CN110375824B - 基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器 - Google Patents
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Abstract
基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，涉及光纤传感技术领域。本发明是为了解决现有用于加油站成品油储罐液位和密度的计量方式所存在的问题。本发明浮力探测单元和压力探测单元的结构相同，菱形微应变探测机构的顶端与外壳的内壁顶部固定连接，光纤光栅沿菱形微应变探测机构的短轴设置、且光纤光栅水平设置，浮力探测单元和压力探测单元中光纤光栅的一端各自通过一根光纤与光源解调仪一体机的光信号端连接，压力探测单元的外壳内部靠近开口处封接有弹性膜片、且菱形微应变探测机构的底端与弹性膜片的中心固定连接，浮力探测单元中菱形微应变探测机构的底端与浮力探杆的顶端相接触，浮力探杆的底端与压力探测单元中外壳的外壁顶部固定连接。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及利用传感技术测量液位和密度。
背景技术
加油站的成品油储罐的液位和密度计量是站端必须开展的基本计量和盘库管理业务。目前，国内加油站普遍使用磁致伸缩液位仪进行液位测量。这种磁致伸缩传感器具有较高的测量精度(液位测量精度0.5mm)，但也存在一些不足之处，如：易受到液体腐蚀、受液体密度变化影响、浮子容易被卡住等；并且，其本质上还是电子式测量，因而易产生电火花，存在防爆隐患；此外，磁致伸缩液位仪在实际应用中还存在抗电磁干扰能力差的问题。在密度测量方面，加油站现在普遍采用蒙晖简易式密度计进行密度测量，从储油罐中取出样品，由专人进行测量。但是这种完全人工方式难以实现自动化，且人工成本高，测量效率低，测量精度也无法保证。
发明内容
本发明是为了解决现有用于加油站成品油储罐液位和密度的计量方式所存在的问题，现提供基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器。
基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，包括：浮力探测单元、浮力探杆、压力探测单元和光源解调仪一体机，
浮力探测单元和压力探测单元的结构相同，均包括：底部开口的外壳、菱形微应变探测机构和光纤光栅，菱形微应变探测机构的顶端与外壳的内壁顶部固定连接，光纤光栅沿菱形微应变探测机构的短轴设置、且光纤光栅水平设置，浮力探测单元和压力探测单元中光纤光栅的一端各自通过一根光纤与光源解调仪一体机的光信号端连接，
压力探测单元的外壳内部靠近开口处封接有弹性膜片、且菱形微应变探测机构的底端与弹性膜片的中心固定连接，
浮力探测单元中菱形微应变探测机构的底端与浮力探杆的顶端相接触，浮力探杆的底端与压力探测单元中外壳的外壁顶部固定连接。
上述传感器还包括直线轴承，直线轴承套接在浮力探杆的外部且靠近其顶端。
上述传感器还包括计算机，光源解调仪一体机的波长信号输出端连接计算机的波长信号输入端。
上述光纤光栅包括力学传感光纤光栅和温度补偿光纤光栅，力学传感光纤光栅的一端与温度补偿光纤光栅的一端连接，力学传感光纤光栅的另一端作为光纤光栅的一端与光纤连接。
上述浮力探杆为低密度金属或高强度复合材料制成的轻质空心探杆。
上述弹性膜片为金属波纹膜片。
本发明所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，主要分为浮力探测单元和压力探测单元两部分，分别对浮力探杆在成品油中受到的浮力及底部弹性膜片在成品油中受到的压力进行测量，所用原理均基于光纤光栅对应变及温度的敏感性，传感器中的温度补偿光纤光栅既可消除温度对探测单元的影响，又可用于监控成品油温度和空气温度。扫描激光光源发出的光经光纤耦合器入射到光纤光栅后，满足布拉格条件的光被光纤光栅反射后，经耦合器进入光纤光栅解调仪，由解调仪解调出光纤光栅的峰值波长，光学测量方式，消除了电火隐患。可用于加油站成品油的液位、密度和温度同时在线测量。同时，本发明装置和方法成本低，操作简单，适用性广泛，有很好的应用前景。
附图说明
图1是基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器的总体结构示意图；
图2是浮力探测单元的结构示意图；
图3是压力探测单元的结构示意图；
图4是本发明的数学模型示意图。
具体实施方式
光纤光栅传感器因具有许多传统电子类传感器所不具备的独特特点，受到了越来越多的关注，优点包括：体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单、无需供电等。此外，光纤光栅传感信号是波长编码，不受光源功率漂移的影响。光纤光栅传感器是全光无电式的传感器，非常适于加油站储罐这种易燃易爆等危险场合的传感测量。本实施方式采用光纤光栅传感技术来解决现有用于加油站成品油储罐液位和密度的计量方式所存在的问题，具体如下：
具体实施方式一：参照图1至3具体说明本实施方式，本实施方式所述的1、基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，包括：浮力探测单元1、浮力探杆3、压力探测单元4和光源解调仪一体机5，
浮力探测单元1和压力探测单元4的结构相同，均包括：底部开口的外壳、菱形微应变探测机构1-1和光纤光栅1-2，菱形微应变探测机构1-1的顶端与外壳的内壁顶部固定连接，光纤光栅1-2沿菱形微应变探测机构1-1的短轴设置、且光纤光栅1-2水平设置，浮力探测单元1和压力探测单元4中光纤光栅1-2的一端各自通过一根光纤1-3与光源解调仪一体机5的光信号端连接，
压力探测单元4的外壳内部靠近开口处封接有弹性膜片1-4、且菱形微应变探测机构1-1的底端与弹性膜片1-4的中心固定连接，
浮力探测单元1中菱形微应变探测机构1-1的底端与浮力探杆3的顶端相接触，浮力探杆3的底端与压力探测单元4中外壳的外壁顶部固定连接。
在浮力探测单元中，将预先施加预应力的光纤光栅1-2固化于菱形微应变探测机构1-1的短轴上。在安装时，菱形微应变探测机构1-1的短轴处于水平方向，菱形微应变探测机构1-1的上端固定于金属外壳上，菱形的下端与浮力探杆3刚性连接。在压力探测单元4中，将施加预应力的光纤光栅1-2固化于菱形微应变探测机构1-1的短轴上，在安装时，菱形微应变探测机构1-1的短轴处于水平方向，使金属外壳上端固定在浮力探杆3的底端，菱形微应变探测机构1-1的下端与弹性膜片1-4圆心处连接。
光源解调仪一体机5内部的光源部分为可调谐激光光源，该光源发出的光经耦合器进入光纤光栅1-2后，有以下变化：当浮力探杆3在成品油中受到浮力时，由于上端固定，浮力作用于菱形的下端后，引起固化在短轴方向上的光纤光栅1-2发生变形，引起波长漂移。当弹性膜片1-4在成品油中受到液体压力时，弹性膜片1-4会发生微形变并挤压菱形微应变探测机构1-1下端，由于其上端固定，压力引起菱形微应变探测机构1-1短轴上的光纤光栅1-2发生波长漂移。上述变化满足布拉格条件的相应波长的光被光栅反射后经耦合器进入光源解调仪一体机5内部的解调仪部分，由解调仪部分记录反射光的波长。
本实施方式采用浮力探杆3所受浮力与底端压力同时测量的方式，且两个测量部分均独立，且不互相干扰，根据所得测量的光纤光栅波长，通过公式可以求出成品油的密度和液位；同时温度补偿模块可以测量出空气中及成品油中的温度。
浮力探杆3的位移量及弹性膜片1-4的形变量均通过菱形微应变探测机构1-1放大，此机构基于三角形放大原理设计而成，能将长对角线上由外力导致的形变量在短对角线上放大两倍，并可根据灵敏度的要求，改变菱形尺寸调整微位移放大倍率，提高液位和密度测量的灵敏度和精度。
在实际应用时，压力探测单元4的外壳开口处设有金属网罩1-5，其功能是用于过滤，防止杂质入侵到压力探测单元4内部。
进一步的，光纤光栅1-2包括力学传感光纤光栅1-2-1和温度补偿光纤光栅1-2-2，力学传感光纤光栅1-2-1的一端与温度补偿光纤光栅1-2-2的一端连接，力学传感光纤光栅1-2-1的另一端作为光纤光栅1-2的一端与光纤1-3连接。
本实施方式所述的传感器在浮力探测单元1及压力探测单元4两部分均集成了温度补偿光纤光栅1-2-2，既能消除温度对力学传感光纤光栅1-2-1的交叉敏感影响，又可在热平衡时获得空气和成品油的温度，起到温度监测的作用。
进一步的，浮力探杆3为密度低的金属或非金属刚性材料制成的轻质空心探杆，浮力探杆工作直径和高度可以根据实际测量得出。
进一步的，弹性膜片1-4为金属波纹膜片采用刚性良好的金属材料冲压而成，膜片工作直径、厚度可以根据实际测量得出。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括直线轴承2，直线轴承2套接在浮力探杆3的外部且靠近其顶端。
具体的，在加油站储罐顶盖6的开口与浮力探杆3之间设置直线轴承，保持浮力探杆做竖直方向的运动，能够减少浮力探杆3在上下移动时加油站储罐顶盖6对浮力探杆3的摩擦力影响。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括计算机，光源解调仪一体机5的波长信号输出端连接计算机的波长信号输入端。最终结果在计算机上显示并存储，经计算即可得到成品油的温度、液位和密度。
具体地说，当浮力探杆在成品油中受到浮力时会挤压菱形微应变探测机构使其发生微形变，并导致固化在其上的光纤光栅发生波长漂移；当弹性膜片在成品油中受到液体压强时，膜片会发生微形变并挤压菱形微应变探测机构，使粘贴其上的光纤光栅发生波长漂移。光源解调仪一体机5可以对光纤光栅感测到的微应变信号进行处理，在计算机监测软件上通过读取光纤光栅峰值波长的变化来间接反映浮力探杆及弹性膜片中心处的微小位移。公式推导过程如下：
如图4所示，在实施方式中共包含四段分立的FBG(光纤布拉格光栅)，分别记为FBG1、FBG2、FBG3和FBG4，初始光纤光栅波长均为λ0。其中FBG1和FBG2用于浮力探测单元中，FBG3和FBG4用于压力探测单元中。FBG1用作浮力探测单元的温度补偿传感元件，其光栅周期受菱形微应变探测器形变及空气温度影响，其光纤光栅波长为λ1；FBG2用作浮力产生的力学应变测量元件，其光栅周期受空气温度和应变影响，其光纤光栅波长为λ2；FBG3用作压力探测单元温度补偿参考元件，其光栅周期受成品油液体温影响，其光纤光栅波长为λ3；FBG4用作压力产生的力学应变测量元件，其光栅周期受膜片形变及液体温度影响，其光纤光栅波长为λ4。λ1、λ2、λ3和λ4的数值均可通过光谱分析仪读出，视为已知量。
设光纤光栅的应变敏感性和温度敏感性分别为Kε和KT，则可得出下式：
λi-λ0＝KT×ΔT+Kε×ε(i＝1,2,3,4)
其中，ΔT为FBG所处环境的温度变化量，ε为FBG的形变量。则可以得到：
从而得到待测液体温度变化量ΔTliquid及传感器所处大气环境温度变化量ΔTair。
下面将给出液体液位和密度和解析形式，可提前测量的物理量包括：待测液体容器高度Hc，浮力探杆长度h，弹性膜片长度h0，弹性膜片半径r0，浮力探杆半径r1，弹性膜片质量m1，浮力探杆总质量m2，并设液体深度H，液体密度ρ。
由分析可知FBG1受浮力探杆挤压菱形微应变探测机构影响所产生的应变为且ε1与浮力探杆对菱形微应变探测器产生的压力Fp存在线性关系，该关系可通过静力学仿真及提前测量得到，因此可以将Fp视为可测物理量，在系统处于平衡状态时，由系统受力关系，可以得到：
其中，Fb为浮力探杆受到的浮力，h1为液面到弹性膜片的距离。
同理，可知FBG4受弹性膜片挤压菱形形变探测机构影响所产生的应变为且ε2与弹性膜片受到的压强Pd存在线性关系，该关系可通过静力学仿真及提前测量得到，因此，可以将Pd视为可测物理量，由液体压强公式可以得到：
Pd＝ρg(h0+h1)从而
ρgh1＝Pd-ρgh0将此公式代入到Fp的表达式中，可以得到：
从而可以得出：
由h1与Pd的关系，可以得到：
由长度量之间的关系，可以得到：
从而得到了待测液体密度ρ和液位H的表达形式。
Claims (6)
1.基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，
包括：浮力探测单元(1)、浮力探杆(3)、压力探测单元(4)和光源解调仪一体机(5)，
浮力探测单元(1)和压力探测单元(4)的结构相同，均包括：底部开口的外壳、菱形微应变探测机构(1-1)和光纤光栅(1-2)，菱形微应变探测机构(1-1)的顶端与外壳的内壁顶部固定连接，光纤光栅(1-2)沿菱形微应变探测机构(1-1)的短对角线设置、且光纤光栅(1-2)水平设置，浮力探测单元(1)和压力探测单元(4)中光纤光栅(1-2)的一端各自通过一根光纤(1-3)与光源解调仪一体机(5)的光信号端连接，
压力探测单元(4)的外壳内部靠近开口处封接有弹性膜片(1-4)、且菱形微应变探测机构(1-1)的底端与弹性膜片(1-4)的中心固定连接，
浮力探测单元(1)中菱形微应变探测机构(1-1)的底端与浮力探杆(3)的顶端相接触，浮力探杆(3)的底端与压力探测单元(4)中外壳的外壁顶部固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，它还包括直线轴承(2)，直线轴承(2)套接在浮力探杆(3)的外部且靠近其顶端。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，它还包括计算机，光源解调仪一体机(5)的波长信号输出端连接计算机的波长信号输入端。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，光纤光栅(1-2)包括力学传感光纤光栅(1-2-1)和温度补偿光纤光栅(1-2-2)，
力学传感光纤光栅(1-2-1)的一端与温度补偿光纤光栅(1-2-2)的一端连接，力学传感光纤光栅(1-2-1)的另一端作为光纤光栅(1-2)的一端与光纤(1-3)连接。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，浮力探杆(3)为低密度金属或高强度复合材料制成的轻质空心探杆。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的加油站储罐液位和密度传感器，其特征在于，弹性膜片(1-4)为金属波纹膜片。
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