CN104133122A - 一种油品静电在线监测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油品静电在线监测仪，特征是包括刚性直管、杆球传感器及数据处理显示装置；在刚性直管的两端分别设置有带有阀门的法兰，数据处理显示装置包括主板与显示器，主板包括单片机，压电陶瓷谐振器，信号放大、检波与整形电路模块；杆球传感器将感应到的输油管道内的电压信号传输到压电陶瓷谐振器，然后通过压电陶瓷的压电效应使得压电陶瓷谐振器发生震荡，并将电压信号转换成交变电流信号，交变电流信号输入信号放大、检波与整形电路模块。本发明可方便地安装在输油管道，易于实现在线监测，所检测的参数设定为电荷密度，并利用数据处理显示装置来完成对油品静电参数的采集、存储、处理及结果显示，具有很强的实时监控等功能。

Description

一种油品静电在线监测仪
技术领域
本发明涉及石油化工油品生产、输送、储运、零售等易燃易爆场所使用的油品静电带电监测系统，尤其是一种油品静电在线监测仪。
背景技术
在石油化工行业里，由于油品在输运和装卸作业过程中频繁地与管壁、容器壁之间发生接触和再分离，极易产生静电，随着静电的积聚，在油气空间易引起爆炸和燃烧。因此，及时准确地监测油品静电量，就成为了静电研究和工业控制领域十分关注的前沿课题。
目前，国内外对油品静电的检测，大多在油罐、油舱、油库等部位，而在检测参数的选择上，仅仅检测带电油品的静电电位。这种检测的主要缺点在于：检测参数静电电位，易受周围构件、环境、分布电容等因素影响，难于实现在线检测；对于安全控制而言，略显滞后。直接检测油品电荷密度的仪器，尚未见报道。
发明内容
本发明的任务在于提供一种油品静电在线监测仪。
其技术解决方案是：
一种油品静电在线监测仪，包括：
一段刚性直管，在刚性直管的两端分别设置有用于接入输油管道的法兰，法兰上配有阀门；
一用于测量输油管道内中心电位的杆球传感器，在刚性直管的管壁上开设连接孔，杆球传感器的直杆部分使用绝缘密封组件固定连接在连接孔上，杆球传感器的球头部分伸入刚性直管内并直抵刚性直管的中央部位；
一数据处理显示装置，包括数据处理系统主板与显示器，数据处理系统主板包括单片机，压电陶瓷谐振器，信号放大、检波与整形电路模块，传感器驱动与反馈电路模块，总接口电路模块，传感器清零电路模块，升压电路模块，负压电路模块，背光片电路模块，以及RSS422通信电路模块；上述数据处理显示装置通过装置支撑架固定在刚性直管的外管壁上，并位于绝缘密封组件的上方，装置支撑架为管状，绝缘密封组件与杆球传感器的直杆露出部分置于装置支撑架内，杆球传感器的信号线连接数据处理系统主板；
上述杆球传感器将感应到的输油管道内的电压信号传输到压电陶瓷谐振器，然后通过压电陶瓷的压电效应使得压电陶瓷谐振器发生震荡，并将电压信号转换成交变电流信号，交变电流信号输入信号放大、检波与整形电路模块。
上述绝缘密封组件包括绝缘密封件与旋塞阀，杆球传感器的直杆固定在旋塞阀上，旋塞阀与绝缘密封件配合连接。
上述压电陶瓷耦合谐振器包括振梁与平板电容，振梁设有一号片、二号片、三号片与四号片，一号片、二号片各有一面和三号片连在一起，再焊接于PCB板至测量电路的地端；其工作过程为交流电压加在二号片，使振梁振动，从而引起一号片形变产生同频率的交流反馈信号供传感器驱动电路作正反馈及用于正负静电的判别，四号片亦接收振动且振幅最大，与平板电容的另一静止极形成极板距离交变，电容值改变导致极板上电荷的改变，进而产生交变电流信号。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明可方便地安装在输油管道，易于实现在线监测，所检测的参数设定为电荷密度，并利用数据处理显示装置来完成对油品静电参数的采集、存储、处理及结果显示，具有很强的实时监控等功能。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：
图1为本发明一种实施方式的结构原理示意图。
图2为图1方式的局部剖视结构原理示意图。
图3为本发明一种使用情形示意图。
具体实施方式
结合图1、图2与图3，一种油品静电在线监测仪，包括一段刚性直管1，一用于测量输油管道内中心电位的杆球传感器2，及一数据处理显示装置3。
上述刚性直管，在其两端分别设置有用于接入输油管道7的法兰4，法兰上配有阀门8。
上述杆球传感器，在刚性直管的管壁上开设连接孔，杆球传感器的直杆部分使用绝缘密封组件5固定连接在连接孔上，杆球传感器的球头部分伸入刚性直管内并直抵刚性直管的中央部位；上述绝缘密封组件包括绝缘密封件与旋塞阀，杆球传感器的直杆固定在旋塞阀上，旋塞阀与绝缘密封件配合连接。
上述数据处理显示装置，包括数据处理系统主板与显示器，数据处理系统主板包括单片机，压电陶瓷谐振器，信号放大、检波与整形电路模块，传感器驱动与反馈电路模块，总接口电路模块，传感器清零电路模块，升压电路模块，负压电路模块，背光片电路模块，以及RSS422通信电路模块；上述数据处理显示装置通过装置支撑架6固定在刚性直管的外管壁上，并位于绝缘密封组件的上方，装置支撑架为管状，绝缘密封组件与杆球传感器的直杆露出部分置于装置支撑架内，杆球传感器的信号线连接数据处理系统主板。
上述杆球传感器将感应到的输油管道内的电压信号传输到压电陶瓷谐振器，然后通过压电陶瓷的压电效应使得压电陶瓷谐振器发生震荡，并将电压信号转换成交变电流信号，交变电流信号输入信号放大、检波与整形电路模块。
一、关于上述杆球传感器
管道内的油品流动一般为湍流。电荷密度视为均匀。由于管线长度远大于管道内径，因此可以将管道内油品看成无限长带电圆柱体。经理论计算，油品的电荷密度ρ与管线内横断面上的电位V成正比，且不同的管道直径所对应的因数不同。ρ＝v0/β0，v0是管道中心电位；β0是转换系数，与管道半径有关。
在此理论基础上设计了上述杆球传感器，通过测量管道内中心电位，来间接测量管道内的油品电荷密度。具体方案如下：当液体在管道内流动时，与管道绝缘的杆球被充电，电位逐渐升高，并开始向管壁泄露。当充电电流等于泄露电流，达到充放电的平衡时，杆球电位达到稳定值。
从ρ＝v0/β0可知，电压与电荷密度成正比关系，但放入杆球后会影响电场的分布，为此要满足以下条件，电压与电荷密度的正比关系才能近似成立：
(1)杆球传感器与管线线度相比要小的多；
(2)测量系统本身无电荷泄露；
(3)电荷分布均匀(无杂质)；
(4)杆球传感器及其引线必须与金属管道绝缘，同时也必须防止渗漏。
二、关于数据处理显示装置
⑴上述压电陶瓷谐振器
杆球传感器获得的油品静电信息，通过非接触的电场耦合，将信息输送至压电陶瓷耦合谐振器。压电陶瓷在外电场的作用下，会因变形而发生谐振。谐振的基波频率与陶瓷片厚度及半径，陶瓷片和金属振动片的合成密度有关。
可以把压电陶瓷做成电容器的一个极板，在外电场存在的情况下，外电场对压电陶瓷的作用，使电容器极板不断变化，极板间距随之变化，电容值随之变化，就获得一个交变振荡的交变信号。
其基本原理为：通过改变置于静电场中的平板电容的电容值C(t)来引起极板上电荷的变化从而产生弱电流，再利用微弱信号检测电路对此电流放大产生电压输出，其原理可由下式说明；U＝Q(t)/C(t)。U为两电极间的电势差，由待测静电在其附近空间产生的电场所决定。若U固定，极板上的电荷Q(t)便随C(t)而变化，Q(t)的变化导致两极板间电荷的相互移动，从而形成电流，对同一传感器(即C(t)给定)来说，电流的大小即反映了电场的强弱，也反映了静电的电压值。
为使压电陶瓷谐振器有效工作，振梁必须处于良好的受夹状态；一号片、二号片各有一面和三号片连在一起，再焊接于PCB板至测量电路的地端。其利用了压电陶瓷的压电特性，其工作过程为交流电压加在二号片，使振梁振动(压电陶瓷在交变电场作用下通过逆压电效应将电能转换为机械能，产生机械振动)，从而引起一号片形变产生同频率的交流反馈信号供传感器驱动电路(振荡器)作正反馈(通过压电效应将机械能转换为电能)及用于正负静电的判别，四号片亦接收振动且振幅最大，与平板电容的另一静止极形成极板距离交变(即电容值交变)。电容值改变导致极板上电荷的改变，于是产生了交变电流信号。
⑵系统硬件设计原理：系统以ATmega169单片机为核心，采用上述设计的静电传感器并具有自动换档、数据保持、键入与显示、电池指示等功能，既能测量静电的大小又能区别静电的正负。传感器驱动电路模块和传感器构成一个整体用于感应静电场，工作时将产生两路信号。一路是传感器在驱动信号(峰峰值约为5V)的驱动下开始振动，并由四号片感应出静电信号，输出微弱电流；另一路是由传感器一号片的反馈信号送至检波、分档放大电路中，产生方波信号。方波信号是静电正负判别的依据，实现方法是将方波信号经移相整流后送至单片机的A/D端供程序使用。传感器的输出静电信号为10-9数量级的微弱电流，后接具有高输入阻抗的微弱信号放大电路进行放大。微弱信号放大后，需再经一级分档放大，放大后输出正负交替的信号。为了测得其有效值，整流之后采用软件滤波的方法。A/D转换利用单片机内部的8位转换器。测量仪的电源由可充电电池提供，用ICL7660进行DC-DC变换分别输出±5V给系统供电。
A/D转换与软件滤波
因有效信号和反馈信号只进行半波整流而没有滤波便输入到A/D端,所以要采用软件滤波的方法，即将输入信号曲线瞬时取样，得到一个周期的数据再求取平均值。传感器的振动频率约为380Hz,有效信号与之同频。
误差修正
因为静电测量采用非接触性传感器，转换后又为微弱信号测量误差在所难免。在修正前测量误差为6％左右，修正后为±3％，检测测量误差是将高压源输出直流接在电容两端，一端接一金属极板以产生静电荷，然后将静电测量仪置于极板上测量，测量值和高压源的实际输出相比较来定标和判断测量准确度。
软件模块的设计
软件模块发送端包括主程序，数据采集子程序，数据处理子程序，数据显示子程序，中断子程序；接收端包括主程序，中断子程序，数据打印子程序。
⑶上述基于AVR单片机控制技术的静电测量原理
系统以ATmega169单片机为核心，对上述设计的静电传感器信号进行智能化处理，实现A/D转换、信号放大、信号反馈、数值显示、存储、报警限值设定、报警等。从而使信号处理系统实现LED显示、自动换档、数据保持、键入与显示、电池指示等功能，既能测量静电的大小(直接以电荷密度μc/m3的读数显示)，又能区别静电的正负,并实现智能化的在线检测。
传感器驱动电路模块和传感器构成一个整体实现信号采集与耦合。工作时将产生两路信号。一路是传感器在驱动信号(峰峰值约为5V)的驱动下开始振动，并由4#片感应出静电信号，输出微弱电流；另一路是由传感器1#片的反馈信号送至检波、分档放大电路中，产生方波信号。方波信号既是驱动电路的正反馈，也是静电正负判别的依据，实现方法是将方波信号经移相整流后送至单片机的A/D端供程序使用。传感器的输出静电信号为10-9数量级的微弱电流，后接具有高输入阻抗的微弱信号放大电路进行放大，该电路必须和传感器一同放在屏蔽盒内，否则空间电场的干扰会产生很大的输出误差，影响测量准确度甚至无法测量。微弱信号放大后，需再经一级分档放大，放大后输出正负交替的信号。为了测得其有效值，整流之后采用软件滤波的方法，即将输入信号曲线瞬时取样，得到一个周期的数据再求取平均值、这样既简化了电路又提高测量电路的响应速度。A/D转换利用单片机内部的8位转换器。测量仪的电源由可充电电池提供，用ICL7660进行DC-DC变换分别输出±5V给系统供电。
在线静电监测仪数据处理系统分为单片机主控模块，数据采集模块，数码显示模块，报警模块，串行通讯模块，打印模块等六个模块。
数据采集模块由三部分组成：传感器(见前述)，衰减电路，模数转换。通过传感器部分将油品的电荷密度转换成电压，往往电压值偏大，再利用衰减电路部分将电压值控制在－10V到+10V之间，最后将衰减后的模拟电压信号转化成数字电压信号。利用28脚双列直插式标准封装的集成A/D转换器，转换为数字信号。其转换时间为25，转换精度为12位。
显示模块：显示装置采用6位有效数字LED显示器。
报警模块：当油品静电参数超过预先设定的安全阈值时，报警单元以声光方式报警。本系统在单片机端口连接一蜂鸣器且并接一发光二极管来实现。
串行通讯模块：由于单片机的I/O口资源有限，本系统中采用两块AT89S52型单片机，其一单独用来控制打印机，因而需要进行两块单片机之间的数据串行通讯，收发两方要有相同的波特率，为了使通讯稳定可靠收发两方均采用中断的方式来触发数据的发送与接收。
打印模块：为了提高打印速度，这里通过并行接口连接的方式将单片机与微型打印机连接起来。
本发明可配置的软件设计如下：
采用C语言模块程序设计技术，根据系统的功能，将整个软件划分成若干个功能相对独立的模块，为每个模块设计算法与程序流程，根据流程编写程序，继而单独调试各个模块程序，待其调试通过后再将所有模块程序集结在一起进行总调。
软件模块的设计：发送端可包括主程序，数据采集子程序，数据处理子程序，数据显示子程序，中断子程序；接收端可包括主程序，中断子程序，数据打印子程序。
与本发明有关的防爆设计。经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站(NEPS)检验，符合防爆标准的要求。
本发明中，杆球传感器通过绝缘、防泄漏、屏蔽处理，其核心部分即数据处理显示装置固定于管道测试段的上部。6位数值的显示器(屛)用于直接显示管道内油品的电荷密度(μc/m3)。
上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种油品静电在线监测仪，其特征在于包括：
一段刚性直管，在刚性直管的两端分别设置有用于接入输油管道的法兰，法兰上配有阀门；
一用于测量输油管道内中心电位的杆球传感器，在刚性直管的管壁上开设连接孔，杆球传感器的直杆部分使用绝缘密封组件固定连接在连接孔上，杆球传感器的球头部分伸入刚性直管内并直抵刚性直管的中央部位；
一数据处理显示装置，包括数据处理系统主板与显示器，数据处理系统主板包括单片机，压电陶瓷谐振器，信号放大、检波与整形电路模块，传感器驱动与反馈电路模块，总接口电路模块，传感器清零电路模块，升压电路模块，负压电路模块，背光片电路模块，以及RSS422通信电路模块；上述数据处理显示装置通过装置支撑架固定在刚性直管的外管壁上，并位于绝缘密封组件的上方，装置支撑架为管状，绝缘密封组件与杆球传感器的直杆露出部分置于装置支撑架内，杆球传感器的信号线连接数据处理系统主板；
上述杆球传感器将感应到的输油管道内的电压信号传输到压电陶瓷谐振器，然后通过压电陶瓷的压电效应使得压电陶瓷谐振器发生震荡，并将电压信号转换成交变电流信号，交变电流信号输入信号放大、检波与整形电路模块。
2.根据权利要求1所述的油品静电在线监测仪，其特征在于：上述绝缘密封组件包括绝缘密封件与旋塞阀，杆球传感器的直杆固定在旋塞阀上，旋塞阀与绝缘密封件配合连接。
3.根据权利要求1所述的油品静电在线监测仪，其特征在于：上述压电陶瓷耦合谐振器包括振梁与平板电容，振梁设有一号片、二号片、三号片与四号片，一号片、二号片各有一面和三号片连在一起，再焊接于PCB板至测量电路的地端；其工作过程为交流电压加在二号片，使振梁振动，从而引起一号片形变产生同频率的交流反馈信号供传感器驱动电路作正反馈及用于正负静电的判别，四号片亦接收振动且振幅最大，与平板电容的另一静止极形成极板距离交变，电容值改变导致极板上电荷的改变，进而产生交变电流信号。
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