CN112857712B - 一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，电极层为与油罐同弧度的非闭合型圆筒结构且与油罐同轴，位于埋地卧式油罐的正下方处；电极层由阵列电极系E和内部屏蔽带组成，阵列电极系E为2*n阵列模式，内部屏蔽带横纵交错分布在阵列电极系E中的各个电极之间，电极层位于整个传感器的最里层，绝缘层紧邻电极层位于其外侧，屏蔽罩位于整个传感器的最外层与绝缘层相邻；当埋地油罐渗漏监测时，通过依次对各电极施加激励信号，依次测量各电极对上的电容值，可实现埋地卧式油罐全方位监测，具有安装方便、对微小渗漏的测量精度高、定位明确、实时在线测量等优点，且发生漏判和误判概率极低，是埋地油罐微小渗漏监测的有效技术途径。

Description

一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器

技术领域

本发明涉及一种应用于石油化工、油气储运等技术领域的传感器，特别涉及一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器。

背景技术

目前国内外大多数加油站采用埋地卧式油罐进行油品存储，在国内约有10万个加油站，近40万个油罐，由于受机械应力和腐蚀的长期影响，其中多数油罐存在随时发生泄漏的危险。油罐泄露不仅会造成巨大经济损失，还会污染土壤和地下水，对环境造成严重危害。我国于2013年3月1日正式颁布实施的GB 50156-2012《汽车加油加气站设计与施工规范》的相关规定及“水十条”对水资源和土壤保护的要求，建议加油站使用双层油罐或防渗池。然而双层油罐在长期使用过程中仍然存在泄露的风险，防渗池也仅能在渗漏初期起到避免大面积污染环境和地下水的影响，仍然无法解决根本问题。

目前，加油站埋地卧式油罐渗漏检测的常用方法主要有：人工测量法和液位自动测量法。人工测量法受人员操作的规范性、油品温度、液面波动等影响，测量精度低、误差大。液位自动测量法通常有两种方式：(1)液位传感器放置在油罐内部，主要功能是对油罐低液位和溢出报警，还可利用罐内液位的变化对油品的渗漏进行粗略估计。该方法测量精度低，尤其对于加油站收发油频繁的油罐很难发现其渗漏；(2)以青岛澳波泰克公司生产的液位法双层油罐渗漏检测系统为代表的检测装置，对现有卧式油罐进行改装，在其内部安装垂直检测管，液位传感器安装在检测管底部与双层油罐夹层连接处，通过检测管内液体的变化判断油罐是否发生渗漏。该方法可以判断油罐渗漏，但由于液位传感器是单点测量模式，仅对传感器附近区域渗漏能够快速感知，而对油罐其他位置的渗漏无法实时准确检测；其次需要对现有油罐进行结构改装，存在一定施工难度。综上所述，现有技术对于加油站埋地卧式油罐的渗漏监测存在如下缺陷：(1)测量精度低、误差大，不容易发现微小渗漏；(2)单点测量模式很难对罐体全方位检测，容易造成微小渗漏的漏判；(3)需要对现有油罐进行结构改装，存在一定施工难度。

发明内容

针对目前埋地卧式油罐微小渗漏实时监测中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，该测量传感器为非接触式测量，具有测量精度高、安装方便等优点，可实现埋地油罐微小渗漏的实时在线监测，为安全隐患的早发现、早消除提供了可靠的技术途径。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，包括电极层2，电极层2为与油罐1同弧度的非闭合型圆筒结构且与油罐1同轴，位于油罐1的正下方；电极层2由阵列电极系E和内部屏蔽带5组成，阵列电极系E为2*n阵列模式，1≤n≤4，内部屏蔽带5横纵交错分布在阵列电极系E中的各个电极之间，电极层2位于整个传感器的最里层，绝缘层4紧邻电极层2位于其外侧，屏蔽罩3位于整个传感器的最外层与绝缘层4相邻。

所述的阵列电极系为2*4阵列模式，即每层由2个电极构成的4层立体跨平面阵列电极系，共有E1～E8八个电极构成，其中奇电极和偶电极对称分布，即E1和E2在同一平面上，E3和E4在同一平面上，E5和E6在同一平面上，E7和E8在同一平面上。

所述的电极E1～E8呈长方形结构，长度为1.90m，宽度0.55m，厚度0.4mm。

所述的电极层位于油罐1的正下方0.22m处。

所述的阵列电极系中的电极采用导电性良好的金属材料，包括黄铜。

所述的绝缘层4采用非导电性材质，包括陶瓷、聚四氟乙烯。

本发明的跨平面阵列传感器采用与油罐同轴且同弧度的非闭合型圆筒结构，且安装于埋地油罐的正下方，可实现埋地卧式油罐全方位监测，具有安装方便、对微小渗漏的测量精度高、定位明确、实时在线测量等优点，且发生漏判和误判概率极低，是埋地油罐微小渗漏监测的有效技术途径。

附图说明

图1为本发明用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器示意图(逆时针旋转90度)，图1中的(a)为透视图，图1中的(b)为侧视图。

图2为本发明阵列电极模式示意图，其中(a)～(f)分别为2*1、2*2、2*3、2*4、4*1和4*2阵列电极模式。

图3为电极间距对阵列电极性能影响，其中(a)1-2电极对电容，(b)灵敏度变化，(c)非均匀性变化曲线，(d)电容变化范围。

图4为电极厚度对阵列电极性能影响；(a)1-2电极对电容，(b)灵敏度变化曲线，(c)非均匀性变化曲线，(d)电容变化范围。

图5为渗漏率为1％时，本发明阵列电极响应特性；(a)奇电极渗漏响应特性，(b)偶电极渗漏响应特性。

图6为不同渗漏率下，电极E3灵敏度响应(渗漏位置为E3附近)；(a)渗漏率0％，(b)渗漏率1％，(c)渗漏率2.1％，(d)渗漏率4％，(e)渗漏率6％，(f)渗漏率8％。

图7为埋地油罐渗漏监测系统。

图8为不同工况下，微小渗漏时的测量数据分析。

图9为不同渗流下，测量数据及误差。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，包括电极层2，电极层2为与油罐1同弧度的非闭合型圆筒结构且与油罐1同轴，位于埋地卧式油罐1的正下方0.22m处，可实现埋地卧式油罐全方位监测；电极层2由阵列电极系E和内部屏蔽带5组成，阵列电极系E为2*n阵列模式，1≤n≤6，内部屏蔽带5横纵交错分布在阵列电极系E中的各个电极之间，电极层2位于整个传感器的最里层，绝缘层4紧邻电极层2位于其外侧，屏蔽罩3位于整个传感器的最外层与绝缘层4相邻。

所述的阵列电极系为2*4阵列模式，即每层由2个电极构成的4层立体跨平面阵列电极系，共有E1～E8八个电极构成，其中奇电极和偶电极对称分布，即E1和E2在同一平面上，E3和E4在同一平面上，E5和E6在同一平面上，E7和E8在同一平面上。

所述的电极E1～E8呈长方形结构，长度为1.90m，宽度0.55m，厚度0.4mm。

所述的阵列电极系中的电极采用导电性良好的金属材料，包括黄铜。

所述的绝缘层4采用非导电性材质，包括陶瓷、聚四氟乙烯。

本发明的工作原理为：

将本发明外接激励电路和电容测量电路，当激励阵列电极系时，油罐外壁与阵列电极内壁之间区域形成敏感场，通过Maxwell可建立敏感场的电特性分布，其微分形式为：

式中，D为敏感场中的电位移矢量；ρ为电极上的电荷密度。

敏感场可近似为静电场模型，场内不存在自由电荷，即电通量密度的散度处处为零：

式中，ε为场域内的介电常数；

为电势分布函数。

测量过程中，当依次激励电极时，阵列电极在敏感场内形成静电场，任意两极板之间的电容值可用下式表示：

式中，i为激励电极，j为测量电极；C_ij为电极对i-j之间的电容值；V为电极对i-j之间的电压差；ε(x,y)为敏感场内介电常数分布函数；Ψ_j为测量电极表面区域；Q(Ψ_j)为当电极i施加激励时，测量电极j上的电荷；

为电势分布函数，由介电常数ε(x,y)分布所决定。

阵列电极埋地油罐渗漏监测中，关注的是当敏感场介质变化时，引起的阵列电极上测量电容的变化。离散模型中阵列电极的电容变化ΔC_ij可表示为：

当埋地油罐渗漏监测时，通过依次对各电极施加激励信号，依次测量各电极对上的电容值。当出现渗漏时，敏感场内介质变成原有介质与渗漏油的混合物，导致敏感场介质参数发生改变，电场分布随之改变，导致各电极对上的电容值发生改变，因此通过监测公式(4)中各电极对上电容变化量ΔC_ij，并分析数据特征、变化规律等，可判断出油罐是否发生渗漏、渗漏量和渗漏位置等信息。

下面结合附图2、附图3、附图4，对跨平面阵列传感器的参数进行优化仿真。

采用COMSOL有限元软件，仿真分析阵列电极模式、电极间距L、电极厚度d等参数对阵列电极性能的影响，优化阵列电极结构参数，使阵列电极性能指标电容变化范围M、灵敏度S_ij、灵敏度非均匀性P等达到最佳。

电容变化范围M定义如下：

M＝20lg|C_max/C_min|                       (5)

式中，C_max和C_min分别为阵列电极测量电容的最大值和最小值，结合实际工程应用及信号处理电路的检测能力，M值越小，测量电容的动态范围越小，则不容易受信号处理电路的限制。

阵列电极不同位置的灵敏度S_ij表达式如下：

式中，m为面积因子，ε_f为高介电常数，ε_e为低介电常数，C_f为高介电常数时的测量电容值，C_e为低介电常数时的测量电容值，C_ij为混合介质时的测量电容值。当灵敏度S_ij越高，则表明阵列电极对应i-j电极对的敏感性越好。

阵列电极灵敏度均值S^avg、方差S^dev、非均匀性P可用如下公式描述：

P＝S^dev/S^avg                         (9)

其中，S_ij为电极对i-j的灵敏度，n为电极数目，N为阵列电极形成的电极对数。S^avg、S^dev分别表示阵列电极的均值和方差。P表示电极阵列灵敏度分布的非均匀性，P越小，表明阵列电极灵敏度的均匀性越好。

图2为不同模式的阵列电极，(a)～(f)分别为2*1、2*2、2*3、2*4、4*1和4*2阵列电极。通过仿真计算后，其性能指标如表1所示。由表1可以看出，阵列电极灵敏度均值S^avg随着电极模式及数目的不同，由0.4533增大至2.0250后降低为1.5903，呈现先升高后降低，最大值为2.0250，最小值为0.4533；阵列灵敏度方差S^dev随着电极模式及数目的不同，呈现波动变化，最小值为0.2617，最大值为2.2598；阵列灵敏度非均匀性P随着电极模式及数目的不同，呈现波动变化，最大值为1.4210，最小值为0.5709；阵列电极测量电容变化范围M随着电极模式及数目的不同，呈现波动变化，最小值为10.760。表1中，当阵列电极为2*4模式时，S^avg＝2.0250，S^dev＝1.1560，P＝0.5709，M＝10.760，即灵敏度均值最大，方差和非均匀性P最小，可满足埋地油罐测量敏感场不同位置和空间的要求，同时电容变化范围最小，不受处理电路的局限，因此选择2*4阵列电极作为埋地油罐渗漏检测传感器。层数过大，当n大于6时，各层间的电极相互干扰较严重，影响性能。

表1不同模式的阵列电极性能指标

对于阵列电极传感器，除电极模式外，电极间距、电极厚度等参数均影响阵列电极的性能。在2*4阵列电极模式下进行有限元仿真，随着电极间距L从1mm到4mm依次增加，阵列电极性能参数变化曲线如图3所示。从图3(a)可以看出，当电极间距L从1mm增加到4mm时，电极对1-2在低介电常数时的测量电容值基本稳定不变，电极对1-2在高介电常数时的测量电容值逐渐递增，并达到稳定。从图3(b)可以看出，当电极1激励时，随着L增加，依次得到七组数据，从对比曲线中可看出，电极对1-2和1-3随间距改变有比较明显变化，其中电极对1-3随间距变化最为敏感，由于阵列电极空间对称，其余相邻电极间也遵循此规律。从图3(c)可以看出，非均匀性指标P随着L的增加，呈现波动变化，最大值为0.1591，最小值为0.0431。从图3(d)可以看出，电容变化范围M随着L的增加，由14.996减小至13.992后升高为15.231，呈现先降低后升高，最大值为15.231，最小值为13.992。综上，当电极间距L＝2.2mm时，灵敏度非均匀性指标P＝0.0431，电容变化范围M＝13.992，即非均匀性和电容变化范围均达到最小，满足测量灵敏度要求，因此，L＝2.2mm为2*4阵列电极模式最优电极间距。

当电极间距L＝2.2mm时，电极厚度d从0.1mm到0.8mm依次增加，阵列电极性能参数变化曲线如图4所示。从图4(a)可以看出，当电极厚度从0.1mm增加到0.8mm时，电极对1-2在低介电常数时的测量电容值基本稳定不变，电极对1-2在高介电常数时的测量电容值逐渐递增，并达到稳定。从图4(b)可以看出，当电极1激励时，随着d增加，依次得到七组数据，从对比曲线中可看出，电极对1-2和1-3随厚度改变有比较明显变化，其中电极对1-3随厚度变化最为敏感，由于阵列电极空间对称，其余相邻电极也遵循此规律。从图4(c)可以看出，非均匀性指标P随着d的增加，由0.0487减小至0.0085后升高为0.0457，呈现先降低后升高，最大值为0.0487，最小值为0.0085。从图4(d)可以看出，电容变化能力M随着d的增加，由14.171减小至12.961后升高为13.133，呈现先降低后升高，最小值为12.961，最大值为14.171。综上，电极厚度d＝0.4mm时，灵敏度非均匀性指标P＝0.0085，电容变化范围指标M＝12.961，即非均匀性和电容变化范围均达到了最小，满足测量灵敏度要求。因此，通过阵列电极参数优化仿真后，选择电极间距L＝2.2mm，电极厚度d＝0.4mm的2*4模式阵列电极。

下面结合附图5、附图6，分析优化参数的阵列电极响应特性。

图5(a)为奇电极E1、E3、E5和E7渗漏时的电极响应特性，图(b)为偶电极E2、E4、E6和E8渗漏时的电极响应特性。图5(a)中，当油罐无渗漏时，依次激励奇电极，阵列电极的灵敏度响应如图第一行所示，从图中可以看出，不同激励下阵列电极灵敏度响应特性呈现不同特征；当油罐在E1处渗漏时，依次激励奇电极阵列电极的灵敏度响应如图第二行所示，从图中可以看出，当油罐在E1处渗漏时，激励电极E1和E3的灵敏度响应特性同无渗漏时相比，呈现出明显不同；图5(b)中，当油罐无渗漏时，依次激励偶电极，阵列电极的灵敏度响应如图第一行所示，从图中可以看出，不同激励下阵列电极灵敏度响应特性呈现不同特征；当油罐在E2处渗漏时，依次激励偶电极阵列电极的灵敏度响应如图第二行所示，从图中可以看出，当油罐在E2处渗漏时，激励电极E2和E4的灵敏度响应特性同无渗漏时相比，呈现出明显不同。综上，采用所设计的优化参数的阵列电极，当油罐渗漏发生在不同位置时，阵列电极灵敏度响应特性在相关电极上与无渗漏时呈现出不同特征，因此可采用所设计的阵列电极进行油罐微小渗漏的定位监测。

当渗漏位置在电极E3附近，在不同渗漏率时，电极E3的灵敏度响应如图6所示。图6(a)～(f)，埋地油罐渗漏率依次为0％、1％、2.1％、4％、6％和8％。从图8可以看出，当埋地油罐渗漏位置在电极E3附近，在不同渗漏率时，电极E3的灵敏度响应呈现出不同特征，因此可通过计算不同渗漏下的阵列电极响应获得埋地油罐的渗漏率。

定义阵列电极归一化电容C^*计算公式为：

式中，C_f为高介电常数时的测量电容值，C_e为低介电常数时的测量电容值，C_ij为混合介质时的测量电容值。通过建立渗漏率与归一化电容C^*之间的关系确定埋地油罐的渗漏率，仿真计算结果如表2所示。由表2可以看出，在实际渗漏率0.21％～8％范围内，通过仿真计算所得渗漏率的最大绝对误差为0.39％，最小绝对误差为0.01％，平均绝对误差为0.1308％；最大相对误差为7.14％，最小相对误差为0.95％，平均相对误差为3.46％。当渗漏率在1％～8％范围内，平均相对误差为2.72％。因此采用所设计的优化参数的阵列电极，当埋地油罐发生微小渗漏时，通过测量阵列电极的响应可实现微小渗漏的测量和定位。

表2不同渗漏率仿真误差

表中：α_真实为渗漏率的实际值；α_仿真为渗漏率的仿真计算值；Δα_仿真为仿真计算渗漏率的绝对误差；δ_仿真为仿真计算渗漏率的相对误差。

下面结合附图7、附图8、附图9，分析跨平面阵列传感器的测试性能。

将优化参数的阵列电极、埋地油罐渗漏监测系统的软硬件加工、研制，构建了埋地油罐渗漏模拟实验测试系统，如图7所示，埋地油罐按照实物1：100比例模拟，2*4阵列电极采用优化的参数电极间距L＝2.2mm，电极厚度d＝0.4mm，电极材料为铜，每个电极独立连接信号线。将信号处理电路、选通电路、采集电路和阵列电路连接，由±15V直流稳压电源供电，按照预定电极激励次序从E1～E8施加激励信号，通过PC机将采集的阵列电极响应信号进行处理、计算等。

在实验室环境下，针对不同区域有无渗漏进行多组模拟实验。图8为工况1～工况8依次为渗漏发生在E1～E8电极区域的情况。工况1，激励电极为E1(渗漏区域为E1)，依次测量变化比较明显的7个电极对，如柱状图所示依次为1-2～1-8，其中电极对1-3测量的电容值最大；工况2，激励电极为E2(渗漏区域为E2)，依次测量2-1、2-3～2-8七个电极对，其中电极对2-4测量的电容值最大；工况3，激励电极为E3(渗漏区域为E3)，依次测量3-1、3-2、3-4～3-8，在电极对3-1和3-5变化明显，其中电极对3-5测量的电容值最大；工况4，激励电极为E4(渗漏区域为E4)，依次测量4-1、4-2、4-3、4-5～4-8，在电极对4-2和4-6变化明显，其中电极对4-6测量电容最大；工况5～工况8阵列电极数据规律与工况1～工况4基本相似。因此，通过埋地油罐渗漏多工况模拟实验可知，可以通过阵列电极中电极对上测量电容值的变化规律定位埋地油罐渗漏区域。

建立了阵列电极归一化电容值C^*和测量漏油率α_测量之间的关系：

表3公式(11)系数表

表中：当n＝1,2,3,4时，分别为渗漏率测量函数一阶、二阶、三阶、四阶参数。

下面结合附图9和表4，说明在不同渗漏情况下，传感器测量结果与误差。

由表4和附图9可以看出，在实际渗漏率0.41％～2.1％范围内，本发明传感器仿真渗漏率的平均绝对误差为0.81％；本发明传感器实际测量渗漏率的平均绝对误差为3.18％，且能够确定微小渗漏所在的位置。由此表明本发明所设计的用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器可实现埋地油罐为微小渗漏监测，同时还能对渗漏位置进行定位。

表4测试结果与误差

注：α_真实为渗漏率的实际值；α_仿真为渗漏率的仿真计算值；α_测量为渗漏率的实际测量值；δ_仿真为仿真计算渗漏率的相对误差；δ_测量为实际测量渗漏率的相对误差。

Claims (3)

1.一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，其特征在于，包括电极层(2)，电极层(2)为与油罐(1)同弧度的非闭合型圆筒结构且与油罐(1)同轴，位于油罐(1)的正下方；电极层(2)由阵列电极系E和内部屏蔽带(5)组成，阵列电极系E为2*n阵列模式，1≤n≤4，内部屏蔽带(5)横纵交错分布在阵列电极系E中的各个电极之间，电极层(2)位于整个传感器的最里层，绝缘层(4)紧邻电极层(2)位于其外侧，屏蔽罩(3)位于整个传感器的最外层与绝缘层(4)相邻；

所述的阵列电极系E为2*4阵列模式，即每层由2个电极构成的4层立体跨平面阵列电极系，共有E1～E8八个电极构成，其中奇电极和偶电极对称分布，即E1和E2在同一平面上，E3和E4在同一平面上，E5和E6在同一平面上，E7和E8在同一平面上；

所述的电极E1～E8呈长方形结构，长度为1.90m，宽度0.55m，厚度0.4mm；

所述的电极层位于油罐(1)的正下方0.22m处；

定义阵列电极归一化电容C^*计算公式为：

式中，C_f为高介电常数时的测量电容值，C_e为低介电常数时的测量电容值，C_ij为混合介质时的测量电容值；

建立阵列电极归一化电容值C^*和测量漏油率α^*之间的关系：

a_n、b_n、c_n为系数。

2.根据权利要求1所述的一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，其特征在于，所述的阵列电极系E中的电极采用黄铜。

3.根据权利要求1所述的一种用于埋地卧式油罐渗漏监测的跨平面阵列传感器，其特征在于，所述的绝缘层(4)采用陶瓷或聚四氟乙烯。

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