智能電子壓力開關研制及應用

摘要：分析了智能電子壓力開關的特點，研究并論述了智能 電子壓力開關采取的模型識別技術及信號自動分段技術。研制的智能電子壓力開關已在輸油 管道上應用。應用結果表明該智能電子壓力開關技術*、性能穩定可靠。
關鍵詞：電子壓力開關 信號分段 單片機

　　1研制開發重要性和必要性
　　目前，國內針對原油的運送方式主要采用管道加熱輸送工藝。原油在管道輸 送中每間隔40～90 km就設一個分站來進行加熱、加壓。為降低能源消耗我國輸油管道都進 行了現代化技術改造實現了計算機監控。在輸油管道監控系統中為保護管線防止出站壓力超 高造成爆管，在出站及泵出口匯管處安裝了壓力開關。為防止輸油泵抽空在進站管線及泵入 口管線上也安裝了壓力開關。但目前使用的壓力開關存在如下問題：
　　（1）工作不可靠在對進站壓力開關進行校驗時多次發現，當給定壓力低于設定壓力時，壓 力開關仍不動作，當用物體敲擊時又恢復正常。
　　（2）誤動作用戶反應曾多次發生當管線內壓力產生輕微波動時造成甩泵。致使某些壓力 開關長期不能投用，使輸油泵失去應有的保護，帶來不安全因素。
　　（3）精度低、校準難在校驗時需反復進行試驗才能確定設定值。
　　（4）密閉流程解除后由于進站壓力較低，使壓力開關無法使用。
　　為解決現有壓力開關存在的這些問題，研制高可靠性、高精度和智能電子壓力開關十分必要 。
　　
　　2產品結構及關鍵技術
　　2.1結構原理
　　智能電子壓力開關外型如圖1所示。它的結構由壓力傳感器、主機板及防 爆外殼等部分組成。
　　

　　智能電子壓力開關原理框圖見圖2。
　　智能電子壓力開關由以下幾部分組成：
　　①壓力傳感器件采用單晶硅智能壓力傳感器。該傳感器具有高精度（±0.075%）、高穩定性（ 優于0.1%FS／年）、抗高過壓和高靜壓（耐壓16 MPa）、量程遷移比大（20∶1）等特點。選用 單晶硅智能壓力傳感器作為傳感部件，使智能電子壓力開關的控制精度及可靠性有了保證。
　　②信號調理部分采用集成運放及電子元件組成，它對壓力傳感器信號進行調理，變成微電腦 能接受的信號，送給微電腦。
　　③微電腦采用低功耗嵌入式單片機C8051F007，該單片機具有供電電壓低（2.7～3.6 V）、 功耗低（可低于1 mA）、體積小（8 mm×8 mm）、功能強等特點。該單片機具有12Bit ADC,35 6BRAM,32kFlash MCU。微電腦將采集到的壓力信號進行分析、處理、記憶，消除干擾及壓力 波動，發出正確的壓力開關狀態信號。
　　④電子開關將微電腦發出的壓力開關狀態信號轉化為智能電子壓力開關的導通及斷開。
　　⑤校準按鈕，在對智能電子壓力開關校驗時只要按下“校準按鈕”，微電腦就會自動記憶當 前壓力值，并把該值作為智能電子壓力開關設定值，從而實現壓力開關的智能校驗。
　　⑥流程選擇開關，旁接罐流程、密閉流程可設置不同的門檻值，旁接罐流程設置的門檻值可 適當降低，從而克服了旁接罐流程壓力開關不能投用的難題。
　　2.2關鍵技術
　　2.2.1模型識別技術
　　輸油泵入口壓力較低時會對葉輪產生氣蝕造成輸油泵的損壞，因此輸 油站設置有壓力調節系統并在進站及泵入口安裝了壓力開關，當進站壓力較低時調節系統首 *行調節，當自動調節系統調節后進站壓力若繼續下降，達到壓力開關動作值時就會進行 甩泵從而達到保護輸油泵的目的。但實際運行情況表明當發生異常情況時，由于自動調節系 統 存在滯后，未等自動調節系統發揮作用壓力開關就產生動作造成甩泵。突然甩泵給輸油設備 造成的危害比短時間泵入口壓力超低造成的危害還要大。合理的選擇是依據泵站實際情況建 立泵入口壓力允許模型，壓力開關依據該模型進行識別，決定是否甩泵。
　　以魯寧線為例，壓力調節系統滯后約為2 s，調節閥單行程耗時約為9 s。當發生異常情況造 成進站壓力下降時，進站壓力在調節系統的作用下其變化曲線如圖3所示，壓力開關的識別 模型如下：
　　

　　y的單位：MPa
　　

　　2.2.2信號自動分段技術
　　經過對現場信號多次模型分析，采用信號自動分段技術與模型識別技術從而能有效的克服壓 力波動等各種干擾，提高壓力開關的可靠性。
　　信號自動分段方法的基本原理是選用一個固定的窗選取平穩運行的信號作為參考段，不斷與 當前信號作比較，非平穩性（如上站停泵引起的信號特性的變化）可以由不同段之間的過程統 計特性和頻譜性的改變顯示出來。一般根據幾種判據，當判據大于一定的閾值或當前段低于 設定值時，就認為信號進入了另一段（異常段）。
　　2.2.3平均幅值距離
　　

　　前段信號值）。
　　2.2.4均方根距離
　　

　　2.2.5斜率均值距離
　　

　　擬合數據段長度）
　　當前段信號的斜率
　　

　　kci為 xci～ xc（i+j）段的zui小二乘擬合斜率,j為擬合數據段長度）
　　定義波形結構統計判據D=aD1+bD2+cD3，其中權值a、b、c根據檢測要求和3個 距離的 重要性，通過實驗確定。通過每段計算出的D與Dthres閾值相比較，來確定 信號是否進入新段（異常段），同時，當前段小于給定值時也確定信號進入新段（異常段）。
　　信號進入新段后設置t=0（識別模型內的t），開始計時，并進行模型識別。
　　識別判據B=xc-yt
　　其中yt由y計算，

　　為當前段信號的均值，當判據B小于0時壓力 開關 動作。若進入新段8 s內判據B均大于0，新段結束程序進入到平穩段。
　　
　　3與同類產品的比較
　　智能電子壓力開關目前與普通的壓力開關相比有如下特點：
　　（1）采用了模型識別技術克服了現有壓力開關的壓力瞬間超低時，壓力開關動作造成不正常 甩泵。
　　（2）增加了流程選擇開關，旁接罐流程、密閉流程可設置不同的閾值，旁接罐流程設置的閾 值可適當降低，從而解決了旁接罐流程壓力開關不能投用的問題。
　　（3）增設了校準按鈕，在對智能電子壓力開關校驗時只要按下“校準按鈕”，微電腦就會自 動記憶當前壓力值，并把該值作為“智能電子壓力開關”設定值，從而實現壓力開關的智能 校驗。
　　
　　4技術指標
　　（1）精度：0.002MPa；（2）導通壓降：12V；（3）非導通工作電流： ≤6mA；（4）系統供電：24V；（5）環境溫度：-10～50℃；（6）耐壓：16MPa。
　　
　　5結論
　　智能電子壓力開關選用了*的壓力傳感器件，采用了模型識別及信號自動 分段技術，消除了壓力波動等各種干擾，解決了由于自動調節系統滯后造成的甩泵。一年多 的現場應用表明該智能電子壓力開關技術*，性能可靠，適用于輸油管道。