CN104634410B - 一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法。本发明中的光纤光栅液位传感器以8*8多点网状分布结构，通过焊接固定在油罐底面上，传感器之间通过光纤连接，再通过光纤与光纤光栅解调仪相连，解调仪连接上位机（PC机）。本发明以光纤光栅传感器测得的液位高度为基础，通过计算机建立模拟的液体立体形貌模型，利用数学方法计算得到高精度的液体实际容量。

Description

一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法

技术领域

本发明涉及一种液体容量检测方法，尤其涉及一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法。

背景技术

目前所使用的大型油罐，外观呈圆柱形，底面却不是平面，它类似于锥体表面，中部高，四周低，且中部比四周高20cm左右，其目的是减少油罐储油时底部下凹变形引起的容量误差。国家检定规程中油罐储油容量的测量是通过测量量油尺高度，查询容量表获得。容量表是依据空罐测量的结果编制的，获得的是高度与空罐容量之间的关系表，测量方法有围尺法、全站仪法、三维激光扫描法等。可见，这种测量方法，并不是一种实时在线测量方法，与油罐当前存储量之间存在不可忽视的误差，这种误差的相对值即使符合国家标准，也由于其绝对值大，带来极大的经济贸易差，其次，由于油罐底面的变形，不经过底量补偿的容量测量也会对测量结果产生影响。而采用在线实时检测的方法则能解决上述问题。

在线检测油罐容量时，要考虑两个问题，一是具备防火防爆、持久有效性能，二是解决底量补偿问题。目前市场上能测液压、容量的传感器有不少，但传统的电学传感器并不适用。

发明内容

本发明克服了现有油罐容量测量方法的不足，提供了一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，能在线检测液体的实际容量。

本发明采用下述技术方案：

本发明方法使用光纤、光纤光栅液位传感器、光纤光栅解调仪、PC机、光纤光栅温度传感器和量油尺。光纤光栅液位传感器和光纤光栅温度传感器通过焊接固定在油罐底部，传感器之间通过光纤连接，光纤越过油罐顶部在油罐外与光纤光栅解调仪相连，解调仪连接上位机（PC机），量油尺用来测量油罐底部零刻线到当前液位的高度。

所述的光纤光栅液位传感器每八个等间距串联在一条光路上，由光纤传输光信号，共有八个光路，即八个通道，每个通道以油罐中心为圆心，呈圆型分布；且相邻两个通道之间距离相等；同一通道中的各传感器工作波长间隔6nm，工作波长分别选为1521nm、1527nm、1533nm、1539nm、1545nm、1551nm、1557nm、1563nm；每个通道通过光纤与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅温度传感器与最里圈通道的液位传感器串联，解调仪连接上位机。

依据上述硬件设计，其计算液体容量的方法如下：建立三维坐标系，由于每个传感器利用他的工作波长和它所在的通道可以相互区分，例如1通道中，1号传感器对应1521nm，2号传感器对应1527nm，3号传感器对应1533nm，4号传感器为1539nm，依此类推，每8个传感器为一个通道，1-8号串联为1通道，9-16号为2通道，17-24号为3通道……,不同通道传感器按其编号从小到大排列也依次对应1521nm，1527nm，1533nm….，如此一来，根据传感器的8×8分布方式，结合油罐的底面尺寸可得出他的XY坐标，现以油罐零刻线所在平面为基准面，利用毫米级精度的量油尺测得的零刻线到液面的液位高度值，每个光纤光栅传感器测得的液位高度，同时利用圆环中心处仅受温度影响的光纤光栅温度传感器的波长偏移量来对其它光纤光栅液位传感器的布拉格波长偏移量进行补偿，中心光纤光栅温度传感器编号为“0”，与1通道的液位传感器串联，其工作波长为1515nm，计算得到的的值就是在油罐内存在液体时传感器新的Z轴坐标值，如果忽略底面在形变过程中以及温度变化对传感器横向和纵向的位移，即对传感器XY坐标带来的影响，那么利用每个传感器新的三维坐标，将上位机中所有的传感器对应的三维坐标点连接形成模拟曲面，再结合他们所测量得到的液位高度值，形成一个新的立体结构，最后利用数学方法计算得到液体的实际容量。当实际液位低于油罐底面中心最高处时，此时液面高度很低，由液体压力导致的底部形变可忽略不计，可采用空罐时测得的底面形貌对此时的液体容量加以计算。

与背景技术相比，本发明的增益效果为：

1.本发明在油罐内存在液体的情况下，能够对液体容量的变化进行长期在线检测，实时的测量当前液体的容量值，并且使获得的容量值信息更加快速和精确的反映给使用者。

2.本发明的传感器以8×8多点网状式结构分布在油罐底部，其位置为圆环与正八边形对角线交点处，然而本发明采用光纤光栅液位传感器来进行测量，这种传感器不仅具有抗压、抗腐蚀等优点，而且其可串联的特性大大减少了解调时所需要的通道数量，更重要的是，根据不同的工作波长和所处通道的不同能使测得的数据与传感器相互对应，实现定位。

3.本发明中计算液体容量，是将液体的实际样貌通过测得的数据以模拟立体的形式再现在计算机中，同时通过数学方法对此模拟立体进行体积的计算，得到的结果即为当前液体的容量值。这种新的计算液体容量的方法不仅直观、简便，而且充分利用了测得的数据，精确度更高。

附图说明

图1是本发明的测量系统结构简图；

图2是本发明光纤光栅传感器布点分布图；

图3是本发明同一通道中的光纤光栅传感器与解调仪连接及波长复用图；

图4a是本发明光纤光栅传感器示意图；

图4b是本发明光纤光栅传感器内部结构图；

图5是本发明光纤光栅传感器XY轴坐标取值原理图；

图6是本发明光纤光栅传感器Z轴坐标取值原理图；

图7是本发明用来温度补偿用的光纤光栅传感器结构图；

图8是本发明计算液体实际容量的立体结构关系图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明油罐内液体容量在线检测装置包括油罐1；光纤光栅液位传感器2；量油尺3；光纤4；光纤光栅解调仪5；PC机6；光纤光栅温度传感器7；其中，光纤光栅液位传感器2和光纤光栅温度传感器7通过焊接固定在油罐1底面上，同一通道的传感器用光纤4连接起来，8个通道的传感器通过光纤4越过油罐顶部连接到光纤光栅解调仪5中，解调仪5通过网线连接PC机6。

本实施例中的油罐为十万立方油罐，高度为20米，底面直径80米，若要运用到其它储存容量的油罐中去时，由于底部尺寸不一样，可适当改变各个传感器之间的间距，采用同样的分布结构，使其适用到要检测的油罐，并且修改上位机计算液体容量的编程软件中相对应的XY坐标的代码，两者相互对应。

本实施例中光纤光栅解调仪采用MOI公司的SM125型号，光源波段为1510nm~1590nm，能通过拓展通道的方法，同时使用8个通道。

如图2所示，本发明中的光纤光栅液位传感器2采用8×8多点网状分布结构进行固定，每个圆圈间隔相同，从里往外每个圆圈上的传感器为同一通道，一共为64个光纤光栅液位传感器2。

如图3所示，本发明同一通道中的光纤光栅液位传感器2采用串联的形式，为区分每个传感器，现改变光栅栅距使得每个传感器的布拉格波长均不一样，同一通道中串联8个传感器，其工作波长按传感器编号从小到大依次为1521nm、1527nm、1533nm、1539nm、1545nm、1551nm、1557nm、1563nm，将1-8号串联为1通道，9-16号为2通道，17-24号为3通道，以此类推，共8个通道64个光纤光栅液位传感器，如此一来，利用布拉格波长和所在通道，64个传感器都可以区别开来。而在后期解调和处理数据时，对于20米高的油罐而言，当装满液体时液位传感器因压力而产生的波长偏移量为3nm左右，已知传感器原来的工作波长，为保证测量的可靠性，根据测量时的波长落在原工作波长往高处4个nm的范围内，例如1通道中，测量时得到的其中一个波长为1522nm，这个波长落在了1521nm-1525nm范围内，即可判断此波长是1号传感器反馈回来的，其它传感器测量时的波长也可根据此方法依据波长范围和所在通道进行类推定位。

光纤光栅液位传感器最大承受压强为0.5MPa，精度为毫米级，在压力作用下，其工作波长在频谱上发生偏移，而压力又与液体高度相关，通过测量传感器工作波长偏移量可以反推液体高度。为消除温度变化的影响，设置光纤光栅温度补偿传感器，由传热性能良好的金属封装，隔绝液体，仅受液体温度的影响。

相关的推导公式为：

上式为应力应变引起光栅工作波长变化量的公式，式中是光纤的弹光系数；为应变引起的波长变化的灵敏度系数。

上式为温度变化引起Bragg波长的移动，式中为FBG的热膨胀系数；为FBG的热光系数，为温度引起的波长变化的灵敏度系数。

压力和温度同时作用于光纤光栅传感器时，假设压力和温度对波长的影响是相互独立的，则总公式为：

式中为压力灵敏度系数，温度灵敏度系数。

而对于液体所产生的压力而言，其底端压强公式为：

式中为液体压强，为液体密度，为重力加速度，为液位高度。

如图4a和图4b所示是本发明所采用的光纤光栅液位传感器。将传感器横向进行焊接固定在油罐底部，外壳15与油罐底部接触，进液体口10开口朝上，液体由进液体口进入传感器内部，当液体充满内部管道后，在液体压力的作用下，由于纵向压力上下可以近乎抵消，所以受压力板8带动薄壁圆筒9进行横向拉伸，从而带动光纤光栅14进行拉伸，光的工作波长被改变，通过光纤13传导，并且薄壁圆筒和安装在底座11上的光纤支撑架12在选材的热膨胀系数和所用长度方面以一定比例进行选择，使得材料的热膨胀因素对光纤的伸缩量影响最小，提高精度。

如图5和图6所示，本发明的油罐1底面直径为80米，根据图2所示的光纤光栅液位传感器2分布图，假定分布图最外圈直径与油罐1底面直径相同，以圆心为零坐标点，坐标系单位设为“米”，根据数学关系即可确定传感器XY坐标值，例如1点的坐标即1号传感器的XY坐标为（40/8,0）,2号传感器的XY坐标为（40/（8×），40/（8×）），然后利用量油尺测得的液位高度，传感器测得的高度，得到Z轴坐标，对于每个通道对应的传感器布局已在对图3的解释说明中详细描述。

如图7所示，本发明的“0”号光纤光栅温度传感器用导热性能良好，钢度大的金属16进行封装，使其隔离外界液体，即不受液体压力的影响，金属底面17焊接于罐体底面，但是传感器的温度在金属的传热作用下与液体温度基本保持一致，这样测出来的结果即为此类传感器在仅受温度影响下的波长偏移量，从而可以将这个结果对其他64个液位传感器进行温度补偿。

如图8所示，本发明利用电脑编程软件将所获得的数据利用如图所示数学关系，将所有的光纤液位传感器2所对应的三维坐标点连接形成模拟曲面，与各传感器测得的高度值结合形成新的立体结构，再利用数学方法计算得到此立体结构的体积，这个数值即为实际液体比较精确的容量值，单位为立方米。

综上所述，本发明采用的光纤光栅传感器利用光信号传输、防电磁干扰，能有效运行15年以上，实现油罐容量的长期在线测量。而且本发明所阐述的方法是在油罐内存在液体时，实时检测当前液体容量，极大程度的弥补了底部形变带来的容量误差，比起利用空罐时测得的数据来推算当前容量更加精确。

上述具体原理与实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，该方法使用光纤、光纤光栅液位传感器、光纤光栅解调仪、PC机、光纤光栅温度传感器和量油尺，其特征在于：光纤光栅液位传感器固定在油罐底面上，光纤光栅液位传感器之间通过光纤连接，光纤光栅温度传感器固定在油罐底面圆心上；

所述的光纤光栅液位传感器每八个等间距串联在一条光路上，由光纤传输光信号，共有八个光路，即八个通道，每个通道以油罐中心为圆心，呈圆形分布；且相邻两个通道之间距离相等；同一通道中的各传感器工作波长间隔6nm，工作波长分别选为1521nm、1527nm、1533nm、1539nm、1545nm、1551nm、1557nm、1563nm；

每个通道通过光纤与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅温度传感器与最里圈通道的液位传感器串联，解调仪连接上位机；

结合油罐的底面尺寸确定每个光纤光栅液位传感器的XY坐标，以油罐零刻线所在平面为基准面，利用毫米级精度的量油尺测得的零刻线到液面的液位高度值h₁，每个光纤光栅液位传感器测得的液位高度h_i，同时利用中心处仅受温度影响的光纤光栅温度传感器的波长偏移量来对其它光纤光栅液位传感器的布拉格波长偏移量进行补偿，其工作波长为1515nm，计算得到的h₁-h_i的值就是在油罐内存在液体时每个光纤光栅液位传感器Z轴坐标值，将PC机中所有的传感器对应的三维坐标点连接形成模拟曲面，再结合它们所测量得到的液位高度值，形成一个立体结构，最后利用数学方法计算得到液体的实际容量。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，其特征在于：当实际液位低于油罐底面中心最高处时，此时液面高度很低，由液体压力导致的底部形变可忽略不计，可采用空罐时测得的底面形貌对此时的液体容量加以计算。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，其特征在于：所述的光纤光栅解调仪采用MIO公司的SM125型号，光源波段为1510nm~1590nm，能通过拓展通道的方法，同时使用八个通道。