阀门检漏传感器

　　1阀门检漏传感器

　　针对不同的环境条件有不同的检测阀门泄漏的方法以及相应的传感器元件。在众多的阀门中，减压阀是一种至关重要的安全装置，当管道和容器中形成危险压力时，它可用来保护设备和人员安全。阀门通常是关闭的，它仅受到弹簧力的控制，没有受到其他辅助力量的控制。因此，这些阀门要求大允许工作压力和系统运行压力之间有一个余量。标准制造商的建议是系统压力不应该超过大允许工作压力的90.当运行压力接近阀门释放点时，这个阀门就会像将要鸣哨的烧水壶一样泄出气体。当密封面完好无损时，气体排放和产品损失仅仅局限于过剩压力的释放。然而，随着时间的推移，这些阀门将出现泄漏问题。据国外数据统计表明，30的阀门有不同程度的泄漏，其中10有非常严重的泄漏，它们是产品损耗和环境污染的主要根源。

　　减压阀泄漏时会在周围产生超声波信号，而超声波的中心频率为30~40kHz.由于加速度传感芯片高只能检测到频率为10kHz的超声波，因此，采用被动超声波传感元件来监测减压阀的泄漏。这种检测方法是非侵害性的，超声波传感元件只需要用托架安装在阀门旁边，不会影响过程设备的正常运行。实验证明，这种检测方法适用于大多数的减压阀和隔离阀，对炼油厂和石化厂的阀门泄漏非常有效。然而这种检测方法也有它的局限性，即不适用于气体压力小于0.21MPa的低压应用环境。低压环境要求管道的气体压力至少应为0.34MPa或更高，而且阀门的周围环境没有其他较高强度的超声波；不能有效地检测到液体泄漏，只能检测到各种气体或蒸汽。

　　为了弥补超声波传感元件的不足，可以使用表面安装的温度传感元件，如管道表面安装RTD或热电偶。这种检测方法针对管道流体温度高于或低于环境温度的情况是非常有效的。比如，管道出口处温度升高，即使这时的气流没有使超声波传感元件工作，但泄漏仍然可以被检测到；同样，当管道出口处温度降低时，冷冻流体的泄漏也可以被监测到。由于这种检测方法不依赖于阀门气体泄漏所产生的超声波信号，所以它可以适用于检测液体泄漏。

　　当管道气体或液体的温度和环境温度相近，阀门泄漏不会在周围产生大的温度变化时，就不能通过温度传感元件来检测泄漏了。在这种情况下，采用压力传感元件来检测阀门泄漏。压力传感元件被安装在阀门的出口处，它可以检测到超压力的泄漏情况，但它不能检测到少量的泄漏。

　　总之，阀门的泄漏检测采用以超声波传感元件为主，温度传感元件和压力传感元件为辅的传感器网络，这样可以可靠并及时地检测到阀门的泄漏。

　　2无线传感器网络构成

　　本文所研究的阀门检漏仪表是基于IEEE802.15.4/ ZigBee协议的短距离无线通信的传感器网络系统。短距离无线通信是指采用小型的，短距离（一二百米有效范围）的无线网络来实现低价位，低功耗，可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和工业，商业用户提供各种服务。

　　目前，主流的短距离无线通信包括高速WPAN技术，低速WPAN技术（包括IEEE802.15.4/ZigBee和蓝牙等），UWB高速无线通信技术等。不同的无线短程网和一些无线远程网的数据传输率和传输距离的特性定位，它们都是按照无线传输数据，图像，语音和实现无线监控等不同要求而设计的。

　　短距离无线通信技术具有低成本，低功耗和对等通信三个重要特征和优势。无线传感器网络（WSN）是一种没有预定基础设施支撑的，自组织可重构的多跳无线网络。在这些无线通信技术中，网络的拓扑，信道的环境，业务的模式随节点的移动而动态改变。它通过大量低成本，资源受限的传感节点设备协同工作，实现某一特定任务。

　　ZigBee协议规范自问世以来，相关的芯片和协议栈的开发包和应用都吸引了众多的机构投入人力和物力，且其仍在不断地完善和发展。在应用领域上，基于ZigBee的家居无线网络和楼宇无线网络等方面都获得了相当广泛的接受和认可；近几年，随着ZigBee协议的不断完善和升级，它在工业领域中的应用也在逐渐成熟。

　　IEEE802.15.4/ZigBee网络由三种类型节点构成，分别为协调器，路由节点和参数检测点。阀门检漏的无线传感器网络中的各类型节点包括协调器，超声波检测节点，温度检测节点，压力检测节点和多个路由节点。IEEE802.15.4/ZigBee网络的工作方式为：检测节点按预设的周期测量采集数据，并经路由节点或直接发送到协调器；协调器接收数据后，将数据保存到相应寄存器内，供监控系统读取。当检测节点无法直接与协调器通信时，通过路由节点加入网络，实现与协调器之间的通信。

　　协调器是作为网关使用的，它负责整个网络的构建和维护。考虑到无线传感器网络的兼容性，不能只考虑加入到某种DCS或PLC系统中，而是要能够加入到任意控制系统中。鉴于各类控制系统采用各自的通信协议，如西门子采用Profibus，三菱采用CClink等，而这些控制系统均提供 RS－232 /RS－485串口和使用M odbus协议。因此, 协调器与控制系统的接口采用了RS－232/RS－485 和 M odbus协 议。协 调器 电路 板由CC2430、 串口芯片和电源芯片等构成。

　　3结束语

　　本文研究的基于无线传感器网络的阀门检漏仪表综合了非接触的超声波传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术和无线通信技术。阀门检漏仪表以超声波传感元件为主、温度和压力传感元件为辅, 并集成了低成本、 低功耗的自组织无线传感器网路技术, 很好地解决了流程工业设备阀门泄漏的监控问题。本无线检漏仪表适用于石油化工和煤化工等流程工业, 且通过对过程设备阀门泄漏的实时监控, 可以使工厂运行更加安全可靠、 效率更高, 终达到节能减排的效果。