一种燃气管道地震紧急处置装置
技术领域
本实用新型涉及地震检测技术领域，尤其是涉及一种燃气管道地震紧急处置装置。
背景技术
我国对燃气系统地震紧急处置系统的认识最早在2000年，从日本阪神地震生命线震害的经验获得对城市生命线系统防灾减灾问题的启示，认识到地震安全控制与紧急处置是更为有效的减灾途径。随着对防灾减灾意识的逐步加强，人们对燃气系统的地震损害进行了分析，针对性的研发了机械式的地震管道阀门等产品，在地震发生时利用其机械结构关闭燃气管道，减小地震带来的经济损失和次生灾害。
但是，现有的地震管道防灾减灾产品还存在着不足，全机械式地震管道阀门设置的触发阀门阈值是单一的，无法实现自动控制，容易产生误动作和损坏，需要长期的人力监控和现场检修，安装和维护都不够方便。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种能够检测地震信号并可靠关断燃气管道的燃气管道地震紧急处置装置。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种燃气管道地震紧急处置装置，其特征在于：包括MCU(1)、三轴加速度传感器(2)、阀门关闭子电路(3)、具有关断管道部件的电动阀(4)和通信子电路(5)；
三轴加速度传感器(2)的输出端分别与MCU(1)的GPIO端口和中断端口电性连接；MCU(1)与阀门关闭子电路(3)的输入端电性连接；MCU(1) 还与通信子电路(5)电性连接；阀门关闭子电路(3)的输出端与电动阀(4) 的输入端电性连接，电动阀(4)的反馈信号端与MCU(1)的输入端电性连接；
其中，三轴加速度传感器(2)检测管道的振动加速度，并将加速度检测结果发送至MCU(1)中；MCU(1)进入工作状态并根据加速度检测结果开启阀门关闭子电路(3)和通信子电路(5)，阀门关闭子电路(3)启动电动阀(4) 并执行关断阀门动作，电动阀(4)将动作后的关断管道部件的当前位置信息反馈至MCU(1)中；MCU(1)通过通信子电路(5)与附近相邻燃气管道地震紧急处置装置的通信子电路(5)或者远程主站进行通信。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述三轴加速度传感器(2)的SPI端口与MCU(1)的SPI端口一一对应电性连接，三轴加速度传感器(2)的中断输出端与MCU(1)的中断输入端电性连接；三轴加速度传感器(2)的中断输出端发出的中断信号作为MCU(1)由休眠待机状态进入工作状态的唤醒信号。
进一步优选的，所述阀门关闭子电路(3)包括升压芯片U1和单通道开关芯片U2，升压芯片U1的输入端与+3.3V电源电性连接，升压芯片U1的使能端与MCU(1)的GPIO端口电性连接；升压芯片U1的输出端与单通道开关芯片 U2的输入端和使能端电性连接，单通道开关芯片U2的输出端与电动阀(4)电性连接。
更进一步优选的，所述电动阀(4)的关断管道部件的开启位置和关闭位置均设置有距离传感器S1，距离传感器S1的输出端与MCU(1)的GPIO端口电性连接。
再进一步优选的，所述通信子电路(5)包括负载开关U3、电平转换芯片 U4和NB-IOT通信单元U5，负载开关U3的输入端与MCU(1)的GPIO端口电性连接；负载开关U3的电源输入端与+3.3V电源电性连接，负载开关U3的输出端与NB-IOT通信单元U5的电源端电性连接；MCU(1)的UART端口和 NB-IOT通信单元U5的URART端口分别与电平转换芯片U4的收发端口一一对应电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括可充电电源(6)，可充电电源 (6)分别与MCU(1)、三轴加速度传感器(2)、阀门关闭子电路(3)、电动阀(4)和通信子电路(5)电性连接。
另一方面，本实用新型还提供了一种燃气管道地震紧急处置装置的处置方法，包括如下步骤：
S1：初始化配置MCU(1)、三轴加速度传感器(2)、阀门关闭子电路(3)、具有关断管道部件的电动阀(4)和通信子电路(5)，使得电动阀(4)位于常开位置，燃气管道正常供气；MCU(1)和三轴加速度传感器(2)不工作时处于休眠节能状态；三轴加速度传感器(2)设置第一加速度阈值和第二加速度阈值；
S2：当燃气管道振动并超过第一加速度阈值时，三轴加速度传感器(2)激活，并进行加速度测量，三轴加速度传感器(2)检测的振动加速度小于第二加速度阈值时，三轴加速度传感器(2)不输出并延时一段时间再次休眠；三轴加速度传感器(2)检测的振动加速度在第二加速度阈值以上时，三轴加速度传感器(2)的中断输出端向MCU(1)的中断输入端发送中断信号，唤醒MCU(1)，并将振动加速度测量结果通过SPI端口发送至MCU(1)；
S3：MCU(1)根据收到的振动加速度测量结果，计算振动加速度平均值，判断地震烈度，峰值加速度平均值达到0.125g表示烈度Ⅶ级地震，峰值加速度平均值达到0.25g表示烈度Ⅷ级地震；峰值加速度平均值达到0.5g表示Ⅸ级地震；
S4：MCU(1)根据地震烈度等级分别向阀门关闭子电路(3)和通信子电路(5)发出使能信号，激活阀门关闭子电路(3)和通信子电路(5)并使其保持工作状态；
S5：阀门关闭子电路(3)驱动电动阀(4)关闭燃气管道，电动阀(4)完全关闭后，距离传感器S1发出关断管道部件当前位置的反馈信号回MCU(1)；完成本地的燃气管道地震紧急处置装置的关断的执行过程，切断燃气管道的供气；
S6：MCU(1)还将振动加速度测量结果、振动加速度平均值和地震烈度信息通过通信子电路(5)向与附近相邻燃气管道地震紧急处置装置的通信子电路 (5)或者远程主站进行通信，通过与附近相邻燃气管道地震紧急处置装置或者远程主站进行进一步的地震烈度确认，形成多台燃气管道地震紧急处置装置的多数决组合判断算法，根据判断结果保持各燃气管道的开启或者关断状态；如区域内的燃气管道地震紧急处置装置有N台，远程主站接收到M台燃气管道地震紧急处置装置发出的地震烈度信息，当M≥N/2时，区域内的所有燃气管道地震紧急处置装置均动作，切断各自装置所在的燃气管道；
S7：三轴加速度传感器(2)没有向MCU(1)发出中断信号时，MCU(1) 定期自动唤醒，并启动通信子电路(5)向远程主站主动发送正处于正常工作状态的心跳数据包。
本实用新型提供的一种燃气管道地震紧急处置装置，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本实用新型通过结合三轴加速度传感器、MCU、阀门关断子电路来对燃气管路阀门实现运行状态切换，不工作时或者三轴加速度传感器没有向MCU发送中断信号时处于休眠节能状态，功耗较低，可长时间稳定运行，免去频繁维护的工作量；
(2)三轴加速度传感器可以内设两级振动加速器阈值，防止阀门关断子电路和电动阀的误动作和频繁启动导致的阀门机械部件损坏；
(3)MCU可将三轴加速度传感器检测的信息，进而得到振动加速度平均值和对应的地震烈度，执行相应的燃气管道保持或者关断对策；
(4)电动阀的关断管道部件运行至关闭或者开启位置后均会向MCU发送位置信息，提示MCU已执行对策完毕；
(5)本实用新型具有可充电电源，平时可以接入电网进行充电，停电或者因地震导致电力中断时，可充电电源也可以长时间为地震紧急处置装置提供能源，保证其长期稳定运行；
(6)MCU可进一步通过通信子电路附近相邻燃气管道地震紧急处置装置或者远程主站进行通信，以进一步确认设备是否存在误报、关断策略是否准确；即根据装置的数量进一步提高关断动作的决策可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得相邻的附图。
图1为本实用新型一种燃气管道地震紧急处置装置的结构框图；
图2为本实用新型一种燃气管道地震紧急处置装置的三轴加速度传感器与 MCU的接线图；
图3为本实用新型一种燃气管道地震紧急处置装置的阀门关闭子电路、电动阀与MCU的接线图；
图4为本实用新型一种燃气管道地震紧急处置装置的MCU与通信子电路的接线图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有相邻实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型提供了一种燃气管道地震紧急处置装置，包括 MCU1、三轴加速度传感器2、阀门关闭子电路3、具有关断管道部件的电动阀 4、通信子电路5和可充电电源6；
三轴加速度传感器2的输出端分别与MCU1的GPIO端口和中断端口电性连接；MCU1与阀门关闭子电路3的输入端电性连接；MCU1还与通信子电路5 电性连接；阀门关闭子电路3的输出端与电动阀4的输入端电性连接，电动阀4 的反馈信号端与MCU1的输入端电性连接；
其中，三轴加速度传感器2检测管道的振动加速度，并将加速度检测结果发送至MCU1中；MCU1进入工作状态并根据加速度检测结果开启阀门关闭子电路3和通信子电路5，阀门关闭子电路3启动电动阀4并执行关断阀门动作，电动阀4将动作后的关断管道部件的位置信息反馈至MCU1中；MCU1通过通信子电路5与附近相邻燃气管道地震紧急处置装置的通信子电路5或者远程主站进行通信。
本实用新型采用了电路结构取代现有的纯机械式地震管道阀门。通过三轴加速度传感器2检测有无振动从而主动唤醒MCU1，是的MCU1进入工作状态并对三轴加速度传感器2发送的加速度检测结果进行进一步分析，判断对应的烈度，执行维持电动阀4现状或者关断电动阀4的对策。
如图2所示，三轴加速度传感器2的SPI端口与MCU1的SPI端口一一对应电性连接，三轴加速度传感器2的终端输出端与MCU1的中断输入端电性连接。由图可知，本实用新型中三轴加速度传感器2为美国德州仪器公司的 ADXL362传感器，这是一种超低功耗的MEMS加速度计，内置AD转换功能，具有阈值可调的唤醒和睡眠模式，体积非常小巧。MCU1可以选用美国德州仪器公司的AduCM3029，该MCU是集成了电源管理的基于ARM Cortex—M3处理器。三轴加速度传感器2的SCLK、MOSI、MOSI和/CS端口对应的与MCU1 的SPI端口连接，三轴加速度传感器2中断输出端口INT2与MCU1的中断输入端口连接，该端口的高电平或者低电平中断信号会使MCU1从休眠模式进入唤醒模式。当然MCU1也可以是相邻类似功能的产品，如意法半导体的STM32 单片机。
如图3所示，阀门关闭子电路3包括升压芯片U1和单通道开关芯片U2，升压芯片U1的输入端与+3.3V电源电性连接，升压芯片U1的使能端与MCU1 的GPIO端口电性连接；升压芯片U1的输出端与单通道开关芯片U2的输入端和使能端电性连接。由图可知，MCU1的引脚41输出的使能信号使升压芯片 U1正常工作，实现电压抬升。升压芯片U1可以输出+12V—+30V电压提供给单通道开关芯片U2，单通道开关芯片U2的输出端与电动阀4电性连接。为电动阀4的触点供电，进而使得关断管道部件相对于燃气管道转动，关闭或者开启燃气管道。升压芯片U1的升压倍数可以由R1+R2/R2来决定。
如图3所示，为了确认关断管道部件的实际位置，可以在电动阀4的关断管道部件的开启位置和关闭位置均设置有距离传感器S1，距离传感器S1的输出端与MCU1的引脚42电性连接，距离传感器S1可向MCU1发回位置反馈信号。
本实用新型中，升压芯片U1可以选用美国德州仪器公司的TPS61096芯片；单通道开关芯片U2可以选用美国德州仪器公司的TPS22810芯片。当然，也可以是相邻具有类似功能的芯片。
如图4所示，通信子电路5包括负载开关U3、电平转换芯片U4和NB-IOT 通信单元U5，负载开关U3的输入端与MCU1的GPIO端口电性连接；负载开关U3的电源输入端与+3.3V电源电性连接，负载开关U3的输出端与NB-IOT 通信单元U5的电源端电性连接；MCU1的UART端口和NB-IOT通信单元U5 的URART端口分别与电平转换芯片U4的收发端口一一对应电性连接。
本实用新型中，负载开关U3可以选用美国德州仪器公司的TPS22917芯片，电平转换芯片U4为MAX3485芯片，NB-IOT通信单元U5可以选用成都亿佰特电子科技有限公司的E840-DTU终端或者华为公司的海思NB-IOT终端。
如图1所示，本实用新型包括可充电电源6，可充电电源6分别与MCU1、三轴加速度传感器2、阀门关闭子电路3、电动阀4和通信子电路5电性连接。由于本实用新型采用的是休眠功能的MCU1，具有极低的待机功耗，可以长期稳定运行。可充电电源6平时可从电网获取电能并充电，当地震发生火灾电网故障时，可充电电源6可持续向装置供电，维持其正常运行。可充电电源6可以采用UPS电源。
本实用新型的使用方法，包括如下步骤：
S1：初始化配置MCU1、三轴加速度传感器2、阀门关闭子电路3、具有关断管道部件的电动阀4和通信子电路5，使得电动阀4通常位于常开位置；MCU1 和三轴加速度传感器2不工作时处于休眠节能状态；三轴加速度传感器2设置第一加速度阈值和第二加速度阈值；
S2：当燃气管道振动并超过第一加速度阈值时，三轴加速度传感器2激活，并进行加速度测量，三轴加速度传感器2检测的振动加速度小于第二加速度阈值时，三轴加速度传感器2不输出并延时一段时间再次休眠；三轴加速度传感器2检测的振动加速度在第二加速度阈值以上时，三轴加速度传感器2的中断输出端向MCU1的中断输入端发送中断信号，唤醒MCU1，并将振动加速度测量结果通过SPI端口发送至MCU1；第一加速度阈值可以设置的比较小，如 0.005g，g为重力加速度；第二加速度阈值可以设置为有较严重后果的地震烈度对应的振动加速度，如0.4g；
S3：MCU1根据收到的振动加速度测量结果，计算振动加速度平均值，判断地震烈度，峰值加速度平均值达到0.125g表示烈度Ⅶ级地震，峰值加速度平均值达到0.25g表示烈度Ⅷ级地震；峰值加速度平均值达到0.5g表示Ⅸ级地震；也可以根据当地的经纬度和GB18306-2018附录A中国地震动峰值加速度区划图来确认；
S4：MCU1根据地震烈度等级分别向阀门关闭子电路3和通信子电路5发出使能信号，激活阀门关闭子电路3和通信子电路5并使其保持工作状态；
S5：阀门关闭子电路(3)驱动电动阀(4)关闭燃气管道，电动阀(4)完全关闭后，距离传感器S1发出关断管道部件当前位置的反馈信号回MCU(1)；完成本地的燃气管道地震紧急处置装置的关断的执行过程，切断燃气管道的供气；
S6：MCU(1)还将振动加速度测量结果、振动加速度平均值和地震烈度信息通过通信子电路(5)向与附近相邻燃气管道地震紧急处置装置的通信子电路 (5)或者远程主站进行通信，通过与附近相邻燃气管道地震紧急处置装置或者远程主站进行进一步的地震烈度确认，形成多台燃气管道地震紧急处置装置的多数决组合判断算法，根据判断结果保持各燃气管道的开启或者关断状态；如区域内的燃气管道地震紧急处置装置有N台，远程主站接收到M台燃气管道地震紧急处置装置发出的地震烈度信息，当M≥N/2时，区域内的所有燃气管道地震紧急处置装置均动作，切断各自装置所在的燃气管道；
S7：三轴加速度传感器(2)没有向MCU(1)发出中断信号时，MCU(1) 定期自动唤醒，并启动通信子电路(5)向远程主站主动发送正处于正常工作状态的心跳数据包。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
