CN112033457A - 一种气瓶安全状态在线监测装置 - Google Patents

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胡革春
徐义
杨拓
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Abstract

本发明公开了一种气瓶安全状态在线监测装置，包括瓶身，所述瓶身的左侧连通有瓶口，所述瓶口的内腔分别设置有温度/压力检测光纤传感器和瓶口应变检测光纤传感器，所述温度/压力检测光纤传感器位于气瓶内腔，所述瓶口应变检测光纤传感器黏贴在气瓶口处。本发明解决了气瓶的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体供应的安全性与连续性，即使市场上气瓶智能监测产品一般也只是对气瓶内气体的温度、压力等参数进行监测其结构功能单一，而具有完整解决方案的智能型气瓶安全监测产品仍十分匮乏的问题。

Description

一种气瓶安全状态在线监测装置
技术领域
本发明涉及承压类特种设备安全状态监测技术领域，具体为一种气瓶安全状态在线监测装置。
背景技术
气瓶广泛的应用于工业过程、医疗、日常生活等各个方面，是指在正常环境下(-40℃～60℃)使用、公称容积为0.4L～3000L、公称工作压力为0.2MPa～35MPa且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa·L的移动式压力容器。
国内关于气瓶的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体供应的安全性与连续性，即使市场上气瓶智能监测产品一般也只是对气瓶内气体的温度、压力等参数进行监测其结构功能单一，而具有完整解决方案的智能型气瓶安全监测产品仍十分匮乏。
为了保证气瓶的安全使用，不仅需要对气瓶内气体的压力、温度进行监测还需要对气瓶本身的典型缺陷进行有效监测，鉴于此，本专利可以实现对气瓶内介质和气瓶本身的安全状态进行监测实现气瓶的全方位安全使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气瓶安全状态在线监测装置，具备能在气瓶使用过程中对气瓶安全状态进行实时监测，实现气瓶故障发生前及时预警，并对气瓶故障发展趋势进行预测的优点，解决了气瓶的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体供应的安全性与连续性，即使市场上气瓶智能监测产品一般也只是对气瓶内气体的温度、压力等参数进行监测其结构功能单一，而具有完整解决方案的智能型气瓶安全监测产品仍十分匮乏的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种气瓶安全状态在线监测装置，包括瓶身，所述瓶身的左侧连通有瓶口，所述瓶口的内腔分别设置有温度/压力检测光纤传感器和瓶口应变检测光纤传感器，所述温度/压力检测光纤传感器位于气瓶内腔，所述瓶口应变检测光纤传感器黏贴在气瓶口处，所述瓶身的外内壁固定连接有应变检测光纤传感器，所述应变检测光纤传感器平行设置；
所述温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器和应变检测光纤传感器的输出端单向电连接有解调仪，所述解调仪的输出端单向连接有无线通讯处理器，所述无线通讯处理器的输出端和输入端双向电连接有云存储服务器，所述云存储服务器的输出端和输入端双向电连接有网络显示终端，所述网络显示终端包括手机和平板。
优选的，所述温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器和应变检测光纤传感器均直接粘贴在瓶身外壁表面，所述温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器和应变检测光纤传感器传感器一根光纤上同时布设多个反射不同中心波长的光栅测点，形成“一线多点”准分布式测量，实时检测气瓶应力/应变、温度、压力等相关物理参量。
优选的，所述温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器和应变检测光纤传感器一根光纤上加工多个不同中心波长的光栅测点，中心波长范围在1525-1600nm，光栅测点个数根据缺陷位置和大小、气瓶几何结构特点来调整。
优选的，所述温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器和应变检测光纤传感器传感器是以光纤为媒质，光波为载体，能够感知和传输外界被测量信号，作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有体积小、重量轻、电绝缘性好、化学稳定性好、频带宽、灵敏度高、易于实现远距离多通道的遥测与控制等其它载体和媒介难以相比的优点。
优选的，所述气瓶包括四种结构类型的气瓶，分别是全金属材料I型瓶、金属内胆纤维环向缠绕II型瓶、金属内胆纤维全缠绕III型瓶和塑料内胆纤维全缠绕IV型瓶。
优选的，所述解调仪可以解调检测通道中光纤波长值，根据波长变化分析被监测物理量的特性，协调数据采集与数据发送，运用环形队列协调本层的无线通讯处理器以完成上层数据报文的解析及本层数据报文的封装，云存储服务器可以把数据存储在云端方便数据提取，减少了物理线缆的连接，数据共享更加便捷，网络显示终端用于显示并实时监测气瓶安全状态，帮助管理者对气瓶安全风险进行预判，气瓶瓶口、瓶底和瓶身为关键部位，关键部位还包括缩颈处，瓶口由于反复气瓶充放过程，缩颈处由于存在变形导致应力较集中、瓶底易积液腐蚀。
优选的，所述气瓶温度、压力在终端构建以时间为横坐标，温度或压力为纵坐标的直角坐标系，当温度或压力超过设定工作温度和压力时即实现报警。
一种气瓶安全状态在线监测装置，所述典型缺陷监测包括如下步骤：
A：构建直角坐标系x-y，提取不同监测部位的应变分布ε；
B：将应变ε带入预先建立的应变与气瓶变形、裂纹、减薄和气孔等典型缺陷的函数关系来监测缺陷的动态，ε-典型缺陷；
C：当缺陷尺寸超过设定尺寸时即实现报警。
优选的，所述气瓶安全状态在线监测装置预警方法还包括：根据“服役时间-平均每年预警次数”预警分布图的分布规律及趋势，对气瓶安全风险进行预测。
一种气瓶安全状态在线监测装置运行方法，包括以下步骤：
A：获取气瓶出厂基本信息及运行基本信息；
B：通过温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器和应变检测光纤传感器检测获取气瓶压力、温度、变形、裂纹、减薄、气孔等监测信息；
C：解调仪分析获取的气瓶压力、温度监测信息是否超过预警值，超过预警值时生成预警信号，并将预警信号和气瓶代码传输至网络显示终端，网络显示终端对存在异常的气瓶进行风险预警或报警；
D：分析获取关键部位的气瓶变形、裂纹、减薄和气孔监测信息是否超过预警值，超过预警值时生成预警信号，并将预警信号和气瓶代码传输至网络显示终端，网络显示终端对存在异常的气瓶进行风险预警或报警。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过采用光纤传感技术根据气瓶结构、存储介质类型对气瓶内部裂纹、气孔、减薄和瓶体变形等典型缺陷进行实时监测预警，传感器采用光纤光栅传感器，根据气瓶的大小和应变云图来确定传感器的布置方式，气瓶表面打磨至露出金属光泽，用环氧树脂将光纤粘贴在气瓶表面使传感器与气瓶充分接触。
2、本发明瓶身粘贴应变光纤，采用等间距螺旋式环向粘贴，在环向粘贴之后再将光纤以等间距往复平行的沿瓶身轴向粘贴，在瓶腔内布置温度/压力光纤光栅传感器，瓶口处粘贴应变光纤光栅传感器，凹形瓶底采用等间距螺旋布置应变光纤，通过以上方式布置光纤可以在瓶身和瓶底构成应变监测网，提高监测的准确性。
3、本发明解调仪发射激光通过光纤传递到传感器，传感器检测到应变、温度、压力信号将改变光纤中光的波长，波长的变化信号通过光纤传回解调仪，解调仪通过解调光纤中的波长变化来实现对物理信号的解析，传感器采集到的信号受到各种因素的干扰，使得测量信号包含大量的噪声，测量信号通过解调器后通过降噪处理可以消除干扰信号提高监测的准确性。
4、本发明经过解调仪解析的传感器数据，采用无线通信装置运用4G网络将数据传输至云存储服务器，监测平台客户端通过互联网可以实时查看云存储服务器、云虚拟主机记录的气瓶安全状态，气体温度、压力值，当监测数据超过阈值，系统将向预警网络显示终端发送安全故障气瓶的的代码以及系统风险预警信息。
5、本发明通过瓶身、瓶口、温度/压力检测光纤传感器、瓶口应变检测光纤传感器、应变检测光纤传感器、瓶底、解调仪、无线通讯处理器、云存储服务器、网络显示终端、手机和平板进行配合，具备能在气瓶使用过程中对气瓶安全状态进行实时监测，实现气瓶故障发生前及时预警，并对气瓶故障发展趋势进行预测的优点，解决了气瓶的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体供应的安全性与连续性，即使市场上气瓶智能监测产品一般也只是对气瓶内气体的温度、压力等参数进行监测其结构功能单一，而具有完整解决方案的智能型气瓶安全监测产品仍十分匮乏的问题。
附图说明
图1为本发明结构剖视示意图；
图2为本发明应变检测光纤传感器结构侧视示意图；
图3为本发明系统原理图。
图中：1瓶身、2瓶口、3温度/压力检测光纤传感器、4瓶口应变检测光纤传感器、5应变检测光纤传感器、6平板、7解调仪、8无线通讯处理器、9云存储服务器、10网络显示终端、11手机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的瓶身1、瓶口2、温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4、应变检测光纤传感器5、解调仪7、无线通讯处理器8、云存储服务器9、网络显示终端10、手机11和平板6部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
请参阅图1-3，一种气瓶安全状态在线监测装置，包括瓶身1，瓶身1的左侧连通有瓶口2，瓶口2的内腔分别设置有温度/压力检测光纤传感器3和瓶口应变检测光纤传感器4，温度/压力检测光纤传感器3位于气瓶内腔，瓶口应变检测光纤传感器4黏贴在气瓶口处，瓶身1的外内壁固定连接有应变检测光纤传感器5，应变检测光纤传感器5平行设置；
温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4和应变检测光纤传感器5的输出端单向电连接有解调仪7，解调仪7的输出端单向连接有无线通讯处理器8，无线通讯处理器8的输出端和输入端双向电连接有云存储服务器9，云存储服务器9的输出端和输入端双向电连接有网络显示终端10，网络显示终端10包括手机11和平板6，
温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4和应变检测光纤传感器5均直接粘贴在瓶身1外壁表面，温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4和应变检测光纤传感器5传感器一根光纤上同时布设多个反射不同中心波长的光栅测点，形成“一线多点”准分布式测量，实时检测气瓶应力/应变、温度、压力等相关物理参量。
温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4和应变检测光纤传感器5一根光纤上加工多个不同中心波长的光栅测点，中心波长范围在1525-1600nm，光栅测点个数根据缺陷位置和大小、气瓶几何结构特点来调整。
温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4和应变检测光纤传感器5传感器是以光纤为媒质，光波为载体，能够感知和传输外界被测量信号，作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有体积小、重量轻、电绝缘性好、化学稳定性好、频带宽、灵敏度高、易于实现远距离多通道的遥测与控制等其它载体和媒介难以相比的优点。
气瓶包括四种结构类型的气瓶，分别是全金属材料I型瓶、金属内胆纤维环向缠绕II型瓶、金属内胆纤维全缠绕III型瓶和塑料内胆纤维全缠绕IV型瓶。
解调仪7可以解调检测通道中光纤波长值，根据波长变化分析被监测物理量的特性，协调数据采集与数据发送，运用环形队列协调本层的无线通讯处理器8以完成上层数据报文的解析及本层数据报文的封装，云存储服务器9可以把数据存储在云端方便数据提取，减少了物理线缆的连接，数据共享更加便捷，网络显示终端10用于显示并实时监测气瓶安全状态，帮助管理者对气瓶安全风险进行预判，气瓶瓶口2、瓶底和瓶身1为关键部位，关键部位还包括缩颈处，瓶口2由于反复气瓶充放过程，缩颈处由于存在变形导致应力较集中、瓶底易积液腐蚀。
气瓶温度、压力在终端构建以时间为横坐标，温度或压力为纵坐标的直角坐标系，当温度或压力超过设定工作温度和压力时即实现报警。
一种气瓶安全状态在线监测装置，典型缺陷监测包括如下步骤：
A：构建直角坐标系x-y，提取不同监测部位的应变分布ε；
B：将应变ε带入预先建立的应变与气瓶变形、裂纹、减薄和气孔等典型缺陷的函数关系来监测缺陷的动态，ε-典型缺陷；
C：当缺陷尺寸超过设定尺寸时即实现报警。
气瓶安全状态在线监测装置预警方法还包括：根据“服役时间-平均每年预警次数”预警分布图的分布规律及趋势，对气瓶安全风险进行预测。
一种气瓶安全状态在线监测装置运行方法，包括以下步骤：
A：获取气瓶出厂基本信息及运行基本信息；
B：通过温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4和应变检测光纤传感器5检测获取气瓶压力、温度、变形、裂纹、减薄、气孔等监测信息；
C：解调仪7分析获取的气瓶压力、温度监测信息是否超过预警值，超过预警值时生成预警信号，并将预警信号和气瓶代码传输至网络显示终端10，网络显示终端10对存在异常的气瓶进行风险预警或报警；
D：分析获取关键部位的气瓶变形、裂纹、减薄和气孔监测信息是否超过预警值，超过预警值时生成预警信号，并将预警信号和气瓶代码传输至网络显示终端10，网络显示终端10对存在异常的气瓶进行风险预警或报警。
综上：该气瓶安全状态在线监测装置，通过瓶身1、瓶口2、温度/压力检测光纤传感器3、瓶口应变检测光纤传感器4、应变检测光纤传感器5、解调仪7、无线通讯处理器8、云存储服务器9、网络显示终端10、手机11和平板6进行配合，解决了气瓶的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体供应的安全性与连续性，即使市场上气瓶智能监测产品一般也只是对气瓶内气体的温度、压力等参数进行监测其结构功能单一，而具有完整解决方案的智能型气瓶安全监测产品仍十分匮乏的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种气瓶安全状态在线监测装置，包括瓶身(1)，其特征在于：所述瓶身(1)的左侧连通有瓶口(2)，所述瓶口(2)的内腔分别设置有温度/压力检测光纤传感器(3)和瓶口应变检测光纤传感器(4)，所述温度/压力检测光纤传感器(3)位于气瓶内腔，所述瓶口应变检测光纤传感器(4)黏贴在气瓶口处，所述瓶身(1)的外内壁固定连接有应变检测光纤传感器(5)，所述应变检测光纤传感器(5)平行设置；
所述温度/压力检测光纤传感器(3)、瓶口应变检测光纤传感器(4)和应变检测光纤传感器(5)的输出端单向电连接有解调仪(7)，所述解调仪(7)的输出端单向连接有无线通讯处理器(8)，所述无线通讯处理器(8)的输出端和输入端双向电连接有云存储服务器(9)，所述云存储服务器(9)的输出端和输入端双向电连接有网络显示终端(10)，所述网络显示终端(10)包括手机(11)和平板(6)。
2.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述温度/压力检测光纤传感器(3)、瓶口应变检测光纤传感器(4)和应变检测光纤传感器(5)均直接粘贴在瓶身(1)外壁表面，所述温度/压力检测光纤传感器(3)、瓶口应变检测光纤传感器(4)和应变检测光纤传感器(5)传感器一根光纤上同时布设多个反射不同中心波长的光栅测点，形成“一线多点”准分布式测量，实时检测气瓶应力/应变、温度、压力等相关物理参量。
3.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述温度/压力检测光纤传感器(3)、瓶口应变检测光纤传感器(4)和应变检测光纤传感器(5)一根光纤上加工多个不同中心波长的光栅测点，中心波长范围在1525-1600nm，光栅测点个数根据缺陷位置和大小、气瓶几何结构特点来调整。
4.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述温度/压力检测光纤传感器(3)、瓶口应变检测光纤传感器(4)和应变检测光纤传感器(5)传感器是以光纤为媒质，光波为载体，能够感知和传输外界被测量信号，作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有体积小、重量轻、电绝缘性好、化学稳定性好、频带宽、灵敏度高、易于实现远距离多通道的遥测与控制等其它载体和媒介难以相比的优点。
5.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述气瓶包括四种结构类型的气瓶，分别是全金属材料I型瓶、金属内胆纤维环向缠绕II型瓶、金属内胆纤维全缠绕III型瓶和塑料内胆纤维全缠绕IV型瓶。
6.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述解调仪(7)可以解调检测通道中光纤波长值，根据波长变化分析被监测物理量的特性，协调数据采集与数据发送，运用环形队列协调本层的无线通讯处理器(8)以完成上层数据报文的解析及本层数据报文的封装，云存储服务器(9)可以把数据存储在云端方便数据提取，减少了物理线缆的连接，数据共享更加便捷，网络显示终端(10)用于显示并实时监测气瓶安全状态，帮助管理者对气瓶安全风险进行预判，气瓶瓶口(2)、瓶底和瓶身(1)为关键部位，关键部位还包括缩颈处，瓶口(2)由于反复气瓶充放过程，缩颈处由于存在变形导致应力较集中、瓶底易积液腐蚀。
7.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述气瓶温度、压力在终端构建以时间为横坐标，温度或压力为纵坐标的直角坐标系，当温度或压力超过设定工作温度和压力时即实现报警。
8.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述典型缺陷监测包括如下步骤：
A：构建直角坐标系x-y，提取不同监测部位的应变分布ε；
B：将应变ε带入预先建立的应变与气瓶变形、裂纹、减薄和气孔等典型缺陷的函数关系来监测缺陷的动态，ε-典型缺陷；
C：当缺陷尺寸超过设定尺寸时即实现报警。
9.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置，其特征在于：所述气瓶安全状态在线监测装置预警方法还包括：根据“服役时间-平均每年预警次数”预警分布图的分布规律及趋势，对气瓶安全风险进行预测。
10.根据权利要求1所述的一种气瓶安全状态在线监测装置运行方法，其特征在于包括以下步骤：
A：获取气瓶出厂基本信息及运行基本信息；
B：通过温度/压力检测光纤传感器(3)、瓶口应变检测光纤传感器(4)和应变检测光纤传感器(5)检测获取气瓶压力、温度、变形、裂纹、减薄、气孔等监测信息；
C：解调仪(7)分析获取的气瓶压力、温度监测信息是否超过预警值，超过预警值时生成预警信号，并将预警信号和气瓶代码传输至网络显示终端(10)，网络显示终端(10)对存在异常的气瓶进行风险预警或报警；
D：分析获取关键部位的气瓶变形、裂纹、减薄和气孔监测信息是否超过预警值，超过预警值时生成预警信号，并将预警信号和气瓶代码传输至网络显示终端(10)，网络显示终端(10)对存在异常的气瓶进行风险预警或报警。
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