基于GPRS无线传输的漏油检测系统

中国中铁成都局集团有限公司渝涪铁路公司 李 龙

针对大型矿车和起重设备的液压系统中橡胶管道与金属管道结合处的漏油检测问题，利用吸油膨胀橡胶的膨胀特性，采用电阻应变压力传感器和HX711AD转换模块实现漏油检测，并通过GPRS无线传输模块将检测数据远传至监控中心。该系统不但可以检测液压系统的漏油量而且可以利用膨胀橡胶的密封性阻塞漏油点，防止液压油喷溅造成意外事故，具有很好的实用价值。

在大型矿车和起重设备的液压升降系统中，由于活塞杆的划伤磨损或者密封元件的老化损伤，在油缸的活塞杆密封处及橡胶管道与金属管道结合处容易发生液压油泄露情况。液压油一旦泄露不仅严重影响液压升降系统工作的安全性、降低了生产效率。更严重的是当液压油喷溅在大型矿车或起重设备的排气筒上时，排气管的高温会点燃液压油而发生火灾事故。因此能及时准确的检测液压系统是否漏油具有重要的现实意义。

漏油检测一直是国内外众学者研究的热点问题之一，出现了许多漏油检测的方法。如微弯式漏油检测光纤传感器（李绪友,张兴周,高歌今.微弯式漏油检测光纤传感器的研究[J].传感器技术,1999(2):59-61）、基于油气浓度的渗漏检测方法（周锐.储油罐底板渗漏的油气检测方法研究[D].重庆:解放军后勤工程学院,2011）、基于无损检测技术的腐蚀及渗漏检测方法（王宁,曹玉阳,吴元,等.新型遇油膨胀橡胶的制备与性能研究[J].特种橡胶制品,2012(4):4-7）等。其中，微弯式漏油检测光纤传感器适用于静置储油设备的检测。基于油气浓度的渗漏检测主要是针对油罐底板发生漏油情况的检测。无损检测技术主要是利用声、光、磁等技术，获得被检测对象缺陷的大小、位置等信息，该方法容易被噪声影响。上述几种方法虽然可以实现漏油的检测但却不能阻止漏油，不适合大型矿车和起重设备的液压系统漏油检测。

为此，本文采用吸油膨胀特种橡胶构造传感器实现漏油检测。这种橡胶遇到油类物质就会吸收，膨胀，体积膨胀率在200%-300%之间（陈培,田明,邹华,等.乙烯-乙酸乙烯酯橡胶基吸油膨胀橡胶的制备与性能[J].橡胶工业,2012(3):149-153），再结合电阻应变式压力传感器实现漏油的检测。同时，利用膨胀橡胶的密封性可以阻止漏油点的泄漏。

1 系统硬件设计

1.1 漏油检测原理

图1 漏油检测原理

漏油检测原理如图1所示，检测装置由吸油膨胀橡胶，圆环护套和电阻应变式压力传感器三部分组成。当活塞杆的密封处发生漏油情况时，圆环护套内的吸油膨胀橡胶就会吸油而迅速膨胀，橡胶膨胀就会对护套内的电阻应变式压力传感器产生一定的压力，该压力的大小反应漏油量。与此同时，护套内的橡胶膨胀后会将活塞杆密封处的空间紧紧的塞满，从而将漏油点密封，有效的制止液压油的泄漏。

1.2 与微处理器的接口电路

图2 硬件电路设计框图

漏油检测系统的硬件电路原理图如图2所示，由该图可知：漏油检测系统由压力检测部分、微控制器部分、GPRS远程部分和报警电路部分组成，下面分别介绍各部分电路的具体功能。

压力检测部分：当有液压油泄漏时，吸油膨胀特种橡胶遇油膨胀，对护套内的电阻式应变传感器产生压力。该压力由电阻式应变传感器转换为电阻信号的变化，然后经过电桥将其转化为电压的变化后，由24位的高精度AD转换芯片HX711转换为数字信号后，并通过串行通信的方式实现与微处理器STM32F103ZE接口，实现对压力的检测。

微控制器部分：整个漏油检测系统以高性能的ARM Cortex微处理器STM32F103ZE芯片为控制核心，由其完成对漏油量的检测及控制GPRS模块SIM900A实现检测数据的无线远传。

GPRS远程部分：该部分由SIMCom推出新款紧凑型产品SIM900A构成，SIM900A属于双频GSM/GPRS模块，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输，通过通用串行总线与STM32F103ZE接口，并通过AT指令实现与控制器间的数据交换，将漏油信息通过GPRS网络传输到远程的监控系统（孙海洋.GM3P核心板在油气储运中的应用与实现[J].仪器仪表用户,2018(11):26-29;关雯馨,王新蕊.智能家居安防GPRS无线远程监测报警系统设计[J].电子世界,2018(1):121-122;刘志祖.基于GPRS的城市照明电缆漏电监测系统设计[J].电子世界,2018(6):196）。

报警部分：一旦有漏油情况发生，微处理器通过语音芯片播报语音提示，告知司机及时停车检查，防止液压油喷溅照成火灾事故。

2 软件设计

2.1 系统的工作过程

漏油检测系统的软件控制流程图如图3所示。由上文的漏油检测原理可知，AD转换芯片HX711输出的数字量与漏油量成正比，因此可以根据其输出的数字量作为是否漏油的主要依据，当其数值大于预先设定的数值时，即可判断漏油事件已经发生。当漏油事件发生时，启动本地报警的同时通过串口控制GPRS模块SIM900A实现漏油事件的无线远程传输，通知远程监控系统，为矿车维护和调度做好准备，防止影响正常的生产。

图3 漏油检测系统的软件控制流程图

图4 GPRS模块的控制流程图

2.2 GPRS模块的控制流程

系统上电后，建立GPRS模块与远程服务器的TCP连接，连接程序流程图如图4所示。连接成功后，GPRS模块就能收发TCP/IP数据包，从而实践漏油信息的无线远程。GPRS通过AT指令集建立TCP连接，其建立过程如下：

3 测试结果

用一个网络调试助手作为上位机网络监控软件，设置网络协议，IP地址和本地端口号。通过模拟漏油情况来测试检测系统的性能，测试结果如图5所示。图5所示是有漏油情况发生时网络监控软件接收到的数据。

图5 测试结果

4 总结

使用吸油膨胀橡胶检测漏油，成功的解决了大型矿车和起重设备的液压系统活塞杆密封处漏油检测问题，并利用橡胶膨胀密封特性有效的阻止漏油点液压油的泄漏，为进行维护维修争取时间。在本地报警的基础上，采用GPRS实现监控信息的无线远程传输，有效地解决了大型矿车和起重设计液压系统漏油检测问题。