基于GPRS無線傳輸的漏油檢測系統

中國中鐵成都局集團有限公司渝涪鐵路公司 李 龍

針對大型礦車和起重設備的液壓系統中橡膠管道與金屬管道結合處的漏油檢測問題，利用吸油膨脹橡膠的膨脹特性，采用電阻應變壓力傳感器和HX711AD轉換模塊實現漏油檢測，并通過GPRS無線傳輸模塊將檢測數據遠傳至監控中心。該系統不但可以檢測液壓系統的漏油量而且可以利用膨脹橡膠的密封性阻塞漏油點，防止液壓油噴濺造成意外事故，具有很好的實用價值。

在大型礦車和起重設備的液壓升降系統中，由于活塞桿的劃傷磨損或者密封元件的老化損傷，在油缸的活塞桿密封處及橡膠管道與金屬管道結合處容易發生液壓油泄露情況。液壓油一旦泄露不僅嚴重影響液壓升降系統工作的安全性、降低了生產效率。更嚴重的是當液壓油噴濺在大型礦車或起重設備的排氣筒上時，排氣管的高溫會點燃液壓油而發生火災事故。因此能及時準確的檢測液壓系統是否漏油具有重要的現實意義。

漏油檢測一直是國內外眾學者研究的熱點問題之一，出現了許多漏油檢測的方法。如微彎式漏油檢測光纖傳感器（李緒友,張興周,高歌今.微彎式漏油檢測光纖傳感器的研究[J].傳感器技術,1999(2):59-61）、基于油氣濃度的滲漏檢測方法（周銳.儲油罐底板滲漏的油氣檢測方法研究[D].重慶:解放軍后勤工程學院,2011）、基于無損檢測技術的腐蝕及滲漏檢測方法（王寧,曹玉陽,吳元,等.新型遇油膨脹橡膠的制備與性能研究[J].特種橡膠制品,2012(4):4-7）等。其中，微彎式漏油檢測光纖傳感器適用于靜置儲油設備的檢測。基于油氣濃度的滲漏檢測主要是針對油罐底板發生漏油情況的檢測。無損檢測技術主要是利用聲、光、磁等技術，獲得被檢測對象缺陷的大小、位置等信息，該方法容易被噪聲影響。上述幾種方法雖然可以實現漏油的檢測但卻不能阻止漏油，不適合大型礦車和起重設備的液壓系統漏油檢測。

為此，本文采用吸油膨脹特種橡膠構造傳感器實現漏油檢測。這種橡膠遇到油類物質就會吸收，膨脹，體積膨脹率在200%-300%之間（陳培,田明,鄒華,等.乙烯-乙酸乙烯酯橡膠基吸油膨脹橡膠的制備與性能[J].橡膠工業,2012(3):149-153），再結合電阻應變式壓力傳感器實現漏油的檢測。同時，利用膨脹橡膠的密封性可以阻止漏油點的泄漏。

1 系統硬件設計

1.1 漏油檢測原理

圖1 漏油檢測原理

漏油檢測原理如圖1所示，檢測裝置由吸油膨脹橡膠，圓環護套和電阻應變式壓力傳感器三部分組成。當活塞桿的密封處發生漏油情況時，圓環護套內的吸油膨脹橡膠就會吸油而迅速膨脹，橡膠膨脹就會對護套內的電阻應變式壓力傳感器產生一定的壓力，該壓力的大小反應漏油量。與此同時，護套內的橡膠膨脹后會將活塞桿密封處的空間緊緊的塞滿，從而將漏油點密封，有效的制止液壓油的泄漏。

1.2 與微處理器的接口電路

圖2 硬件電路設計框圖

漏油檢測系統的硬件電路原理圖如圖2所示，由該圖可知：漏油檢測系統由壓力檢測部分、微控制器部分、GPRS遠程部分和報警電路部分組成，下面分別介紹各部分電路的具體功能。

壓力檢測部分：當有液壓油泄漏時，吸油膨脹特種橡膠遇油膨脹，對護套內的電阻式應變傳感器產生壓力。該壓力由電阻式應變傳感器轉換為電阻信號的變化，然后經過電橋將其轉化為電壓的變化后，由24位的高精度AD轉換芯片HX711轉換為數字信號后，并通過串行通信的方式實現與微處理器STM32F103ZE接口，實現對壓力的檢測。

微控制器部分：整個漏油檢測系統以高性能的ARM Cortex微處理器STM32F103ZE芯片為控制核心，由其完成對漏油量的檢測及控制GPRS模塊SIM900A實現檢測數據的無線遠傳。

GPRS遠程部分：該部分由SIMCom推出新款緊湊型產品SIM900A構成，SIM900A屬于雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸，通過通用串行總線與STM32F103ZE接口，并通過AT指令實現與控制器間的數據交換，將漏油信息通過GPRS網絡傳輸到遠程的監控系統（孫海洋.GM3P核心板在油氣儲運中的應用與實現[J].儀器儀表用戶,2018(11):26-29;關雯馨,王新蕊.智能家居安防GPRS無線遠程監測報警系統設計[J].電子世界,2018(1):121-122;劉志祖.基于GPRS的城市照明電纜漏電監測系統設計[J].電子世界,2018(6):196）。

報警部分：一旦有漏油情況發生，微處理器通過語音芯片播報語音提示，告知司機及時停車檢查，防止液壓油噴濺照成火災事故。

2 軟件設計

2.1 系統的工作過程

漏油檢測系統的軟件控制流程圖如圖3所示。由上文的漏油檢測原理可知，AD轉換芯片HX711輸出的數字量與漏油量成正比，因此可以根據其輸出的數字量作為是否漏油的主要依據，當其數值大于預先設定的數值時，即可判斷漏油事件已經發生。當漏油事件發生時，啟動本地報警的同時通過串口控制GPRS模塊SIM900A實現漏油事件的無線遠程傳輸，通知遠程監控系統，為礦車維護和調度做好準備，防止影響正常的生產。

圖3 漏油檢測系統的軟件控制流程圖

圖4 GPRS模塊的控制流程圖

2.2 GPRS模塊的控制流程

系統上電后，建立GPRS模塊與遠程服務器的TCP連接，連接程序流程圖如圖4所示。連接成功后，GPRS模塊就能收發TCP/IP數據包，從而實踐漏油信息的無線遠程。GPRS通過AT指令集建立TCP連接，其建立過程如下：

3 測試結果

用一個網絡調試助手作為上位機網絡監控軟件，設置網絡協議，IP地址和本地端口號。通過模擬漏油情況來測試檢測系統的性能，測試結果如圖5所示。圖5所示是有漏油情況發生時網絡監控軟件接收到的數據。

圖5 測試結果

4 總結

使用吸油膨脹橡膠檢測漏油，成功的解決了大型礦車和起重設備的液壓系統活塞桿密封處漏油檢測問題，并利用橡膠膨脹密封特性有效的阻止漏油點液壓油的泄漏，為進行維護維修爭取時間。在本地報警的基礎上，采用GPRS實現監控信息的無線遠程傳輸，有效地解決了大型礦車和起重設計液壓系統漏油檢測問題。