摘要：分析了智能電子壓力開關(guān)的特點(diǎn)，研究并論述了智能 電子壓力開關(guān)采取的模型識(shí)別技術(shù)及信號(hào)自動(dòng)分段技術(shù)。研制的智能電子壓力開關(guān)已在輸油 管道上應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明該智能電子壓力開關(guān)技術(shù)*、性能穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：電子壓力開關(guān) 信號(hào)分段 單片機(jī)

　　1研制開發(fā)重要性和必要性
　　目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)原油的運(yùn)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(shè)一個(gè)分站來進(jìn)行加熱、加壓。為降低能源消耗我國(guó)輸油管道都進(jìn) 行了現(xiàn)代化技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控。在輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)中為保護(hù)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(guān)。為防止輸油泵抽空在進(jìn)站管線及泵入 口管線上也安裝了壓力開關(guān)。但目前使用的壓力開關(guān)存在如下問題：
　?。?）工作不可靠在對(duì)進(jìn)站壓力開關(guān)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)多次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給定壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，壓 力開關(guān)仍不動(dòng)作，當(dāng)用物體敲擊時(shí)又恢復(fù)正常。
　?。?）誤動(dòng)作用戶反應(yīng)曾多次發(fā)生當(dāng)管線內(nèi)壓力產(chǎn)生輕微波動(dòng)時(shí)造成甩泵。致使某些壓力 開關(guān)長(zhǎng)期不能投用，使輸油泵失去應(yīng)有的保護(hù)，帶來不安全因素。
　?。?）精度低、校準(zhǔn)難在校驗(yàn)時(shí)需反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)才能確定設(shè)定值。
　?。?）密閉流程解除后由于進(jìn)站壓力較低，使壓力開關(guān)無法使用。
　　為解決現(xiàn)有壓力開關(guān)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(guān)十分必要 。
　　
　　2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1結(jié)構(gòu)原理
　　智能電子壓力開關(guān)外型如圖1所示。它的結(jié)構(gòu)由壓力傳感器、主機(jī)板及防 爆外殼等部分組成。
　　

　　智能電子壓力開關(guān)原理框圖見圖2。
　　智能電子壓力開關(guān)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(wěn)定性（ 優(yōu)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(diǎn)。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(guān)的控制精度及可靠性有了保證。
　?、谛盘?hào)調(diào)理部分采用集成運(yùn)放及電子元件組成，它對(duì)壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，變成微電腦 能接受的信號(hào)，送給微電腦。
　?、畚㈦娔X采用低功耗嵌入式單片機(jī)C8051F007，該單片機(jī)具有供電電壓低（2.7～3.6 V）、 功耗低（可低于1 mA）、體積?。? mm×8 mm）、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。該單片機(jī)具有12Bit ADC,35 6BRAM,32kFlash MCU。微電腦將采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行分析、處理、記憶，消除干擾及壓力 波動(dòng)，發(fā)出正確的壓力開關(guān)狀態(tài)信號(hào)。
　?、茈娮娱_關(guān)將微電腦發(fā)出的壓力開關(guān)狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化為智能電子壓力開關(guān)的導(dǎo)通及斷開。
　　⑤校準(zhǔn)按鈕，在對(duì)智能電子壓力開關(guān)校驗(yàn)時(shí)只要按下“校準(zhǔn)按鈕”，微電腦就會(huì)自動(dòng)記憶當(dāng) 前壓力值，并把該值作為智能電子壓力開關(guān)設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)壓力開關(guān)的智能校驗(yàn)。
　?、蘖鞒踢x擇開關(guān)，旁接罐流程、密閉流程可設(shè)置不同的門檻值，旁接罐流程設(shè)置的門檻值可 適當(dāng)降低，從而克服了旁接罐流程壓力開關(guān)不能投用的難題。
　　2.2關(guān)鍵技術(shù)
　　2.2.1模型識(shí)別技術(shù)
　　輸油泵入口壓力較低時(shí)會(huì)對(duì)葉輪產(chǎn)生氣蝕造成輸油泵的損壞，因此輸 油站設(shè)置有壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)并在進(jìn)站及泵入口安裝了壓力開關(guān)，當(dāng)進(jìn)站壓力較低時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)首 *行調(diào)節(jié)，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后進(jìn)站壓力若繼續(xù)下降，達(dá)到壓力開關(guān)動(dòng)作值時(shí)就會(huì)進(jìn)行 甩泵從而達(dá)到保護(hù)輸油泵的目的。但實(shí)際運(yùn)行情況表明當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，由于自動(dòng)調(diào)節(jié)系 統(tǒng) 存在滯后，未等自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮作用壓力開關(guān)就產(chǎn)生動(dòng)作造成甩泵。突然甩泵給輸油設(shè)備 造成的危害比短時(shí)間泵入口壓力超低造成的危害還要大。合理的選擇是依據(jù)泵站實(shí)際情況建 立泵入口壓力允許模型，壓力開關(guān)依據(jù)該模型進(jìn)行識(shí)別，決定是否甩泵。
　　以魯寧線為例，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后約為2 s，調(diào)節(jié)閥單行程耗時(shí)約為9 s。當(dāng)發(fā)生異常情況造 成進(jìn)站壓力下降時(shí)，進(jìn)站壓力在調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用下其變化曲線如圖3所示，壓力開關(guān)的識(shí)別 模型如下：
　　

　　y的單位：MPa
　　

　　2.2.2信號(hào)自動(dòng)分段技術(shù)
　　經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)多次模型分析，采用信號(hào)自動(dòng)分段技術(shù)與模型識(shí)別技術(shù)從而能有效的克服壓 力波動(dòng)等各種干擾，提高壓力開關(guān)的可靠性。
　　信號(hào)自動(dòng)分段方法的基本原理是選用一個(gè)固定的窗選取平穩(wěn)運(yùn)行的信號(hào)作為參考段，不斷與 當(dāng)前信號(hào)作比較，非平穩(wěn)性（如上站停泵引起的信號(hào)特性的變化）可以由不同段之間的過程統(tǒng) 計(jì)特性和頻譜性的改變顯示出來。一般根據(jù)幾種判據(jù)，當(dāng)判據(jù)大于一定的閾值或當(dāng)前段低于 設(shè)定值時(shí)，就認(rèn)為信號(hào)進(jìn)入了另一段（異常段）。
　　2.2.3平均幅值距離
　　

　　前段信號(hào)值）。
　　2.2.4均方根距離
　　

　　2.2.5斜率均值距離
　　

　　擬合數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度）
　　當(dāng)前段信號(hào)的斜率
　　

　　kci為 xci～ xc（i+j）段的zui小二乘擬合斜率,j為擬合數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度）
　　定義波形結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)判據(jù)D=aD1+bD2+cD3，其中權(quán)值a、b、c根據(jù)檢測(cè)要求和3個(gè) 距離的 重要性，通過實(shí)驗(yàn)確定。通過每段計(jì)算出的D與Dthres閾值相比較，來確定 信號(hào)是否進(jìn)入新段（異常段），同時(shí)，當(dāng)前段小于給定值時(shí)也確定信號(hào)進(jìn)入新段（異常段）。
　　信號(hào)進(jìn)入新段后設(shè)置t=0（識(shí)別模型內(nèi)的t），開始計(jì)時(shí)，并進(jìn)行模型識(shí)別。
　　識(shí)別判據(jù)B=xc-yt
　　其中yt由y計(jì)算，

　　為當(dāng)前段信號(hào)的均值，當(dāng)判據(jù)B小于0時(shí)壓力 開關(guān) 動(dòng)作。若進(jìn)入新段8 s內(nèi)判據(jù)B均大于0，新段結(jié)束程序進(jìn)入到平穩(wěn)段。
　　
　　3與同類產(chǎn)品的比較
　　智能電子壓力開關(guān)目前與普通的壓力開關(guān)相比有如下特點(diǎn)：
　?。?）采用了模型識(shí)別技術(shù)克服了現(xiàn)有壓力開關(guān)的壓力瞬間超低時(shí)，壓力開關(guān)動(dòng)作造成不正常 甩泵。
　　（2）增加了流程選擇開關(guān)，旁接罐流程、密閉流程可設(shè)置不同的閾值，旁接罐流程設(shè)置的閾 值可適當(dāng)降低，從而解決了旁接罐流程壓力開關(guān)不能投用的問題。
　?。?）增設(shè)了校準(zhǔn)按鈕，在對(duì)智能電子壓力開關(guān)校驗(yàn)時(shí)只要按下“校準(zhǔn)按鈕”，微電腦就會(huì)自 動(dòng)記憶當(dāng)前壓力值，并把該值作為“智能電子壓力開關(guān)”設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)壓力開關(guān)的智能 校驗(yàn)。
　　
　　4技術(shù)指標(biāo)
　?。?）精度：0.002MPa；（2）導(dǎo)通壓降：12V；（3）非導(dǎo)通工作電流： ≤6mA；（4）系統(tǒng)供電：24V；（5）環(huán)境溫度：-10～50℃；（6）耐壓：16MPa。
　　
　　5結(jié)論
　　智能電子壓力開關(guān)選用了*的壓力傳感器件，采用了模型識(shí)別及信號(hào)自動(dòng) 分段技術(shù)，消除了壓力波動(dòng)等各種干擾，解決了由于自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后造成的甩泵。一年多 的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該智能電子壓力開關(guān)技術(shù)*，性能可靠，適用于輸油管道。