVC三层架构的设计模式搭建该项目的一个完整开发环境。系统分为表示层(UI)即View,业务逻辑层(BLL)即Controller,数据访问层(DAL)即Model的三个层次来实现程序“高内聚,低耦合”,MVC的框架如图3所示。
3.2 系统的体系结构
系统采取的是客户机和服务器结构,即Client/Server体系结构。C/S结构的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力,很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。对应的优点就是客户端响应速度快。本系统的物理结构主要有系统设置模块、数据通讯模块、数据分析模块、数据查询模块、更改外观和用户设置模块构成,系统的物理部署由客户端以及数据库服务器SQL Server2008组成。
3.3 系统数据库结构
本系统共有11个表,存储的数据主要有煤矿基本信息、工作面基本信息、进尺和产量统计信息、支架压力传感器信息、初撑力和末阻力信息、步距信息等各种信息。系统开发的数据接口是ADO.NET,ADO.NET数据提供者对象接口实现了通用数据访问类,在访问数据库时可以统一调用通用的数据库访问接口,使应用程序能够高效、快捷和安全访问数据库,从而提高代码的重用性、通用性、灵活性和扩展性。
4 结束语
目前为止,安全生产一直是困扰煤炭企业长期生存发展的重要问题,本文结合已有的矿压监测设备和矿压理论研究成果,设计的矿压数据监测与分析平台,解决了矿压规律预测与分析的问题。
本文取得的最主要成果有:
1)本文提出了把C/S的模式应用于煤矿压力的监测和数据分析的信息管理中,提高了安全监察管理的效率和数据处理的准确性。
2)矿山压力监测与数据处理分析系统支持多种原始数据的计算,最大限度的保持数据的有效性。
3)系统采用可视化的设计理念,能够将原始的压力曲线实时的显示在界面上,用户可以更直观的看出矿压压力的变化规律。同时外放计算参数,用户可以根据实际需求改变参数来改变计算结果,最大程度上提高计算结果的准确性和实用性。
摘要：在矿山生产过程中,由于对矿山压力显现观测预报不及时和处理不当所引起的生产事故,对矿山企业安全生产和矿工的人身安全构成了极大的威胁。由于矿压环境的复杂多变性,受海量实时数据的限制,矿压专家很难从矿压数据中分析出矿压运动规律。基于对矿压理论的分析,开发出一套矿压数据处理系统通过极值求解的算法,借助信号处理的方法,利用极值点实现在杂乱的时序数据里获取初撑力和循环末阻力进而实现周期来压步距的提取,来辅助矿压专家对矿压运动进行分析。
关键词：矿山压力,数据分析,来压步距,初撑力,循环末阻力
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压力监测 篇9
汽车在高速行驶过程中,轮胎故障是杀伤力最大和难以预防的事故隐患,是交通事故发生的重要原因之一。在中国46%的高速公路交通事故是由轮胎故障引起的,这其中爆胎一项就占总数的70%。试验证明,80%的轮胎爆胎是有预兆的,至少在爆胎前一个小时,轮胎的胎内压力和温度会出现异常。这为实现轮胎爆胎预警提供了技术上的支持。因此TPMS汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之一,与汽车安全气囊、防抱死制动(ABS)系统一起被大众认可并受到重视。
1、法规研究
在美国,由于1990年的FIRESTONE轮胎召回事件(爆胎翻滚造成100多人死亡),TREAD法案强制安装TPMS系统;NHTSA (美国高速公路安全管理局)在2005年4月颁布法案,要求自2007年9月1日起,在美国销售的4.5吨以下的轻型机动车需要配置TPMS。
在欧盟,2009年3月欧盟的ECR-64法案,要求在2012年1 1月,所有在欧盟核准的新车型均要具备任意一个轮胎气压低于推荐值20%时,在10分钟内要报警。
在亚洲,韩国要求2012年1月起所有新车型必须加装,2014年6月起所有已注册车型必须加装;中国2011年1月颁布TPMS相关标准GB/T 26149-2010。
2、监测系统的组成
监测系统由胎压监测模块、接收器模块和现实模块组成。监测模块安装在轮胎内部或车轮表面、测量车辆轮胎压力参数并进行信息传输;接收模块用于接收胎压监测模块发来的信息并向现实模块发送信号;显示模块用于显示报警指示图形符号、文字或数值等信息的装置。需要指出的是,商用车车体较长,尤其是半挂牵引车,如果监测模块采用RF射频进行信号的发送,需要在挂车底盘加装一个中继器,将挂车轮胎上的信号进行接收、放大并传输给接收器。如图1。
中继器接收实线框中的监测模块的温度压力值,接收器接收虚线框中的监测模块的温度压力值,中继器将信号放大传输给接收器。
3、监测模块和接收模块原理
3.1 监测模块工作原理
监测模块由内置电池提供电源,传感器监测轮胎内部的加速度、温度、压力值,同时带有LF接收器,接收LF激励信号,通过天线将传感器信息以射频信号发送出去。
3.2 接收模块工作原理
接收模块利用内置的RF接收器接收到温度压力等信息,通过微处理器将温度压力值打包,用报文的方式发送到总线上,车载显示屏或仪表接收报文信息显示相应值。
4、TPMS系统软硬件设计
4.1 硬件设计
以商用车为例:监测模块采用英飞凌SP37T,集成测试环境气压的压力传感器,Z轴及速度传感器,温度和电源电压传感器,拥有16K Byte ROM和256 Byte RAM,集成434MHz射频发射和125KHz低频接收。
接收模块采用英飞凌TDA5210,拥有400-440MHz和810-870MHz的可选载波范围,兼容FSK和ASK解调方式,FSK接收灵敏度小于-100dBm,ASK接收灵敏度小于-107dBm,集成VCO和PLL。
4.2 软件设计
1)TPMS接收模块的软件控制策略及通信协议:在TPMS接收机内部调整结束之后,就可以实现轮胎的辨别与通信处理,轮胎位置自动识别的实现,主要是TPMS接收机利用低频触发器的作用,把低频无线信号放大处理,以保证轮胎的ID信息和气压数据得以处理返回,保证TPMS接收机对轮胎的参数和位置实施处理。网络通信主要有网络管理帧、数据处理、故障诊断。
2)监测模块的软件控制策略及通信协议:对于无线传感器而言,软件控制常涉及到初始化、中断唤醒、参数测试、数据解调等。处于运行中的无线传感器功能优越,不仅能对气压、温度实施检测,还能处理相关的数据信息,若感应到数据中气压值或相关参数存在异常情况,则会给出对应的报警信号,并利用无线途径对报警信息及时处理,此后才进入睡眠状态。
由于监测模块发车的射频信号容易受到干扰,解调后的数字信号会出现毛刺,如图4,普通的电平或沿跳变判断算法无法过滤毛刺,导致数据解析错误。采用定点采样解码算法来规避干扰:定点采样算法依据解调后的数字信号特征,设计采样点及采样间隔,如图5,通过对采样点进行滤波处理,正确解析数字信号。
5、TPMS系统在轮胎防盗中的设计探讨
国标GB/T 26149-2010在4.2.4条中规定TPMS应具有故障报警功能,系统运行后,当系统本身出现故障时应在10min内发出故障报警信号。当停车时,若轮胎被盗,接收模块就接收不到监测模块的温度压力信号,即认为轮胎被盗。考虑到10分钟的时间可以满足盗窃者卸下轮胎螺母成功盗走轮胎,可将故障报警时间缩短到5分钟。默认接收模块3次未收到温度压力信号即报警,这就要求接收模块工作时间增加,监测模块的发射周期、接收模块平均功耗和监测模块寿命存在以下关系:
可见,平均功耗和监测模块寿命成反比关系,在实际应用中,要充分结合车辆实际情况设计合理的报警时间。
6、结束语
本文阐述了车用轮胎压力与温度监测系统衍生的背景,工作原理及方法,运用合理的软硬件设计实现在车辆上的运用,实时监控制动气压和温度,保证制动性能,为驾乘人员提供了安全保障。
摘要：汽车胎压监视系统主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压、温度进行自动监测,对轮胎漏气、气压异常高温进行报警。制动系统的性能与驾乘人员安全密切相关,因此制动气压的精准性是一个非常重要的问题。
关键词：胎压监测系统,制动安全性
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