CN110274663A - 一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法、系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法、系统及应用，其包括以下步骤：在光纤液位传感器正常工作范围内，位于悬臂梁对应上部的上光纤光栅在正常工作范围内，始终受到拉应力，位于悬臂梁对应下部的下光纤光栅，始终受到压应力，在光纤液位传感器空载时上光纤光栅、下光纤光栅所受应力最大；当液位上升并与浮筒接触，引起浮筒浮力变化，悬臂梁所受应力相应变化，上光纤光栅与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，根据上光纤光栅与下光纤光栅的变化获得浮盘表面液位；若浮盘表面液位超过预设值，则光纤液位传感器结合外界设备进行报警。实现了实时监测浮盘表面积水，提高了对浮盘表面积水监测的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法、系统及应用。
背景技术
近年来，随着经济持续高速的发展，我国对石油能源的需求越来越大，为了保证国内石油能源安全，政府和石油公司陆续在沿海建立国家战略石油储备库及商业储备库，大型原油储存区的数量和储油总量持续上升。但是，目前油库大部分监测工作主要依靠人工巡检，信息反馈具有一定的滞后性。对过去发生的242起储罐事故分析，人为原因导致的事故在30％以上。因此，目前油库罐区普遍采用的人工爬罐巡检方法已远落后于当今信息化、数字化和网络化的发展。而浮盘表面积水容易引发浮盘沉盘、卡盘事故，甚至引起火灾，造成油罐爆炸。目前，监测浮顶储罐之浮盘表面积水的浮盘液位计算测量方法尚未见诸报道。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法、系统及应用，以提高对浮盘表面液位监测的准确度。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：
一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法，其包括以下步骤：
在光纤液位传感器正常工作范围内，位于悬臂梁对应上部的上光纤光栅在正常工作范围内，始终受到拉应力，位于悬臂梁对应下部的下光纤光栅，始终受到压应力，在光纤液位传感器空载时上光纤光栅、下光纤光栅所受应力最大；
当液位上升并与浮筒接触，引起浮筒浮力变化，悬臂梁所受应力相应变化，上光纤光栅与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，根据上光纤光栅与下光纤光栅的变化获得浮盘表面液位；若浮盘表面液位超过预设值，则光纤液位传感器结合外界设备进行报警。
所述的浮盘液位计算测量方法，其中，上述步骤具体的还包括：
位于悬臂梁对称面的上、下两侧，完全对称布置的上光纤光栅、下光纤光栅形变后，上光纤光栅、下光纤光栅的应变为：
其中，λB1为上光纤光栅中心波长,λB2为下光纤光栅的中心波长，ΔλB1是上光纤光栅中心波长的变化，ΔλB2是下光纤光栅中心波长的变化，α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，ΔT为光纤光栅的温度变化，Pe为有效光弹系数，ε1为上光纤光栅应变引起的条纹间距变化，ε2为下光纤光栅应变引起的条纹间距变；
根据式(1)与式(2)得出
即ε1-ε2与光纤光栅中心波长变化呈线性关系。
所述的浮盘液位计算测量方法，其中，上述步骤具体的还包括：
当液位上升并与浮筒接触，引起浮筒浮力变化，悬臂梁所受应力相应变化，上光纤光栅与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，如下：
εM＝k×X (4)
其中，εM为挠曲应变，k为形变系数，X为应变量的形变量；
根据胡克定律：
F＝K×X (5)
其中，K为悬臂梁的倔强系数，X为弹性形变值；
在光纤液位传感器量程范围内，水位变化越大，浮筒所受浮力越大：
F＝ρ水gV排 (6)
V排＝πr浮筒 2h水 (7)
由式(5)-式(7)联立得出：
在光纤液位传感器封装后经过标定，通过h水进行标定，光纤光栅的波长及波长变化由解调仪解调，且λB、ΔλB1、ΔλB2、π、r均已知，因此可求出且为确定的常数，因此在求出后，进而通过解调波长变化直接监测水位h水的变化。
一种使用上述浮盘液位计算测量方法的系统，其包括布置在浮盘表面的光纤液位传感器，光纤液位传感器通过无线基站与控制中心通信连接，用于向控制中心传输对应数据，该光纤液位传感器包括设置在浮盘对应处的透水底盘，透水底盘上设置有透水筒体，透水筒体内设置有浮筒，浮筒上部设置有一扣件，扣件配置有一挂钩，挂钩的上端与一悬臂梁的自由端相连接，悬臂梁的两侧分别设置有光纤光栅，透水筒体上方配置有一盖体，悬臂梁的另一端通过固定销设置在盖体上；浮盘上的积水进入透水筒体内，浮筒在积水浮力下使悬臂梁两侧的光纤光栅中心波发生变动。
所述的系统，其中，上述悬臂梁的上、下表面任意点应变力大小均相等且与自由端受力成正比，悬臂梁上、下两面过中心线位置对称开槽，其尺寸参数完全相同；上槽内设置有上光纤光栅，下槽内设置有下光纤光栅，上光纤光栅与下光纤光栅的中心波长不同，挂钩位置的变化通过悬臂梁传递给上光纤光栅、下光纤光栅。
所述的系统，其中，上述光纤光栅受力形变中心波长的变化极限在4nm以内，悬臂梁的最大应力为15N。
所述的系统，其中，将光纤液位传感器采用光纤与下位机相连接，下位机位于浮顶储罐底部外侧，下位机通过无线通信模块将数据传输到油库调度室内的上述控制中心的图形化显示软件中进行相应处理。
一种上述系统的应用，其中，将上述系统按照上述浮盘液位计算测量方法应用于测定浮顶储罐的浮盘状态中。
本发明提供了一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法、系统及应用，当浮盘表面积水不接触浮筒时，悬臂梁受浮筒及连接件的所有重力，悬臂梁结构所受应力最大，此时需保证浮筒悬空，同时应使浮筒尽量接近透水底盘，减小了传感器测量盲区，当浮盘表面积水上升并与浮筒接触，会引起浮筒浮力变化，悬臂梁所受应力相应变化，悬臂梁两侧的光纤光栅所受挠曲应变也随之变化，通过变化的对应关系得知浮盘表面积水深度，当浮盘表面积水深度到达预设值，则光纤液位传感器配合对应设备进行报警，实现了实时监测浮盘表面积水，提高了对浮盘表面积水监测的精准度。
附图说明
图1为本发明中光纤液位传感器的拆分结构示意图；
图2为本发明中悬臂梁的结构示意图；
图3为本发明中悬臂梁与浮筒的结构示意图；
图4为本发明中吊环的结构示意图；
图5为本发明中挂钩的结构示意图；
图6为光纤液位传感器标定数据拟合线性图；
图7为光纤液位传感器验证误差曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法、系统及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法，其包括以下步骤：
在光纤液位传感器正常工作范围内，位于悬臂梁6对应上部的上光纤光栅8在正常工作范围内，始终受到拉应力，位于悬臂梁6对应下部的下光纤光栅，始终受到压应力，在光纤液位传感器空载时上光纤光栅8、下光纤光栅所受应力最大；
当液位上升并与浮筒3接触，引起浮筒3浮力变化，悬臂梁6所受应力相应变化，上光纤光栅8与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，根据上光纤光栅8与下光纤光栅的变化获得浮盘表面液位；若浮盘表面液位超过预设值，则光纤液位传感器结合外界设备进行报警。
在本发明的另一较佳实施例中，位于悬臂梁6对称面的上、下两侧，完全对称布置的上光纤光栅8、下光纤光栅形变后，上光纤光栅8、下光纤光栅的应变为：
其中，λB1为上光纤光栅8的中心波长,λB2为下光纤光栅的中心波长，ΔλB1是上光纤光栅8的中心波长的变化，ΔλB2是下光纤光栅中心波长的变化，α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，ΔT为光纤光栅的温度变化，Pe为有效光弹系数，ε1为上光纤光栅8应变引起的条纹间距变化，ε2为下光纤光栅应变引起的条纹间距变；
根据式(1)与式(2)得出
即ε1-ε2与光纤光栅中心波长变化呈线性关系。
更进一步的，当液位上升并与浮筒3接触，引起浮筒3的浮力变化，悬臂梁6所受应力相应变化，上光纤光栅8与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，如下：
εM＝k×X (4)
其中，εM为挠曲应变，k为形变系数，X为应变量的形变量；
根据胡克定律：
F＝K×X (5)
其中，K为悬臂梁的倔强系数，X为弹性形变值；
在光纤液位传感器量程范围内，水位变化越大，浮筒所受浮力越大：
F＝ρ水gV排 (6)
V排＝πr浮筒 2h水 (7)
由式(5)-式(7)联立得出：
在光纤液位传感器封装后经过标定，通过h水进行标定，光纤光栅的波长及波长变化由解调仪解调，且λB、ΔλB1、ΔλB2、π、r均已知，因此可求出且为确定的常数，因此在求出后，进而通过解调波长变化直接监测水位h水的变化。
为了更进一步描述本发明，以下列举更为详尽的实施例，在此列举一种使用上述浮盘液位计算测量方法的系统，当然为了实现本发明的目的，可以采用其他形式的具体结构，在此不再一一列举。
如图1、图2与图3所示的，一种使用上述浮盘液位计算测量方法的系统，其包括布置在浮盘表面的光纤液位传感器，光纤液位传感器通过无线基站与控制中心通信连接，用于向控制中心传输对应数据。更为具体的是，将光纤液位传感器采用光纤与下位机相连接，下位机位于浮顶储罐底部外侧，下位机通过无线通信模块将数据传输到油库调度室内的上述控制中心的图形化显示软件中进行相应处理，从而进行数据的可视化，控制中心可以是台式计算机、笔记本式计算机等设备。
该上述光纤液位传感器包括设置在浮盘对应处的透水底盘1，透水底盘1上设置有透水筒体2，透水筒体2内设置有浮筒3，浮筒3上部设置有一扣件4，扣件4配置有一挂钩5，挂钩5的上端与一悬臂梁6的自由端相连接，悬臂梁6的两侧分别设置有光纤光栅，透水筒体2上方配置有一盖体7，悬臂梁6的另一端通过固定销设置在盖体7上；浮盘上的积水进入透水筒体2内，浮筒3在积水浮力下使悬臂梁6两侧的光纤光栅中心波发生变动,通过光纤光栅中心波的变动与水深的对应关系，获得水深数值，当浮盘表面积水深度到达预设值，则光纤液位传感器配合对应设备进行报警。
更进一步的，上述透水筒体2的下部以及透水底盘1的盘面上均匀布置有多个透水孔，能够使浮盘上积水迅速进入透水筒体2内。并且上述悬臂梁6呈梯形，面积大的一端与上述盖体7相连接，而面积小的一端为自由端。
在本发明的另一较佳实施例中，如图4与图5所示的，上述扣件4为吊环，挂钩5与吊环的接触部均为刀刃状，为保证连接件自由活动并尽量减小活动时的摩擦，特意将吊环内壁倒角为刀刃状，同吊环相同，挂钩5内壁也倒角为刀刃状，并在一侧开口，给吊环预留悬挂空间。减小了摩擦阻力，浮筒3在倾斜时会造成误差，将挂钩5的钩状连接处设计为圆弧结构；吊环连接部位也设计为刀刃状，使其与挂钩5接触部位变为线接触，保证了浮筒3在发生倾斜时可以自由活动，调整姿态。
更进一步的，如图2所示的，上述悬臂梁6的上、下表面任意点应变力大小均相等且与自由端受力成正比，避免了在不均匀应变作用下光纤光栅发生啁啾现象，悬臂梁6上、下两面过中心线位置对称开槽，其尺寸参数完全相同；上槽内设置有上光纤光栅8，由于视角原因，在图2中仅表示出上光纤光栅8，而下光纤光栅未示出，下槽内设置有下光纤光栅，上光纤光栅8与下光纤光栅的中心波长不同，挂钩5位置的变化通过悬臂梁6传递给上光纤光栅8、下光纤光栅。而且上述浮筒3为密封件。上述光纤光栅受力形变中心波长的变化极限在4nm以内，悬臂梁的最大应力为15N。
还可以将上述系统按照上述浮盘液位计算测量方法应用于测定浮顶储罐的浮盘状态中，比如浮筒3通过连接结构与悬臂梁6连接，为保证传感器正常工作，必须保证浮筒3始终悬空在透水筒体2内部。当液体不接触浮筒3时，悬臂梁6此时受浮筒3及连接件的所有重力，此时悬臂梁6结构所受应力最大，此时需保证浮筒3悬空，同时应使浮筒3尽量接近透水底盘1，以减小传感器测量盲区。当传感器完成装配后，在正常工作范围内，位于悬臂梁6的上光纤光栅8在正常工作范围内，始终受到拉应力，位于悬臂梁6的下光纤光栅，始终受到压应力，在传感器空载(浮筒不受浮力时)两个光栅所受应力最大。当浮盘表面技术上升并与浮筒3接触，会引起浮筒3浮力变化，悬臂梁6所受应力相应变化，上光纤光栅8与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，通过一定的算法，得到光纤光栅中心波的变动与水深的对应关系。
在采用40nm激光器的光纤光栅解调仪时，光纤光栅波长必须在设备解调范围内，例如1528～1568范围内，因此所选用光栅的变化范围不能超过解调仪解调范围。光纤光栅受力形变中心波长变化极限一般在4nm以内，超过此极限，光纤光栅很容易损坏。考虑光纤光栅疲劳强度及应用环境，在许用范围内，光栅中心波长变化范围越大，越有利于提高传感器的精度。以光纤光栅为敏感元件的传感器，在选择中心波长变化范围时，一般在1.5nm以内。
为了保证传感器具有较高灵敏度及精度，在保证传感器可靠性同时，在传感器工作量程内，光栅中心波长变化范围定为0～1.5nm之间。根据目前光栅栅区长度为12mm，纤芯直径为0.25mm，以及考虑到可靠固定，设计悬臂梁6长度在32mm，厚度为1.2mm，固定光栅宽度为0.4mm，深度为0.3mm。
根据目前市面标准无缝不锈钢管尺寸及型号，浮筒3的排开水质量为0.9L,换算成浮力为9N。浮筒3的圆筒尺寸设计为Φ107.5×2.75，高度为100mm，质量为700g，重力为7N。浮筒3的盖体7为保证浮筒重心线垂直于浮筒中心线，壁厚5mm，质量为431g，重力为4.31N，浮筒下盖尺寸为Φ107.5×7，质量为500g，重力为5N。因此浮筒总重量为11.3N，全量程内排水重力为9N，因此在量程100mm时，还约有2.3N的重力保证浮筒稳定。将两个光纤光栅分别粘接固定在悬臂梁6的槽内并固定，将悬臂梁6的一端固定在盖体7上，同时在固定螺栓部位进行防脱处理，裸光纤通过盖体7上的光缆接头固定孔穿过。
上述光纤液位传感器封装完成后需要对传感器进行标定，确定其参数。上述光纤液位传感器标定平台包含：光纤光栅解调仪、光纤液位传感器、电子水位传感器(精度0.6mm)、标定尺(精度1mm)、标定水槽(200mm)、温度计等。
标定步骤及过程
1)将光纤液位传感器放入标定水槽并连接到光纤光栅解调仪，将传感器波长进行解调；
2)水槽内缓慢加水，直至光纤液位传感器的两个光纤光栅发生变化，记录此时水位高度，并以此时水位高度作为传感器零点进行标定；
3)以5mm为单位，依次加水至100mm水位，并对各水位对应的两个光纤光栅的波长进行记录，如表1所示的，表1为光纤液位传感器标定数据表。
表1
4)将表1中记录的波长数据里面大波长与小波长做差与对应水位进行拟合，获得传感器系数，65.387为传感器水位系数，-1136.4为传感器的基准系数，具体如图6所示的。
光纤液位传感器标定完成后，将光纤液位传感器系数输入软件，对水槽内加水，通过电子水位传感器示数及标定尺读数对传感器进行测试，如表2所示，表2为光纤液位传感器验证误差表。
| 实际水位(mm) | 测量水位(mm) | 误差(mm) |
| 10 | 9.798224 | -0.201776 |
| 15 | 14.925824 | -0.074176 |
| 20 | 19.985056 | -0.014944 |
| 30 | 29.898416 | -0.101584 |
| 40 | 39.948512 | -0.051488 |
| 50 | 50.408816 | 0.408816 |
| 60 | 60.458912 | 0.458912 |
| 70 | 70.030432 | 0.030432 |
| 80 | 80.354 | 0.354 |
| 90 | 90.130624 | 0.130624 |
| 100 | 99.291936 | -0.708064 |
如图7所示的，由测试数据分析，光纤液位传感器的全量程的最大误差为0.7mm，满足浮盘液位监测的误差要求。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (8)
1.一种用于浮顶储罐的浮盘液位计算测量方法，其包括以下步骤：
在光纤液位传感器正常工作范围内，位于悬臂梁对应上部的上光纤光栅在正常工作范围内，始终受到拉应力，位于悬臂梁对应下部的下光纤光栅，始终受到压应力，在光纤液位传感器空载时上光纤光栅、下光纤光栅所受应力最大；
当液位上升并与浮筒接触，引起浮筒浮力变化，悬臂梁所受应力相应变化，上光纤光栅与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，根据上光纤光栅与下光纤光栅的变化获得浮盘表面液位；若浮盘表面液位超过预设值，则光纤液位传感器结合外界设备进行报警。
2.根据权利要求1所述的浮盘液位计算测量方法，其特征在于，上述步骤具体的还包括：
位于悬臂梁对称面的上、下两侧，完全对称布置的上光纤光栅、下光纤光栅形变后，上光纤光栅、下光纤光栅的应变为：
其中，λB1为上光纤光栅中心波长,λB2为下光纤光栅的中心波长，ΔλB1是上光纤光栅中心波长的变化，ΔλB2是下光纤光栅中心波长的变化，α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，ΔT为光纤光栅的温度变化，Pe为有效光弹系数，ε1为上光纤光栅应变引起的条纹间距变化，ε2为下光纤光栅应变引起的条纹间距变；
根据式(1)与式(2)得出
即ε1-ε2与光纤光栅中心波长变化呈线性关系。
3.根据权利要求2所述的浮盘液位计算测量方法，其特征在于，上述步骤具体的还包括：
当液位上升并与浮筒接触，引起浮筒浮力变化，悬臂梁所受应力相应变化，上光纤光栅与下光纤光栅相应所受挠曲应变也随之变化，如下：
εM＝k×X (4)
其中，εM为挠曲应变，k为形变系数，X为应变量的形变量；
根据胡克定律：
F＝K×X (5)
其中，K为悬臂梁的倔强系数，X为弹性形变值；
在光纤液位传感器量程范围内，水位变化越大，浮筒所受浮力越大：
F＝ρ水gV排 (6)
V排＝πr浮筒 2h水 (7)
由式(5)-式(7)联立得出：
在光纤液位传感器封装后经过标定，通过h水进行标定，光纤光栅的波长及波长变化由解调仪解调，且λB、ΔλB1、ΔλB2、π、r均已知，因此可求出且为确定的常数，因此在求出后，进而通过解调波长变化直接监测水位h水的变化。
4.一种使用如权利要求1所述浮盘液位计算测量方法的系统，特征在于，其包括布置在浮盘表面的光纤液位传感器，光纤液位传感器通过无线基站与控制中心通信连接，用于向控制中心传输对应数据，该光纤液位传感器包括设置在浮盘对应处的透水底盘，透水底盘上设置有透水筒体，透水筒体内设置有浮筒，浮筒上部设置有一扣件，扣件配置有一挂钩，挂钩的上端与一悬臂梁的自由端相连接，悬臂梁的两侧分别设置有光纤光栅，透水筒体上方配置有一盖体，悬臂梁的另一端通过固定销设置在盖体上；浮盘上的积水进入透水筒体内，浮筒在积水浮力下使悬臂梁两侧的光纤光栅中心波发生变动。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，上述悬臂梁的上、下表面任意点应变力大小均相等且与自由端受力成正比，悬臂梁上、下两面过中心线位置对称开槽，其尺寸参数完全相同；上槽内设置有上光纤光栅，下槽内设置有下光纤光栅，上光纤光栅与下光纤光栅的中心波长不同，挂钩位置的变化通过悬臂梁传递给上光纤光栅、下光纤光栅。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，上述光纤光栅受力形变中心波长的变化极限在4nm以内，悬臂梁的最大应力为15N。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，将光纤液位传感器采用光纤与下位机相连接，下位机位于浮顶储罐底部外侧，下位机通过无线通信模块将数据传输到油库调度室内的上述控制中心的图形化显示软件中进行相应处理。
8.一种如权利要求4所述系统的应用，其特征在于，将上述系统按照上述浮盘液位计算测量方法应用于测定浮顶储罐的浮盘状态中。
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