无线压力仪表

无线压力仪表（共7篇）

无线压力仪表 篇1

0 引言

在工业领域内, 传统的压力仪表需要通过电缆传输其采集到的数据, 成本高, 并由此带来人工费用和日后的维护费用问题。另外, 有些场合难以铺设电缆, 若需要增加仪表, 则必须重新挖开电缆沟铺设电缆, 成本明显上升。无线压力仪表能很好地解决传统压力仪表在有线传输方面的不足, 成本低, 数据传输的稳定性强, 安全性及可靠性高。

在常用的无线通信技术中, FM (Frequency Modulation) 无线技术极易受到干扰, 稳定性欠佳;红外无线传输技术对指向性要求很高, 发送端和接收端如果偏离角度或者有障碍物, 就会出现不能传输的问题, 再者其传输距离较短, 一般不超过10 m;蓝牙技术传输数据量小, 且需要交纳专利费, 提高了开发成本。WIA-PA[1] (Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation) 是我国制定的用于过程自动化的工业网络规范[2], 支持扩频通信与窄带通信 (433 MHz低频频段支持窄带通信, 通信距离远, 绕障能力好;2.4 GHz高频频段支持扩频通信, 通信速率高, 抗干扰能力强) ;采用TDMA/CSMA混合接入模式, 支持周期性和非周期性通信负载;具有TDMA、跳频通信、自动重传机制、Mesh路由、设备冗余等多种措施, 通信可靠性高;WIA-PA网络的物理层和链路层基于IEEE802.15.4标准, 符合该标准的设备都能加入WIA-PA网络, 组网方便快捷。因此, 笔者基于WIA-PA工业无线网络[3,4]技术, 开发了一种实用的新型无线压力仪表。

1 WIA-PA工业无线网络结构

WIA-PA工业无线网络采用星型-Mesh两层拓扑结构, 如图1所示。其中第一层为Mesh结构, 由网关设备和路由设备构成;第二层为星型结构, 由路由设备及现场设备或者手持设备构成。

2 无线压力仪表概述

基于WIA-PA的无线压力仪表是一款电池供电、具有RS485通信功能的高精度智能仪表, 适用于军工、工控等多种领域流体差压、流量的检测, 也可用作测量表压[5]。与传统的压力仪表相比, 该压力仪表增加了无线传输模块, 可无线连接到WIA-PA网络, 无需现场布线, 且由电池供电, 方便使用。无线压力仪表通过检测WIA-PA网络中的超帧信号加入WIA-PA网络, 与路由设备构成星型网络。

该无线压力仪表采用128×64点阵液晶显示现场数据, 采用超低功耗设计, 可在现场使用1 a以上;采用金属外壳及全密封防爆设计, 保证全天候无忧作业;使用2.4 GHz ISM频段传送数据, 最大传输速率为250 kbit/s, 在无干扰的情况下, 最大传输距离为1 km;数据透明传输, 一次传递数据包可达127 B, 采用硬件128位AES加密。

3 无线压力仪表硬件设计

3.1 总体结构

图2为基于WIA-PA的无线压力仪表的总体结构, 其包括传感器数据采集部分和数据无线发送部分。在供电的情况下, 传感器采集到的信号为模拟信号。该信号要经过信号采集板进行放大及模数转换成为数字信号, 最终在液晶显示屏上显示出来。经信号采集板处理后的数字信号能够经过SPI总线传送到数据无线发送部分的主电路板上。主电路板的硬件电路设计在一个圆卡上, 其能够接收传感器采集的数据, 对采集到的数据进行分析处理, 完成程序下载, 运行程序, 从而实现无线通信, 还能够管理电源 (包括电量测量与智能充电等) 。

3.2 主电路板

图3为基于WIA-PA的无线压力仪表的主电路板组成原理。主电路板接收到传感器采集到的信号后对其进行RS485转换, 成为主处理芯片CC2431所能接收的电平信号, 并将其发送到CC2431[6]。CC2431对数据进行分析处理后, 根据WIA-PA协议在适当的时刻将该数据发送出去。数据发送过程:CC2431先将数据传送到天线放大器CC2591, 将其放大到2.4 GHz的高频段, 然后通过天线对数据进行无线发送。在现场工业环境中, 信号可能会受到多种因素的干扰, 使用CC2591可提高无线压力仪表的抗干扰能力。此外, 天线能将接收到的信号传送到CC2431, CC2431对该信号处理后, 根据WIA-PA协议完成相关的处理操作。这样无线压力仪表就实现了其与基站或路由设备之间的数据通信。

3.2.1 电池管理模块

无线压力仪表的电池管理模块采用MAX8677芯片。MAX8677具有智能充电功能, 当CC2431检测到电池电量不能满足无线压力仪表的工作要求时, 通过MAX8677为电池充电。充电方式有两种:AC充电和USB充电。当电池温度过高或者电池充满时, MAX8677能自动取消充电。另外, 主电路板中采用了稳压器MAX8881与TPS77033, 以得到满足无线压力仪表正常工作的稳定电压。

3.2.2 无线通信模块

无线通信模块由天线放大器CC2591、低频射频收发器CC1101和主处理芯片CC2431组成。在无线通信模块中采用低频和高频两种频段。一般情况下采用高频2.4 GHz, 当2.4 GHz频段繁忙时, 可通过低频433 Hz来保证电路的正常工作。为了扩大射频范围, 采用了CC2591天线放大器。同时, CC2431通过UART转RS485接口与现场设备通信, 以读取和监督现场设备的工作状态。CC2431具有高性能、低功耗的8051微控制器内核, 能够满足 2.4 GHz IEEE 802.15.4射频收发要求, 同时具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能, 且拥有高级加密标准 (AES) 协处理器, 保证了通信的安全性。

3.2.3 信号流

图4为基于WIA-PA的无线压力仪表信号流。从图4可看出, 信号采集板将数字信号传送到主电路板上的RS485接口进行格式转换, 之后数据进入CC2431, 根据WIA-PA协议, CC2431在适当时刻将数据包发送至CC2591, 最后经天线发送出去。CC2591相当于一个高频信号发射器, 能够加大发送信号的强度, 从而大大降低了无线通信过程中所受外界干扰的影响。接收数据时信号流动过程与此相反。

4 无线压力仪表软件设计

4.1 WIA-PA协议层次

WIA-PA协议层次结构遵循ISO/OSI层次结构, 其基于IEEE802.15.4的物理层和MAC层, 并定义了数据链路层、网络层和应用层, 如图5所示。

4.2 程序流程

图6为基于WIA-PA的无线压力仪表程序流程。该程序首先初始化硬件部分, 即关闭所有的中断, 初始化硬件端口, 设置定时器, 设置系统的时钟基准, 设置DMA (包括使用DMA Configure数组记录DMA配置和设置DMA配置结构体的地址) , 设置通道, 初始化串口UART, 设置射频, 设置中断的优先级。硬件初始化完成后, 开始运行软件初始化程序。

软件初始化包括初始化全局系统状态字节、初始化定时器的值、设置信道和同步时隙、准备信标帧、初始化任务链表为NULL、初始化设备属性、设置需要周期更新的属性、设置压力表站号、启动DMA、启动时钟。软件设置完成后, 根据WIA-PA协议, 无线压力仪表即可申请入网了。

无线压力仪表申请入网流程:无线压力仪表向WIA-PA网络发送入网请求, 之后进入等待阶段, 若入网请求被拒绝, 其可休眠一段时间, 然后再次发送入网请求并等待回复;若入网请求得到同意, 则无线压力仪表会收到同意入网的数据包, 该数据包中包含分配给该无线压力仪表的地址和信道号, 以及一些资源信号, 如超帧长度、时隙数、在哪个时隙发送数据、在哪个时隙等待接收数据、在哪个时隙准备在发送时隙发送的数据、发送数据的周期时间等。

无线压力仪表成功入网后, 可以和路由设备正常通信。路由设备可将无线压力仪表数据发送至网关, 网关可连接主控计算机, 从而在主控计算机上获得无线压力仪表在现场采集的数据。

当不需要无线压力仪表工作时, 网关设备可以发送指令, 通知无线压力仪表进入休眠状态, 以降低能耗。需要采集数据时, 网关设备向无线压力仪表发送指令将其唤醒。

5 结语

基于WIA-PA的无线压力仪表采用CC2431作为主控制芯片, 不仅具有传统压力仪表的优点, 而且没有现场布线的成本花费, 安装灵活, 功耗低, 数据通信安全性及可靠性较高, 还具有良好的开放性。目前, 该无线压力仪表已在工业现场应用, 经测试, 其可实现数百米的稳定传输, 误码率小于1%。

摘要：针对传统的工业压力仪表需铺设电缆进行数据传输而导致的高成本问题, 详细介绍了一种基于WIA-PA的无线压力仪表的软、硬件设计方案。该无线压力仪表以WIA-PA无线网络技术为基础, 采用集成了2.4 GHz射频功能的CC2431作为主处理芯片, 成本低, 组网灵活, 数据传输安全性及可靠性较高。工业现场应用表明, 该无线压力仪表可实现数百米的稳定传输, 且误码率小于1%。

关键词：无线压力仪表,WIA-PA,无线传输,射频通信,CC2431

参考文献

[1]于海斌, 梁炜, 曾鹏.工业无线网络技术体系与WIA标准[J].世界仪表与自动化, 2008 (11) :17-20.

[2]曾鹏.工业无线技术的标准化与应用[J].中国仪器仪表, 2008 (3) :40-44.

[3]高汉荣, 冯冬芹.工业无线网络的现状及发展趋势[J].中国仪器仪表, 2008 (增刊) :87-89, 95.

[4]王华, 刘枫, 杨颂华.工业无线网络WIA-PA网络研究与设计[J].自动化与仪表, 2009, 24 (7) :17-21.

[5]TEXAS INSTRUMENTS.A True System-on-chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee[EB/OL].[2011-04-12].http://www.ti.com.

[6]中国科学院沈阳自动化研究所.工业无线网络的应用[EB/OL]. (2010-03-10) [2011-04-11].http://www.industrial wireless.cn/03.asp?pd=cp&id=33&anclassid=15&nclassid=608.

[7]曾鹏.无线传感器网络与工业无线测控系统[J].控制工程, 2007 (10) :44-46, 48.

“半无线”仪表及其应用 篇2

随着可用无线仪表设备的增多,你或许已经注意到大多数都是针对不太复杂的终端仪表设备,比如温度传感器和压力传感器。结构更复杂的仪表像流量计等,这方面进展就比较慢了。

选用仪表,比较简单的方法是在供应商拿出价格较低而耗电较少的设备、而且设备本身适合电池供电的时候进行挑选。供应商向你展示这些不需要任何接线的传感器,连数据线和电源线都不需要。问题是在现场仪器操作中,适合电池供电的技术太少了。

供应商们对处理设备无线电的电耗性能很有一套。一旦确定好将要传送的数据数量、更新额定频率和转发器的通信量,你就可以非常精确地计算出所需要的电量,并根据此需求量选择合适的电池。一套自备电池的设备,其致命弱点就是传感技术要从同样的电池当中获得电力。

优化传感器电源

无线电通过在几毫秒内发送数据来增加其效率并且在传送间隙进入睡眠。从最大化电池的寿命来说,变送器技术需要匹配如此快速的反应,但是它们并不全都是这样。虽然变送器性能变化范围很广,但是不全是一开始就有反应的。变送器及其处理器电路可能需要在电源开启之后才稳定下来,然后它们测量出来的才是最终的数据,并且可以进行发送。这一过程也仅仅需要几毫秒,但是在乘上该过程不得不发生的次数之后,计算出的结果的时间相对于电池的寿命来说将会是无限长。因此,供应商们开始认真考虑扩展其无线技术能力并且寻找新的方式来优化这些性能。回到那段使用回路电源的日子,没有什么需要特别担心的,但是那段日子已经一去不返了。

有些技术应用可能永远不会靠电池来运行。一套大型的科氏流量计或者电磁流量计将会需要外接电源,尽管市场对这些产品的需要最近几年大大降低。那么对于这些需要外接电源的半无线装置来说有什么机会呢?

·许多这类装置将不再需要做在一个集成无线套件当中了。添加内置无线电仪表将不再优于购买一个附加式的通用变送器,尽管供应商们将根据市场需求来做出这个决定。

·外接电源不一定非得是电力供电。一个太阳能电板和充电电池或者相似的装置对远程使用来说或许已经足够了。

·一个明显的优点是不需要再拉一条新的数据线,但是对于终端用户而言,实际成本还是需要根据给定的场所和应用装置来确定;

·在多数的工厂环境下,电源的位置比集线柜或者相关的I/O连接点可能要更加靠近。但不管怎样,你不会仅仅把仪器插到最靠近的电源插座的。大多数工厂有仪器级的电源,和照明线路、通用电路并联的。仪器级电源有更好的调节,更好的保护和更好的配置,避免因为失误而轻易被关闭,而相对照明电路来说就不是那么重要了。因此,拉一条仪器专用的线路到一个装置所需要的距离和费用也是要根据特定场所来决定的。

·如果你在一个给定的单元上有很多装置都需要无线通信,那么使用一套无线远程I/O终端来收集数据、并通过一个无线以太网将收集的数据发送回去将比使用多台单个变送器简易得多。

艾默生:如何发挥无线仪表的作用 篇3

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运行成本和投资成本的不断上升,使勘探和生产型企业越来越关注于使用经济的无线方案。

在过去两年里,油气行业的创新者们已经体验并证实了无线监测仪表在远程或难以到达区域中的应用价值,在这些应用中如果采用有线设备,那么所需的高昂建设成本将是无法承受的。无论从运行性能还是成本考虑,无线方案都具有很大优势,而且安全可靠,可以广泛应用于传统采用有线方案的上游作业中。

传统的接线依然会用于连续控制,如海上平台和炼油厂,以及安全系统。但无线技术已普遍应用于现有工厂装置中,而且在新建项目中也已开始使用。

先进的无线技术与有线技术相比,投入成本低,占地面积少,是平台应用的理想选择。与传统4-20毫安有线模拟量仪表相比,安装无线每个节点可节省30%的费用,无线技术在北美地区已成为主流应用。

任何熟悉工业自动化的人都知道,从本世纪90年代中期开始,人们就在寻找一种可以替代4-20mA模拟标准的技术,后来ISA开发了Foundation现场总线等技术,已为各工业行业广泛应用。

最新的研究表明如果所需敷设电缆不超过250米,连接点数小于500点,那么无线仪表的安装成本比Foundation现场总线方案还要低。如果高于这个指标,现场总线方案会比无线方案更省钱。这就说明海上应用可以综合利用这些技术,在安全系统中采用传统的4-20毫安;控制采用现场总线;监测和低频率控制应用则使用无线技术。无线的优势还包括:简化工程和实施工作,启动更快更灵活,既使后期改变设计也没问题,因为它的安装非常简单。

安全也是需要考虑的因素,过程和运行信息可根据需要进行无线传递,工作人员无需在高压高温的地方人工读取数据。

艾默生智能无线方案采用自组织网状网络技术,弥补了老式的,需要目视路径的系统所存在的缺陷。比如,无线仪表可以任意分布在陆上油田,而采用传统的有线仪表进行数据采集难以实施,而且缺乏灵活性。自组织网状网络连续监测压力、温度、流量和振动测量设备的数据传输,并自动寻找信号到达网关的最佳通讯路径,如果临时出现某个障碍物挡住了通讯路径,邻近的无线仪表可作为路由器继续传递信号。通过这种方法保持信号的连通,可使数据传输的可靠性达到99%以上。

这项技术是WirelessHART标准的根本,该标准获得了200多个代表仪表厂商和用户的HART通讯基金会成员的认可。目前已有相当数量的现场仪表、阀门和设备定位监测器、振动数据变送器和智能无线网关可以满足这项标准,并已应用于石油工业。

成功项目

英国BP Wytch油田很早就开始应用智能无线网络,这是欧洲最大的海上作业油田之一。为了提高工作人员的效率,免除每天人工巡检读取井口仪表读数的工作,BP公司安装了40台罗斯蒙特无线压力变送器,每个井口2台。智能无线网关单独安装在过程区域以外,将无线变送器的信号传递到控制系统。新添加任何一台无线仪表只需30分钟即可运行,无线仪表可对油井进行连续监测,发现压力的异常情况。

BP公司的经理Chris Geen说:“Wytch油田是BP公司用以证明自组织无线网络是否适用的一个重要试点项目。随着这个项目的成功应用,BP还准备将智能无线方案应用于相类似的海上平台中。”

StatoilHydro公司在其Grane石油平台上也采用了智能无线网络,用以对地处北海岸偏远地区的井口和热交换机进行远程监测。有些障碍物会阻挡目视通讯路径,但对于自组织无线网络来说这完全不是问题。

在这个案例中,井口安装了22台无线压力变送器,用以测量环空压力,另外12台表监测进口压力和热交换机的压降。每台变送器通过无线网关将数据传递到控制室操作站。

在无线仪表的使用过程中,信号强度和一致性表现出色,数据可靠性和稳定性达到100%,大大减少了人工读取仪表数据的工作量。同时也减少了工作人员暴露在危险场所的机会,石油平台仪表主管Geir Leon Vadheim说:“我们对智能无线网络的性能相当满意,经过一个简短的培训,我们的仪表工程师就能够根据需要轻松地在任何地方安装新的无线设备。”

委内瑞拉国家石油公司投资几百万美元改造Morichal工厂的自动化装置,其中包括安装无线网络,对180口油井进行监测。该无线自组织网络采用了600多台无线变送器。无线方案不但节省成本,而且可提供可靠的压力和温度测量数据,如果采用有线方案会有接地问题,而安装在井口的电子驱动设备会产生谐波影响有线仪表的精度。

有关无线方案在新建项目中的研究

近期的一些研究表明无论是在小型或大型新建项目中,当智能无线技术占到整个项目I/O的25%到45%时,优势最显著。此外无线技术可提高项目设计的灵活性,同时由于它的实施和安装都很简单,因此还能缩短工期。研究结果显示,新建项目的最佳实施方案是采取有线HART、现场总线和无线通讯相结合的方式。

无线方案用于新建海上人工作业平台。

根据艾默生针对一个40001/O的海上平台所做的一项调查证明,无线技术可广泛应用于过程应用,并不仅仅局限于那些无法采用有线方案或实施有线方案代价过高的地方。

在项目安装成本方面比较有线HART、现场总线和无线设备的各种组合方案,我们发现相对于其它通讯技术无线方案的成本效率最高。在上述石油平台的研究中,大约17%的信号是通过无线设备进行有效传递的,在过程控制系统中安装无线网络节省了7%(100万美元)的安装费用,此外,还减少了800个有线接点,因此减轻了35吨的重量,并由于减少了线缆、线槽、接线盒和机柜,使占用甲板的空间减少了129立方米。

根据常规有线方案的接线长度来进行成本的推算,我们发现无论怎样的距离,无线仪表都能节省费用,而且距离越长,节省越多。研究小组据此制作出一个成本计算器,用以测算采用无线方案实现的项目费用节省。

无线技术用于新建过程工厂。

一家独立的咨询公司对化工过程工厂进行了调研,得出一致的结论:凡是新建项目,无论规模大小,采用智能无线技术都能显著节省安装成本,如果无线所占项目点数的比重为45%,那么其在工程、基建和开车上的花费要比有线方案节省35%以上。

无线压力仪表 篇4

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

[2]颜重光.测系统的设计方案思考.车世界,2006

[3]张平安.16位循环冗余校验码(CRC)的原理和性能分析.通信,2002

无线压力仪表 篇5

无线温度、压力报警装置是为钻井行业中伊顿刹车配置的, 此产品对伊顿刹车使用过程中的断水、水温过高发出报警信息, 提示操作人员及时检查刹车的运行状况, 避免刹车在断水或水温过高的情况下运转损坏刹车。本产品主要由报警控制箱及现场传感器组成。

2 原理

3 技术参数

3.1 防爆控制箱

体积:长×宽×厚=230×135×110mm

电源:220AC/24DC (可选)

3.2 无线温度变送器

分度号:pt100精度等级:IEC B级

固定螺纹:M16x1.5配碳钢底座

测温范围:-50~400℃保护管材质:304

传输距离:视距>300米

环境温度:-30℃~+85℃

3.3 无线压力变送器

供电电源:3.6V/9Ah锂电池

传输距离:视距>300米

环境温度:-30℃~+85℃

4 安装

(1) 防爆控制箱安装在司钻房内, 安装须稳固、牢靠。

(2) 无线压力变送器安装到进水分水器, 开孔尺寸Φ8, 安装底座须与水管焊接牢固 ( 满焊) , 然后将传感探头与底座拧紧。

(3) 无线温度变送器安装到出水分水器, 开孔尺寸Φ8, 安装底座须与水管焊接牢固 ( 满焊) , 然后将传感探头与底座拧紧。

5 使用方法

(1) 将无线温度、压力变送器电池接通。

(2) 防爆控制箱接通220AC/24DC电源, 按下报警控制器电源按钮, 系统将开始工作。

(3) 报警设定值可根据说明书进行设置, 一般情况下不需要设置, 出厂前已将参数设置完毕。

6 结语

本钻井气动水冷盘式刹车无线温度、压力报警装置能够较好的应用于井队现场, 该系统可降气动水冷盘式刹车故障率, 减少维修成本, 稳定生产作业, 同时也为刹车日常管理、维护起到了较大的提升作用。

参考文献

[1]孙松尧.钻井机械[M].石油工业出版社, 2006, 8.

[2]王小强.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].化学工业出版社, 2012, 6.

无线压力仪表 篇6

关键词：超级电容,无线传感器,低功耗

目前,无线传感器被广泛应用于工业现场中,能源问题已经成为无线传感器研究核心之一。针对在水利工程、石油化工及石油天然气等方面的应用,井口无线仪表基于MSP430 单片机和Zig Bee无线技术相互应用,实现对油气田井口参数的采集和无线传输。超级电容器作为一种新型的储能装置,具有功率密度高、充电迅速快、使用寿命长等特性,对其的研究及应用也日益活跃。

1 超级电容

超级电容也称电化学电容器,可以很好地实现能量回收,利用充放电效率高,充放电速度快的特点。可以取代原有的极性电容,不是把能量释放掉,而是吸收储存起来,回馈给母线或者供电端。

超级电容运用于无线仪表最大的特点是上电平稳对电池的冲击小,是电池对其平稳放电,而放电时间短速度快,反应机制高,启动时间与电路的稳定性可以保证电池的耗电小,因此具有很好的循环寿命并且和蓄电池在储存大量能量的时候电压比较匹配。

2 超级电容和蓄电池

蓄电池是较为传统的储能电池,一般情况下,在充放电时,电极电位的变化不大,其储存的能量E=QV(Q:电池放电的电量;V:电池两极电压差)。蓄电池的比容量和电容器的比容量差别大归结于储锂机制不一样,电容器可以获得超大的容量,可达到80000F。

3 井口无线仪表模块仿真

随着石油化工开采规模的不断扩大,开发难度越来越大,融合传感技术、计算机技术和无线通信技术的数字化油田已经成为主流趋势,而抽油机更是数字化油田的重要组成部分。对于井口数据的采集与传输,无线仪表更是至关重要。采用MSP430 单片机的井口无线仪表采用单节蓄电池供电,在保证对无线仪表提供电能的同时还要最大可能的增大使用寿命。

利用抽油机仿真的平台,对各模块功能研究与测试就可以再实验室内完成,简化了对数字油田建设,模拟抽油机工作所有的生产管理过程的功能,为数字化抽油机控制系统的研发提供平台。图1为抽油机仿真模块。

井口无线仪表工作过程分为4 个过程:1)深度休眠阶段,耗电<110000μA ;22)休眠阶段,不发送不采集;33)AAOO采集;44)通信状态,耗电在2200~~3300mm AA。在实际应用中的采用蓄电池供电,单节电池耗电量为1199AA//hh,在降低功耗的原则上各个工作状态下电量采集模块都会有一个充放电的过程,这个过程对蓄电池的折损是不可逆的。因此,引入超级电容的特性,在低功耗的原则下利用超级电容充放电时间短、容量大、上电平稳对电池冲击小等特性增强电池使用寿命利用实际工作中抽油机控制系统的建设。

4 供电系统对超级电容运用的测试与研究

在完全按照实际操作中的井口无线仪表,制作出实验板并进行升级改造加入超级电容进行工作状态下的耗电测试,从而探索研究超级电容对耗电的影响度。

图2为电源转换模块(BT1为超级电容)。

在仿真平台下模拟抽油机控制系统对2 块实验板进行对比测试。测试板运营过程分为11)上电//重启(11ss~~22ss),指示灯连续闪烁11ss~~22ss;22)进入等待配置(1100ss)阶段,即为AAOO采集应答阶段,如若应答成功进入应用层下载配置阶段,否者1100ss后没有应答成功系统自动进入休眠阶段;33)通信状态。工作状态指示灯均11ss闪烁一次。表22显示22中测试板的耗电情况。

通过实验测试我们可以看出,在加有超级电容的测试板中耗电会随着闪烁灯而变化,在灯灭时整体耗电会下降到15m A,表明此时超级电容已经代替电池对电路供电,对无线仪表的工作耗电低功耗上起到了一定量的作用,并有效地减少了对电池能量的消耗,同时利用超级级电容的特性减少了由于不当的放电充电对蓄电池内部的破坏。

5 结论

以超级电容器为储能元件来代取原有的极性电容为低功耗无线传感器供电转换装置的实际测试,得出了该能量供应在实现低功耗、提高能量利用率、增强使用寿命方面都有明显的成果。超级电容作为新型储能装置,被更多的利用与市场中,它的高功率比、长循环寿命等优势,已经更好地融合在计算机、通信等现代电子产业中,在未来的研究与探索中它将更大可能地发挥其优势。

参考文献

[1]李忠学,彭启立,陈杰.超级电容器端电压动态特征的研究[J].电池,2005(2).

[2]喻真林,王婕,李长青,等.油田抽油井自动化监控系统开发研究[J].科技传播,2009(11).

无线压力仪表 篇7

关键词：2.4 GHz,无线传输,矿山压力监测

0 引言

目前, 国内矿压监测系统均使用有线电缆传输信号, 个别产品虽实现红外非接触测量, 但达不到在线监测目的, 通讯距离只有数米之远, 且方向性极强速率又慢。众所周知, 综采支架工作过程中不断推拉架体, 如遇断层还要打眼放炮, 伤损电缆不可避免, 因此, 有效的无线电波传输矿压信号是目前矿山亟待解决的问题。

文章采用2.4 GHz无线电波传输矿压信号, 利用超高频在通信中的优越性, 解决了井下通讯电缆因恶劣条件 (频繁推拉支架, 遇断层还要打眼放炮等) 而频繁断路、短路问题, 系统各项技术指标较高、精度高 (0.5%) 、稳定性好和软件处理系统的先进新颖性, 基本克服了传统矿压监测系统存在的运行不稳定、预报预测不准等弊病, 突破井下矿压信号由电缆传输的途径, 提高了系统的可靠性、稳定性。在软件功能上实现了压力趋势分析曲线在线显示, 为准确预报预测来压趋势和周期提供可靠科学数据[1]。

1 无线主站结构设计及原理

2.4 GHz无线矿山压力监测系统主站原理框图如图1所示。

由2.4 GHz无线矿山压力监测系统主站原理框图可知, 主站除具有分站功能外, 还具有另外3个功能:①长距离通讯功能, 可以和电话线或以太网接口实现网络传输;②具有2 G (或4 G) U盘数据存储功能, 防止网络一旦出现故障数据丢失;③实现无线转有线功能。

2 无线分站结构设计及原理

2.4 GHz无线矿山压力监测系统分站原理框图如图2所示。

除递传来自下游分站无线信号外, 6路传感器感知输出的压力/应力、载荷、位移、温度、水压/水位等物理量微信号经高性能A/D模数转器由模拟信号转换成数字信号, ARM处理器进行数据处理, 存储、送本地显示, 再由程序控制以2.4 GHz无线电波递传至上游分站, 直至传至主站。

3 变阻式压力传感器研制

2.4 GHz无线矿山压力监测系统所接入的传感器均为变阻式传感器, 如图3所示。

由全等臂电桥全桥接法得出关系可知:当△R/R很小时, 电桥输出电压△Ug或电流△Ig与△R/R成线性关系, 电压输出桥的输出电压△Ug。电桥输出电压与各桥臂△R/R的代数和成正比, 其中R1、R3桥臂为正号, R2、R4桥臂为负号。因此可利用这一特性, 根据构件各种不同受力状态, 采用合理接桥方法增加电桥输出的灵敏度, 消除一些不需要的应变读数, 并进行温度补偿。

根据以上理论推导结论可以得出如下设计准则:

(1) 井下应变式 (无论是用于压力/应力、载荷、位移、温度、水压/水位等物理量传感器) 传感器在可能的情况下, 都要以半桥或全桥形式设计使其温度自补偿作用得以发挥;

(2) 电桥输出超过2 000με时, 数据要进行非线性修正[2]。

4 综采工作面信号强度试验

无线电波在综采工作面传输环境中, 因为金属对无线电波具有极强的屏蔽作用, 文中的任务就是完成利用工作面有限空间走廊将所要监测的矿压数据可靠地传输出去, 最终确定在尽可能选用最大发射功率/最高接收灵敏度天线的前提下, 按照监测点位置的要求, 采用无线电波递传的方式, 解决这个主要矛盾。试验中采用的布置图如图4所示。

根据图4试验结果如下:

测试环境:某煤矿163下05综采工作面;

两个监测站距离:45 m;

中间支架数量:20个;

遮挡情况:可视, 无遮挡。

测验两个监测站之间的信号强度:LQI值95, 无丢包情况;

结论:信号强度较好, 性能可靠, 有稳定的传输数据。

实际测试相邻分站的信号强度如表1所示。

5 监测数据上传方式

利用电阻-应变效应获得井下采场支护设备或煤岩体的压力/应力、载荷、位移、温度、水压/水位等物理量的微小信号。再经过放大、A/D转换, 微处理器采集、处理、存储、本地显示、远传至中心监视器。监测数据上传原理如图5所示。

监测数据具体上传方式:

(1) 井上接口和井下主站之间可以用电话线、以太网、光纤 (任选一种) 传输;

(2) 主站与分站之间和分站与分站之间采用2.4GHz无线电波传输;

(3) PC机与主站之间传输协议采用的是MODBUS_RTU传输协议, 使用分站地址、功能码等区分是针对哪个分站发出的指令和发出的什么指令, 采用纵向冗余校验码 (LRC) 校验数据是否正确;

(4) 监测软件采用C/S结构编写, 能方便地实现局域网共享数据, 后台采用微软公司的SQL Server 2000数据库管理系统存储数据;

(5) 监测软件提供标准OPC接口以方便接入矿方自动化平台系统;

(6) 监测软件提供Excel数据接口方便用户采用其它分析软件分析监测数据。

6 监测设备的井下布置

该系统井下使用1台监测主站、7台监测分站、1台以太网通讯接口和含8台隔爆兼本安直流电源组成, 每台监测分站可同时监测相邻3组支架的6个支柱的压力值;井上使用1台计算机和1台激光彩色打印机。

该工作面共有135组液压支架, 正确确定分站数目, 合理布置分站位置, 对保证所测压力能够较准确地从空间上反映整个工作面液压支架所受压力, 具有十分重要的意义。测点选择应遵循下列原则:

(1) 各个分站分布均匀, 不集中在工作面的同一端或者某些区域;

(2) 分站所测液压支架工作正常, 无故障, 不漏油。

在上述原则下, 考虑现场实际条件, 能够方便安装、通电、调试, 同时不影响正常施工生产。在该工作面共布置1个主站、7个分站, 平均每隔22或21个液压支架布置1个分站。每个分站有6个通道, 分别监测3个支架6个支柱的压力。将主站布置在材料巷, 将1号分站放在131号液压支架下, 即回采工作面靠近材料巷端部, 防止拐弯对信号传输产生干扰, 以使信号能顺利传到主站。2号分站布置在110号支架下面, 3号分站布置在89号支架下面, 4号分站布置在68号支架下面, 5号分站布置在47号支架下面, 6号分站布置在26号支架下面, 7号分站布置在5号支架下面。站点布置情况如图6所示。

系统在综采工作面内和上隅角采用2.4 GHz无线电波传输采集到的数据, 解决了工作面内放炮易崩断通讯电缆或移动液压支架易拖断通讯电缆及上隅角电缆易挤断的问题。数据汇总到超前支护处0#监测主站后, 采用通讯电缆线传输16变电所以太网转换器, 在16变电所进入井下以太环网, 通过以太环网把矿压监测数据传至地面PC机[3]。

7 结论

通过对目前国内煤矿井下矿压监测系统中通信特点研究试验认为, 可以无线传输并且功能强大的2.4 GHz无线矿山压力监测系统对综采工作面矿山压力进行实时监测。2.4 GHz无线矿山压力监测系统不仅能实时在线监测每个支柱的压力值变化, 将监测数据实时传送到地面控制中心, 在PC机上形成实时曲线和数据文件, 而且可以实时对当前支柱的压力值变化状况作出评价, 识别移架降架等动作;通过科学合理的布置压力分站, 对顶板动态与支护质量进行监控;还能够判断液压支架安全阀设定是否合理, 预测顶板来压规律、分析顶板的来压周期, 以便提前采取人为干预措施, 以保证矿井支护设备及人员安全。

参考文献

[1]万镇, 吴士良.综采工作面回撤通道矿压观测研究[J].煤矿开采, 2009, 2 (1) .

[2]耿献文.矿山压力控制技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2002.