地下管线生存环境监控仪及其使用方法

摘要

本发明公开了一种地下管线生存环境监控仪及其使用方法，该监控仪包括监控仪前节和监控仪后节；监控仪前节包括前节壳体和连接在前节壳体上的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板、金属腐蚀监测参考板；监控仪后节包括电子仓壳体、电子模块、粗钢管及细钢管，电子模块设置在电子仓壳体内，粗钢管和细钢管一端与电子仓壳体的内部相连通、另一端与前节壳体的内部相连通；细钢管的外部设置有可滑动的游标磁环，细钢管的内部设置有磁致伸缩波导丝。本发明提供的地下管线生存环境监控仪及其使用方法，结构合理，工作稳定，测量精度高，可自动测量、评价地下管线生存环境，提高地下管线运营的安全水平。

权利要求

1.一种地下管线生存环境监控仪，其特征在于，包括监控仪前节（1）和与监控仪前节（1）可拆卸连接的监控仪后节（2）；所述监控仪前节（1）包括前节壳体（15）和连接在前节壳体（15）上的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板（11）、金属腐蚀监测参考板（13）；所述监控仪后节（2）包括电子仓壳体（5）、电子模块（4）、粗钢管（6）及细钢管（7），所述电子模块（4）设置在电子仓壳体（5）内并且与电子仓壳体（5）上的电子仓盖（3）电连接，所述粗钢管（6）和细钢管（7）一端与电子仓壳体（5）的内部相连通、另一端与前节壳体（15）的内部相连通，所述粗钢管（6）内设有监测电缆，并且监测电缆的一端与电子模块（4）连接、另一端与监控仪前节（1）中的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板（11）及金属腐蚀监测参考板（13）连接；所述细钢管（7）的外部设置有可滑动的游标磁环（8），细钢管（7）的内部设置有磁致伸缩波导丝（12），并且磁致伸缩波导丝（12）的一端与电子模块（4）连接、另一端设置在前节壳体（15）内。

2.根据权利要求1所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述前节壳体（15）由工程塑料制成，其外形为前端带锥形的圆柱体。

3.根据权利要求1所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述土体密度监测电极包括一件长电极（17）及若干件短电极（16），长电极（17）设置在前节壳体（15）的前端，短电极（16）环向均布安装在前节壳体（15）的外侧。

4.根据权利要求1所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述前节壳体（15）中部开口，所述金属腐蚀监测板（11）与前节壳体（15）上的中部开口配合设置，将前节壳体（15）上的中部开口封堵住，并且金属腐蚀监测板（11）上的金属腐蚀监测电极（18）位于前节壳体（15）的内部。

5.根据权利要求1所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述金属腐蚀监测参考板（13）设置在前节壳体（15）的内部。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述监测电缆包括金属腐蚀监测电缆（10）及土体密度监测电缆（14），所述金属腐蚀监测电缆（10）的一端与电子模块（4）连接、另一端与金属腐蚀监测板（11）上的金属腐蚀监测电极（18）和金属腐蚀监测参考板（13）上的金属腐蚀监测电极（18）连接，所述土体密度监测电缆（14）的一端与电子模块（4）连接、另一端与土体密度监测电极连接。

7.根据权利要求1所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述电子模块（4）采用外接电源供电，其为电池或太阳能板。

8.根据权利要求6所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述电子模块（4）包括：

AD转化芯片，其一端与多通道电压采集芯片连接，将多通道电压采集芯片获取的模拟信号转化为数字信号，其另一端与单片机MCU芯片连接；

多通道电压采集芯片，其与金属腐蚀监测电缆（10）连接，负责获取金属腐蚀监测板（11）上的金属腐蚀监测电极（18）和金属腐蚀监测参考板（13）上的金属腐蚀监测电极（18）之间的电压模拟信号；

脉冲发生芯片，其一端与磁致伸缩波导丝（12）连接，另一端与单片机MCU芯片连接；

时间比较器芯片，其一端与磁致伸缩波导丝（12）连接，另一端与单片机MCU芯片连接；

电压相位转化芯片，其一端与土体密度检测电缆（14）连接，另一端与单片机MCU芯片连接，电压相位转化芯片测量土体中电极的电压及相位信息；

单片机MCU芯片，其与AD转化芯片、脉冲发生芯片、时间比较器芯片、电压相位转化芯片连接；

RS485通讯芯片，其与单片机MCU芯片通讯连接，负责监测数据的传输。

9.根据权利要求1所述的地下管线生存环境监控仪，其特征在于，所述电子模块（4）上集成GPS定位芯片，GPRS远程传输芯片；其中，GPS定位芯片与单片机MCU芯片连接，向单片机MCU芯片传输地下管线生存环境监控仪的定位信息；GPRS远程传输芯片与单片机MCU芯片相连，负责传输土体位移参数、土体密度参数、金属腐蚀性参数和GPS定位信息。

10.根据权利要求9所述地下管线生存环境监控仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，调查地下管线及周边环境的现状；

S2，根据调查现状，确定地下管线周边环境监测方案，明确地下管线生存环境监控仪布设信息；

S3，根据地下管线生存环境监控仪布设信息，在预定位置打孔施工；

S4，将拼装完成的地下管线生存环境监控仪安装在预定位置孔中，监测土体密度、金属腐蚀性及土体分层沉降。

说明书

地下管线生存环境监控仪及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及检测监测技术领域，尤其涉及一种地下管线生存环境监控仪及其使用方法。

背景技术

[0002] 地下管线是城市范围内供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等管线及其附属设施，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

[0003] 随着城市地铁、地下停车场等大型地下工程大规模施工及城市道路的迅速扩建，严重影响了地下管线的生存环境，给地下管线的安全运营提出挑战。

[0004] 据不完全统计，由于地下管线生存环境变化造成的地下管线事故占70%左右。通过对地下管线的风险源分析，影响地下管线生存环境诸多因素中，腐蚀和沉降对金属管线影响较大，而沉降对非金属管线影响较大。

[0005] 因此，亟待设计一种地下管线生存环境监控仪器进行实时监测，提供管线生存环境安全数据，减少地下管线重大事故发生概率，提高地下管线运营的安全性。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对上述技术问题，提供了一种地下管线生存环境监控仪及其使用方法，其结构合理，工作稳定，测量重复精度高，可远程传输数据，实现多台联动，自动测量、评价地下管线生存环境，减少地下管线重大事故发生概率，提高地下管线运营的安全水平。

[0007] 本发明的技术方案

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供的地下管线生存环境监控仪包括监控仪前节和与监控仪前节可拆卸连接的监控仪后节。

[0009] 所述监控仪前节包括前节壳体和连接在前节壳体上的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板、金属腐蚀监测参考板；土体密度监测电极、金属腐蚀监测板、金属腐蚀监测参考板分别用于监测地下管线生存环境土体密度、金属腐蚀性。

[0010] 所述监控仪后节包括电子仓壳体、电子模块、粗钢管及细钢管，所述电子模块设置在电子仓壳体内并且与电子仓壳体上的电子仓盖电连接，所述粗钢管和细钢管一端与电子仓壳体的内部相连通、另一端与前节壳体的内部相连通，所述粗钢管内设有监测电缆，并且监测电缆的一端与电子模块连接、另一端与监控仪前节中的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板及金属腐蚀监测参考板连接；

[0011] 所述细钢管的外部设置有可滑动的游标磁环，细钢管的内部设置有磁致伸缩波导丝，并且磁致伸缩波导丝的一端与电子模块连接、另一端设置在前节壳体内。电子模块上的脉冲发生芯片发射的电脉冲在磁致伸缩波导线中传播，遇到游标磁环中的磁铁产生反射，电子模块上的时间比较芯片将原始脉冲和反射脉冲时间及波传播速度分析，可得游标磁环的位移，即土体分层沉降程度。

[0012] 进一步地，所述前节壳体由工程塑料制成，其外形为前端带锥形的圆柱体。

[0013] 进一步地，所述土体密度监测电极包括一件长电极及若干件短电极，长电极设置在前节壳体的前端，短电极环向均布安装在前节壳体的外侧。电子模块的电压相位芯片通过测量土体密度监测电极之间电压及相位，从而解析计算土体密度。

[0014] 进一步地，所述前节壳体中部开口，所述金属腐蚀监测板与前节壳体上的中部开口配合设置，将前节壳体上的中部开口封堵住，并且金属腐蚀监测板上的金属腐蚀监测电极位于前节壳体的内部；金属腐蚀监测板、金属腐蚀监测参考板上的金属腐蚀监测电极通电后，形成电位矩阵，电子模块中的多通道电压采集芯片精确测量出金属监测板及参考板的各电极之间的电压，通过AD转化芯片将模拟信号转化为数字信号，通过金属监测板与参考板的电压比对，测量土体金属腐蚀性。

[0015] 进一步地，所述金属腐蚀监测参考板设置在前节壳体的内部。

[0016] 进一步地，所述监测电缆包括金属腐蚀监测电缆及土体密度监测电缆，所述金属腐蚀监测电缆的一端与电子模块连接、另一端与金属腐蚀监测板上的金属腐蚀监测电极和金属腐蚀监测参考板上的金属腐蚀监测电极连接，所述土体密度监测电缆的一端与电子模块连接、另一端与土体密度监测电极连接。

[0017] 进一步地，所述电子模块采用外接电源供电，其为电池或太阳能板。

[0018] 进一步地，所述电子模块包括：

[0019] AD转化芯片，其一端与多通道电压采集芯片连接，将多通道电压采集芯片获取的模拟信号转化为数字信号，其另一端与单片机MCU芯片连接；

[0020] 多通道电压采集芯片，其与金属腐蚀监测电缆连接，负责获取金属腐蚀监测板上的金属腐蚀监测电极和金属腐蚀监测参考板上的金属腐蚀监测电极之间的电压模拟信号；

[0021] 脉冲发生芯片，其一端与磁致伸缩波导丝连接，另一端与单片机MCU芯片连接；

[0022] 时间比较器芯片，其一端与磁致伸缩波导丝连接，另一端与单片机MCU芯片连接；

[0023] 电压相位芯片，其一端与土体密度检测电缆连接，另一端与单片机MCU芯片连接，电压相位芯片测量土体中电极的电压及相位信息；

[0024] 单片机MCU芯片，其与AD转化芯片、脉冲发生芯片、时间比较器芯片、电压相位芯片连接；

[0025] RS485通讯芯片，其与单片机MCU芯片通讯连接，负责监测数据的传输。

[0026] 进一步地，所述电子模块上集成GPS定位芯片，GPRS远程传输芯片；其中，GPS定位芯片与单片机MCU芯片连接，向单片机MCU芯片传输地下管线生存环境监控仪的定位信息；GPRS远程传输芯片与单片机MCU芯片相连，负责传输土体位移参数、土体密度参数、金属腐蚀性参数和GPS定位信息。

[0027] 本申请还公开了一种地下管线生存环境监控仪的使用方法，具体包括以下步骤：

[0028] S1，调查地下管线及周边环境的现状；

[0029] S2，根据调查现状，确定地下管线周边环境监测方案，明确地下管线生存环境监控仪布设信息；

[0030] S3，根据地下管线生存环境监控仪布设信息，在预定位置打孔施工；

[0031] S4，将拼装完成的地下管线生存环境监控仪安装在预定位置孔中，监测土体密度、金属腐蚀性及土体分层沉降。

[0032] 本发明有益效果：

[0033] 本发明提供的地下管线生存环境监控仪及其使用方法，其结构合理，工作稳定，测量重复精度高，可远程传输数据，实现多台联动，自动测量、评价地下管线生存环境，减少地下管线重大事故发生概率，提高地下管线运营的安全水平。

附图说明

[0034] 通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

[0035] 图1是本发明的结构立体图；

[0036] 图2是本发明的结构剖视图；

[0037] 图3是本发明之监控仪前节剖视图；

[0038] 图4是本发明之监控仪后节剖视图；

[0039] 图5是本发明之电子模块示意图；

[0040] 图6是本发明在监测中的布置示意图；

[0041] 图7是图6的左视图。

[0042] 附图中，各标号所代表的部件如下：

[0043] 1.监控仪前节；2.监控仪后节；3.电子仓盖；4.电子模块；5.电子仓壳体；6.粗钢管；7.细钢管；8.游标磁环；9.连接法兰；10.金属腐蚀监测电缆；11.金属腐蚀监测板；12.磁致伸缩波导丝；13.金属腐蚀监测参考板；14.土体密度检测电缆；15.前节壳体；16.短电极；17.长电极；18.金属腐蚀监测电极；19.地下管线生存环境监控仪；20.地下管线。

具体实施方式

[0044] 下面结合具体实施例和附图对本发明的地下管线生存环境监控仪及其使用方法进行详细说明。

[0045] 在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

[0046] 本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

[0047] 图1至图7是本发明所述的地下管线生存环境监控仪及其使用方法的相关示意图。

[0048] 图1是本发明所述的一种地下管线生存环境监控仪的结构示意图，其包括监控仪前节1、监控仪后节2，连接法兰9设置在监控仪前节1、监控仪后节2之间，通过紧固件将监控仪前节1、监控仪后节2可拆卸连接。

[0049] 图2是本发明的结构剖视图，其中，监控仪前节1包括前节壳体15和连接在前节壳体15上的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板11、金属腐蚀监测参考板13；土体密度监测电极、金属腐蚀监测板11及金属腐蚀监测参考板13设置在前节壳体15中，分别用于监测地下管线生存环境土体密度、金属腐蚀性。

[0050] 前节壳体15由工程塑料制成，其外形为前端带锥形的圆柱体，所述土体密度监测电极包括一件长电极17及若干件短电极16，长电极17设置在前节壳体15的前端，短电极16环向均布安装在前节壳体15的外侧。图3是本发明之监控仪前节剖视图。电子模块4的电压相位芯片通过测量土体密度监测电极间电流的电压及相位，从而解析出土体密度。

[0051] 图4是本发明之监控仪后节剖视图，其包括电子仓壳体5、电子模块4、粗钢管6及细钢管7。

[0052] 所述电子模块4设置在电子仓壳体5内并且与电子仓壳体5上的电子仓盖3电连接，所述粗钢管6和细钢管7一端与电子仓壳体5的内部相连通、另一端与前节壳体15的内部相连通，所述粗钢管6内设有监测电缆，并且监测电缆的一端与电子模块4连接、另一端与监控仪前节1中的土体密度监测电极、金属腐蚀监测板11及金属腐蚀监测参考板13连接；

[0053] 所述细钢管7的外部设置有可滑动的游标磁环8，细钢管7的内部设置有磁致伸缩波导丝12，并且磁致伸缩波导丝12的一端与电子模块4连接、另一端设置在前节壳体15内。

[0054] 图5是本发明之电子模块示意图，其包括：

[0055] AD转化芯片，其一端与多通道电压采集芯片连接，将多通道电压采集芯片获取的模拟信号转化为数字信号，其另一端与单片机MCU芯片连接；

[0056] 多通道电压采集芯片，其与金属腐蚀监测电缆10连接，负责获取金属腐蚀监测板11上的金属腐蚀监测电极18和金属腐蚀监测参考板13上的金属腐蚀监测电极18之间的电压模拟信号；

[0057] 脉冲发生芯片，其一端与磁致伸缩波导丝12连接，另一端与单片机MCU芯片连接；

[0058] 时间比较器芯片，其一端与磁致伸缩波导丝12连接，另一端与单片机MCU芯片连接；

[0059] 电压相位芯片，其一端与土体密度检测电缆14连接，另一端与单片机MCU芯片连接，电压相位芯片测量土体中电极的电压及相位信息；

[0060] 单片机MCU芯片，其与AD转化芯片、脉冲发生芯片、时间比较器芯片、电压相位芯片连接；

[0061] RS485通讯芯片，其与单片机MCU芯片通讯连接，负责监测数据的传输。

[0062] 电子模块4的脉冲发生芯片发射的电脉冲在磁致伸缩波导丝12中传播，遇到游标磁环8中的磁铁产生反射，电子模块的时间比较芯片将原始脉冲和反射脉冲时间和波传播速度分析可得游标磁环8的位移，可得土体分层沉降情况。

[0063] 监控仪前节剖视图，如图3所示，所述前节壳体15中部开口，所述金属腐蚀监测板11与前节壳体15上的中部开口配合设置，将前节壳体15上的中部开口封堵住，并且金属腐蚀监测板11上的金属腐蚀监测电极18位于前节壳体15的内部；所述金属腐蚀监测参考板13设置在前节壳体15的内部。

[0064] 金属腐蚀监测板11、金属腐蚀监测参考板13上的金属腐蚀监测电极18通电后，形成电位矩阵，电子模块中的多通道电压采集芯片精确测量出金属监测板及参考板的各电极之间电压，通过AD转化芯片将模拟信号转化为数字信号，通过金属监测板与参考板的电压比，测得金属腐蚀性。

[0065] 所述监测电缆包括金属腐蚀监测电缆10及土体密度监测电缆14，所述金属腐蚀监测电缆10的一端与电子模块4连接、另一端与金属腐蚀监测板11上的金属腐蚀监测电极18和金属腐蚀监测参考板13上的金属腐蚀监测电极18连接，所述土体密度监测电缆14的一端与电子模块4连接、另一端与土体密度监测电极连接。

[0066] 所述电子模块4采用外接电源供电，其为电池或太阳能板。

[0067] 所述电子模块4包括AD转化芯片、多通道电压采集芯片、脉冲发生芯片、时间比较器芯片、电压相位芯片、单片机MCU芯片、RS485通讯芯片，单片机MCU芯片与AD转化芯片、脉冲发生芯片、时间比较器芯片、电压相位芯片连接，多通道电压采集芯片与AD转化芯片连接，RS485通讯芯片与单片机MCU芯片通讯连接。

[0068] 所述电子模块4上集成GPS定位芯片，GPRS远程传输芯片；其中，GPS定位芯片与单片机MCU芯片连接，向单片机MCU芯片传输地下管线生存环境监控仪的定位信息；GPRS远程传输芯片与单片机MCU芯片相连，负责传输土体位移参数、土体密度参数、金属腐蚀性参数和GPS定位信息。

[0069] 本发明还公开了一种地下管线生存环境监控仪的使用方法，具体包括以下步骤：

[0070] S1，调查地下管线及周边环境的现状；

[0071] 具体地，地下管线方面重点调查管线的类型、功能、材质、规格、坐标位置、走向、埋设方式、埋深（标高）、施工方法等信息，周边环境重点调查管线周边土质、地质情况、地下水水位、压力等信息，为地下管线生存环境监控仪布设方案的制定准备基础资料。

[0072] S2，根据调查现状，确定地下管线周边环境监测方案，明确地下管线生存环境监控仪布设信息；

[0073] 具体地，根据调查所得的地下管线信息，依据相关标准制定管线周边环境监测方案，确定地下管线生存环境监控仪布设的数量、位置、深度等信息。

[0074] S3，根据地下管线生存环境监控仪布设信息，在预定位置打孔施工；

[0075] 具体地，依据监测方案在预定位置打直径略大于地下管线生存环境监控仪直径的深孔。

[0076] S4，将拼装完成的地下管线生存环境监控仪安装在预定位置孔中，监测土体密度、金属腐蚀性及土体分层沉降。

[0077] 具体地，将游标磁环8临时固定在细钢管7顶部，向孔中罐砂，填充空隙，达到一定深度后，释放游标磁环8，再填充砂粒，以固定游标磁环8；游标磁环8沿细钢管7均匀设置，其设置间距为1m。

[0078] 地下管线生存环境监控仪设置在预定位置后，就可以监测地下管线生存环境。具体过程如下：

[0079] （1）土体密度监测

[0080] 电压相位芯片一端与土体密度检测电缆14连接，另一端与单片机MCU芯片连接，电压相位芯片测量土体中电流的电压及相位信息，将时间比较信息发送至单片机MCU芯片，单片机MCU芯片从而解析出土的密实度参数。

[0081] （2）金属腐蚀性监测

[0082] 多通道电压采集芯片一端与金属腐蚀监测电缆10连接，另一端通过AD转化芯片与单片机MCU芯片连接，多通道电压采集芯片精确测量出金属腐蚀监测板11及金属腐蚀监测参考板13的各电极间电压模拟信号，通过将AD转化芯片将模拟信号转化为数字信号，再传输至单片机MCU芯片，单片机MCU芯片对金属腐蚀监测板11与金属腐蚀监测参考板13的电压信号进行比对，分析出金属腐蚀性参数。

[0083] （3）土体分层沉降

[0084] 脉冲发生芯片与时间比较芯片一端与磁致伸缩波导丝12连接，另一端与单片机MCU芯片连接，由单片机MCU芯片向脉冲发生芯片发布指令，脉冲发生芯片向磁致伸缩波导丝12反射电脉冲，电脉冲在磁致伸缩波导丝12中传播，遇到游标磁环8中的磁铁产生反射，时间比较芯片记录原始脉冲和反射脉冲时间比较出来，将时间比较信息发送至单片机MCU芯片，单片机MCU芯片对时间比较信息分析可得游标磁环8的位移，即土体分层沉降参数。

[0085] 电子模块4中的单片机MCU将土体位移参数、土体密度参数、金属腐蚀性参数进行计算得出地下管线生存环境参数。

[0086] 图6是本发明所述的地下管线生存环境监控仪在监测中的布置示意图，由图可知，地下管线生存环境监控仪19设置在地下管线20的两侧，图7是图6的左视图，地下管线生存环境监控仪20均匀间隔设置。

[0087] 由于电子模块4集成GPS定位芯片、GPRS通讯芯片、RS485通讯芯片，GPS定位芯片、GPRS远程传输芯片与电子模块4上的单片机MCU芯片连接，GPS定位芯片可获取地下管线生存环境监控仪的定位信息，GPRS远程传输芯片可用于信息的远程传输。

[0088] GPRS通讯芯片、RS485通讯芯片为数据通讯、传输芯片，与单片机MCU芯片相连，负责传输土体位移参数、土体密度参数、金属腐蚀性参数和GPS定位信息，可采用无线传输方式通过GPRS通讯芯片将多台设备信息传输至远程服务器统一处理，也可通过RS485通讯芯片进行多台设备同步信息采集。

[0089] 这样可以实现多台地下管线生存环境监控仪联动配合，形成地下管线生存环境动态监控平台，自动测量地下管线生存环境各项参数，并评价地下管线生存环境。这样，监测人员可根据监测及评价结果，及时制定预防措施，提高地下管线运营的安全性，降低地下管线重大事故发生概率。

[0090] 本发明提供的地下管线生存环境监控仪及其使用方法，其结构合理，工作稳定，测量重复精度高，可远程传输数据，实现多台联动，自动测量、评价地下管线生存环境，减少地下管线重大事故发生概率，提高地下管线运营的安全水平。

[0091] 本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。