CN113188684B - 一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置 - Google Patents
一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113188684B CN113188684B CN202110312997.4A CN202110312997A CN113188684B CN 113188684 B CN113188684 B CN 113188684B CN 202110312997 A CN202110312997 A CN 202110312997A CN 113188684 B CN113188684 B CN 113188684B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- heat source
- chip microcomputer
- steel plate
- optical fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 238000007667 floating Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 110
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 110
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 100
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 59
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000011056 performance test Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005486 sulfidation Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 6
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 5
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 5
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 claims description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 2
- 241000135164 Timea Species 0.000 claims 1
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000005987 sulfurization reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- 208000025274 Lightning injury Diseases 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers
- G01K15/007—Testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
Abstract
本发明提出的是一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其结构包括储罐壁模拟装置，加热系统；所述储罐壁模拟装置包括热源钢板和固定支架；所述热源钢板包括小范围热源钢板和大范围热源钢板；所述加热系统包括嵌入式单片机、固态继电器、热电偶、测温模块、圆柱形加热棒；所述嵌入式单片机内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。本发明针对外浮顶储罐的实际测温要求进行设计，为工程实际和相关实验研究提供了更加可靠的性能测试和试验平台；针对外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热提供了对应的加热模式算法，为分布式光纤测温性能测试提供更接近于实际应用环境的项目条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，属于分布式光纤温度传感技术、安全科学与工程领域。
背景技术
分布式光纤测温系统作为一种新型测温设备，没有测量盲区、成本低、可靠性高、施工维护简单，被广泛用于温度检测领域；因此，如何通过一定的测试来评判分布式光纤在某个环境下的实际应用能力就显得非常重要。
由于分布式光纤自身的测温特性，周围环境温度和光纤自身的测温长度都会对返回的温度结果造成影响；目前针对分布式光纤测温系统技术要求和试验方法的国家标准为《GB 16280-2014线型感温火灾探测器》，其中对于分布式光纤测温性能的测试主要在恒温箱中完成。
但是恒温箱产生的温度分布与很多实际环境产生的温度分布不同，分布式光纤在恒温箱环境中和实际环境中的测温结果会有很大不同，在恒温箱环境中的相关测量数据对于实际工程应用中没有过多参考价值，很难通过在恒温箱环境中的相关测试来判断分布式光纤在实际环境中的测温性能，无法对分布式光纤在实际环境中的测温性能进行准确测试。
例如：在石油石化行业中，大规模使用的外浮顶储罐作为重大的工业危险源，在遭受到雷击、原油硫化腐蚀氧化等情况下，浮盘密封圈温度会急剧上升，最终导致内部油气空间以及密封圈被点燃，引发火灾甚至爆炸；由于储罐的危险性，常用的带电测温设备，如热电偶等都无法安置；目前常用的外浮顶储罐测温设备是光纤光栅测温系统，但是该系统为散点式测量，存在测量盲区，且安装施工复杂、后期维护不便、可靠性差，相比于光纤光栅测温系统，分布式光纤测温系统作为一种新型测温设备，没有测量盲区、成本低、可靠性高、施工维护简单，被广泛推荐用于浮顶罐密封圈的火灾探测；但对于分布式光纤用于外浮顶罐温度监测的研究，由于在外浮顶储罐上直接试验风险较高，目前仍然存在理论与试验相分离的状态。
除去自然灾害、人为破坏等不可控偶发危险，外浮顶储罐的安全风险主要来自于含硫原油对罐壁的长时间腐蚀；腐蚀产物在接触到氧气后会发生急剧的氧化升温，进而点燃油气空间导致火灾爆炸的发生；虽然外浮顶储罐硫化腐蚀自热氧化的相关理论已经得到详细研究，但是相关温度变化规律并没有运用到对外浮顶储罐的安全监测保护当中。
为了满足目前针对分布式光纤对外浮顶储罐温度测量的性能测试手段缺失，以及相关理论研究实验平台存在空白的问题，因此需要建立一套针对外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试平台，并将储罐硫化腐蚀氧化自热的温度测量作为测试内容用于评判分布式光纤的实际应用能力。
发明内容
本发明提出的是一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其目的旨在解决现有对分布式光纤测温性能进行测试的设备无法模拟石油石化行业中外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热升温的问题。
本发明的技术解决方案：一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其结构包括储罐壁模拟装置1，加热系统2；所述储罐壁模拟装置1包括热源钢板和固定支架13；所述热源钢板包括小范围热源钢板和大范围热源钢板；所述加热系统2包括嵌入式单片机23、固态继电器22、热电偶26、测温模块25、圆柱形加热棒24；所述嵌入式单片机23内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供了一种基于外浮顶储罐罐壁热源简化模型的分布式光纤温度监测测试平台；
2)本发明与传统分布式光纤测温性能测试平台及测试方法相比，本发明针对外浮顶储罐的实际测温要求进行设计，为工程实际和相关实验研究提供了更加可靠的性能测试和试验平台；
3)本发明还方便进一步通过对嵌入式单片机23内程序修改或升级，提供不同形式以及更加灵活的热源升温模式，以满足实际工程及实验研究中的不同需求；
4)与传统分布式光纤测温性能测试平台及测试方法相比，本发明针对分布式光纤的空间分辨率设计出大范围热源钢板和小范围热源钢板，基于分布式光纤自身测温特性，提供了不同测温工况下的性能测试；
5)本发明针对外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热提供了对应的加热模式算法，为分布式光纤测温性能测试提供更接近于实际应用环境的项目条件。
附图说明
附图1是本发明中储罐壁模拟装置的结构示意图。
附图2是本发明中加热系统的结构示意图。
附图3为小范围热源钢板的侧面示意图。
附图4是小范围热源钢板的正面示意图。
附图5是大范围热源钢板的侧面示意图。
附图6是大范围热源钢板的正面示意图。
附图7是小范围热源钢板的局部悬挂固定方式示意图。
附图8是加热系统的接线连接示意图。
附图9是所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热升温算法的温度曲线。
附图中1是储罐壁模拟装置，2是加热系统，11是小范围热源钢板，12是大范围热源钢板，13是固定支架，22是固态继电器，23是嵌入式单片机，24是圆柱形加热棒，25是测温模块，26是热电偶，111是金属条，112是聚醚醚酮材质的螺丝，113是聚醚醚酮材质的螺母和垫片，114是角码，115是普通螺丝，116是普通螺母，27是接地端，28是直流电源，231是嵌入式单片机23的3.3V输出电压接口，232是嵌入式单片机23的SPI接口，233是嵌入式单片机23的PWM接口。
具体实施方式
一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其结构包括储罐壁模拟装置1，加热系统2；所述储罐壁模拟装置1包括热源钢板和固定支架13；所述热源钢板包括小范围热源钢板11和大范围热源钢板12，小范围热源钢板11和大范围热源钢板12上均分布有孔洞；所述加热系统2包括嵌入式单片机23、固态继电器22、热电偶26、测温模块25、圆柱形加热棒24；圆柱形加热棒24用于插入到对应热源钢板上的孔洞中；所述嵌入式单片机23内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。
所述小范围热源钢板11和大范围热源钢板12均优选为矩形钢板。所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法为嵌入式单片机PID控温算法，具体将嵌入式单片机PID控温算法分为三个阶段使用，所述嵌入式单片机PID控温算法如公式(A)所示；
其中，Kp为比例单元增益，Ki为积分单元增益，Kd为微分单元增益，T为嵌入式单片机23的采样频率，u(t)为嵌入式单片机PID计算的输出大小，e(t)为目标设定温度和实际测量温度的差值；所述热电偶26连接测温模块25获取温度，并通过SPI通信方式将温度数据传输至嵌入式单片机23上，设置嵌入式单片机23的采样频率为1s；工作时，使用嵌入式单片机23的PWM控制圆柱形加热棒24的输出量，PWM为脉冲宽度调制，利用嵌入式单片机23的数字输出实现对模拟电路的控制，利用PWM输出占比值实现控制圆柱形加热棒24的功率输出大小，具体实现如下公式(B)所示：
其中u(t)为嵌入式单片机PID计算输出大小，10000为嵌入式单片机23设置PWM计数周期；
所述三个阶段分别为早期阶段、中期阶段、后期阶段：
1)早期阶段：以室温为23℃，公式(1)中的嵌入式单片机PID参数为Kp＝70，Ki＝4.7，Kd＝410；如果环境常温改变，则相应的嵌入式单片机PID参数也要重新整定,整定方法如下:先通过调节比例单元增益确定大概的温升速率再调节积分单元增益和微分单元增益；
2)中期阶段：将公式(A)改用纯积分嵌入式单片机23实现中期阶段，如公式(C)：
当早期阶段达到80℃时，此时u(t)仍存在输出，直接以此时u(t)作为中期阶段输出的初值，设定为u(t1)；以达到最低温度72.3℃时的稳定的u(t)输出作为降温的终值，设定为u(t2)；达到中期最高温度85℃时稳定的u(t)输出作为升温终值，设定为u(t3)；先设定目标温度72.3℃，Ki＝0.23，
当温度达到72.5℃时，此时u(t)＝2850，再设定目标温度85℃，Ki＝0.3，
3)后期阶段：使用公式(A)中的嵌入式单片机PID控温算法对后期阶段进行温度的控制，最终确定目标温度为267℃，嵌入式单片机PID参数为Kp＝16，Ki＝0.31，Kd＝400。
所述小范围热源钢板11悬空固定于固定支架13上，大范围热源钢板12直接放置在固定支架13的底座上。
所述圆柱形加热棒24为若干根，若干根圆柱形加热棒可放置于对应的热源钢板的相应孔洞中，所述孔洞优选为圆柱形孔洞；所述圆柱形加热棒24包括5根直径6mm、长60mm、额定电压220V、额定功率120W的圆柱形加热棒和8根直径8mm、长80mm、额定电压220V、额定功率240W的圆柱形加热棒，所有圆柱形加热棒可放置于对应的热源钢板的相应孔洞中，所述孔洞优选为圆柱形孔洞；进一步地，所述圆柱形加热棒24插入对应的热源钢板的相应孔洞时利用导热硅脂填充空隙。
所述小范围热源钢板11优选尺寸为长500mm、宽100mm、厚10mm，优选材质为Q235B钢；所述小范围热源钢板11其中一个500mm×10mm侧面处沿中心分布有5个相同的圆柱形孔洞，孔洞深60mm，孔洞直径为6mm，相邻孔洞圆心距为12mm，5个孔洞圆心距小范围热源钢板一个500mm×100mm面均为4mm、距小范围热源钢板另一个500mm×100mm面为6mm，每个孔洞都可插入一根直径6mm、长60mm的圆柱形加热棒24；小范围热源钢板11能够实现温度的不均匀分布。
所述大范围热源钢板12尺寸为长200mm、宽200mm、厚10mm，材质为Q235B钢；所述大范围热源钢板12的四个200mm×10mm侧面处沿中心各分布有2个相同的圆柱形孔洞，孔洞深80mm，孔洞直径为8mm，相邻孔洞圆心距为16mm，所有8个孔洞圆心距大范围热源钢板正面5mm、所述正面为200mm×10mm面，每个孔洞都可插入一根直径8mm、长80mm的圆柱形加热棒；大范围热源钢板12能够实现温度分布均匀。
所述小范围热源钢板11悬挂于固定支架13上，大范围热源钢板12水平放置于固定支架13的底座上；优选小范围热源钢板11竖直悬挂于固定支架13上。
所述小范围热源钢板11优选通过金属条111悬挂固定在固定支架13上，小范围热源钢板11正上方的金属条111和小范围热源钢板11之间根据需要可选择通过角码114连接；进一步地，小范围热源钢板11与金属条111之间、小范围热源钢板11与角码114之间均利用聚醚醚酮材质的螺丝112、螺母和垫片113连接固定；聚醚醚酮材质的螺丝112、螺母和垫片113可以有效避免小范围热源钢板11热量沿金属条111或角码114散失；金属条111与角码114之间利用普通螺丝115和普通螺母116固定连接。
所述加热系统2包括固态继电器22、嵌入式单片机23、圆柱形加热棒24、热电偶26、测温模块25；其中，嵌入式单片机23的电输入端与具有对应输出电压的直流电源28相连，满足嵌入式单片机23的正常开机与运行要求；热电偶26与对应的测温模块25相连，测温模块25的对应引脚分别与接地端27、嵌入式单片机23的3.3V输出电压接口231、嵌入式单片机23的SPI接口232连接，满足热电偶26的测温信息能够输出至嵌入式单片机23；所述圆柱形加热棒24为若干根，若干根圆柱形加热棒24连接在固态继电器22一侧，若干根圆柱形加热棒24之间相互并联，220V交流电源21连接在固态继电器22另一侧，固态继电器22的对应引脚分别与接地端27、嵌入式单片机23的PWM接口233连接，满足固态继电器22对圆柱形加热棒24的电流控制并能接收到嵌入式单片机23发送来的信号；个人电脑3与嵌入式单片机23相连，满足对嵌入式单片机23内程序的烧写及修改。
所述嵌入式单片机23根据热电偶26测温结果，通过所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法输出结果传至固态继电器22，固态继电器22控制圆柱形加热棒24电流，进而实现圆柱形加热棒24在不同升温模式下加热对应的热源钢板。
本发明适用于对用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤的测温性能进行测试；本发明能够实现大范围热源下分布式光纤测温性能测试和小范围热源下分布式光纤测温性能测试。
所述大范围热源下分布式光纤测温性能测试，用于大范围热源下模拟硫化腐蚀氧化自热分布式光纤测温测试，具体包括如下步骤：
1)取一段大于光纤空间分辨率长度的分布式光纤，绕成一个半径大于光纤自身弯曲半径的圆并固定在大范围热源钢板12上；
2)大范围热源钢板12的温度分布均匀，固定在大范围热源钢板12上的分布式光纤测量的温度均为同一数值，即此时分布式光纤测温长度大于光纤空间分辨率；
3)将热电偶26固定于大范围热源钢板12的中心，热电偶26与对应的测温模块25、嵌入式单片机23相连，将大范围热源钢板12中的圆柱形加热棒24连接固态继电器22，将固态继电器22与嵌入式单片机23相连，嵌入式单片机23与个人电脑3相连；
4)打开嵌入式单片机23，编辑并烧录所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法，确认大范围热源钢板12中的圆柱形加热棒24稳定插入、且测试平台处于安全状态下，开启固态继电器22电源并在嵌入式单片机23上运行所述升温算法；
5)当升温模式程序运行结束，关闭固态继电器电源，关闭嵌入式单片机23，待大范围热源钢板12冷却后将分布式光纤取下，通过分布式光纤测温主机返回的数据与嵌入式单片机23传输回的数据进行比对，分析大范围热源下分布式光纤测温性能。
所述小范围热源下分布式光纤测温性能测试，用于小范围热源下模拟硫化腐蚀氧化自热分布式光纤测温测试，具体包括如下步骤：
1)将分布式光纤沿水平方向拉直固定于小范围热源钢板中心线上，小范围热源钢板的温度分布极不均匀，温度从中间圆柱形加热棒24附近向两边大幅度降低，固定在小范围热源钢板11上的分布式光纤各点测量的温度均不相同，即此时分布式光纤实际测温长度小于光纤空间分辨率，小范围热源钢板上中心热源的宽度根据实际插入圆柱形加热棒24的数量而改变；
2)将热电偶26固定于小范围热源钢板11中心，热电偶26与对应测温模块25、嵌入式单片机23相连；
3)将小范围热源钢板中的圆柱形加热棒24连接固态继电器22，将固态继电器22与嵌入式单片机23相连，嵌入式单片机23与个人电脑3相连；
4)打开嵌入式单片机23，编辑并烧录所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法，确认大范围热源钢板11中的圆柱形加热棒24稳定插入、且测试平台处于安全状态下，开启固态继电器22电源并在嵌入式单片机23上运行所述升温算法；
5)当升温模式程序运行结束，关闭固态继电器电源，关闭嵌入式单片机23，待小范围热源钢板11冷却后将光纤取下，通过分布式光纤测温主机返回的数据与嵌入式单片机23传输回的数据进行比对，分析小范围热源下模拟硫化腐蚀氧化自热分布式光纤测温性能。
本发明对分布式光纤在储罐测温应用中存在的问题提供了研究手段，以及对该应用场景下分布式光纤性能指标提供了可靠的测试方法；本发明用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置将待测试的分布式光纤直接贴敷于钢板表面测量热源温度，返回的测量值用于对分布式光纤系统的测温性能进行评估分析，具有结构简单、测试范围广、工程适用性强、灵活性高等优点。
实施例1
一种模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法的具体过程如下：
所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法为一种分为三个阶段的嵌入式单片机PID控温算法；
一般嵌入式单片机PID控温算法(比例-积分-微分)，由比例控制P、积分控制I和微分控制D组成，在实际的应用过程中为了方便计算做出以下的调整：
其中，Kp为比例单元增益，Ki为积分单元增益，Kd为微分单元增益，T为嵌入式单片机23的采样频率，u(t)为嵌入式单片机PID计算的输出大小，e(t)为目标设定温度和实际测量温度的差值；为了方便温度数据的采集，热电偶26连接测温模块25获取温度，并通过SPI通信方式将温度数据传输至嵌入式单片机23上，设置采样频率为1s。
本实施例使用嵌入式单片机23的PWM控制圆柱形加热棒24的输出量，PWM为脉冲宽度调制，利用嵌入式单片机23的数字输出实现对模拟电路的控制；本实施例中利用PWM输出占比值实现控制圆柱形加热棒24的功率输出大小，具体实现如下：
其中u(t)为嵌入式单片机PID计算输出大小，10000为嵌入式单片机23设置PWM计数周期，嵌入式单片机PID计算值越大则圆柱形加热棒24输出功率越大。
在整个嵌入式单片机PID整定过程中比例控制为了控制温升速率；积分控制为了消除稳态误差，即温度系统达到稳定温度时，当前温度与目标温度的差值；微分控制为了减少超调量，即温度过冲。
由于外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热升温的过程已得到充分研究，升温规律为固定的三阶段变化；本发明以前人研究中的升温规律为基础，为实现对外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热升温的模拟，本发明将所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法分为三个阶段，应对三个阶段设定不同的嵌入式单片机PID控温算法，三个阶段分别为早期阶段、中期阶段、后期阶段：
1)早期阶段：早期阶段的硫化腐蚀氧化自热温度是从常温下上升至80℃，且达到80℃的时间为61s；依照嵌入式单片机PID控制算法的特性，通过调节嵌入式单片机PID的参数，实现61s从常温上升至80℃；由于温控系统必然存在温度过冲现象，结合早期硫化腐蚀温度从70℃开始温升速率慢慢变低，因此设置控制温度为70℃，并保证温度过冲刚好达到80℃左右；以室温为23℃为例，早期的嵌入式单片机PID参数为Kp＝70，Ki＝4.7，Kd＝410。如果环境常温改变，则相应的嵌入式单片机PID参数也要重新整定,整定方法如下:先通过调节比例单元增益确定大概的温升速率再调节积分单元增益和微分单元增益，调节过程中积分单元增益和微分单元增益会相互影响，如果积分单元增益过大，则温升速率提高，超调量会增大，稳态误差减小，时间就会减少；如果微分单元增益过大，温升速率减小，超调量会相应减少，时间会增长；按照这个规律调节参数，最终确定目标温度为70℃，早期的嵌入式单片机PID参数为Kp＝70，Ki＝4.7，Kd＝410；
2)中期阶段：中期阶段硫化腐蚀氧化自热的温度变化经历了由80℃下降到72.3℃再上升到85℃的过程，其中80℃下降到72.3℃所用的时间为111s，72.3℃再上升到85℃所用的时间为89s；由于圆柱形加热棒24的功率比较大，中期阶段的温度变化情况较小，用嵌入式单片机PID很难实现中期阶段的温度变化速率，因此改用纯积分嵌入式单片机23实现中期阶段，如公式(C)：
具体实现如下：将降温和升温分为两段，当早期阶段达到80℃时，此时u(t)仍存在输出，直接以此时u(t)作为中期阶段输出的初值，设定为u(t1)；以达到最低温度72.3℃时的稳定的u(t)输出作为降温的终值，设定为u(t2)；达到中期最高温度85℃时稳定的u(t)输出作为升温终值，设定为u(t3)；重新设定降温和升温的积分单元增益Ki，来确定累计的误差值即
的值；在降温过程中，积分单元增益Ki设定越小，u(t1)和u(t2)不变的情况下，累计误差
和
就越大，
与
之差就越大，降温过程e(t)＜0,且变化较小，那么温度变化速率就会越慢；同理升温也是如此。
由上述规律，先设定目标温度72.3℃，Ki＝0.23，
当温度达到72.5℃时(此时u(t)＝2850)，再设定目标温度85℃，Ki＝0.3，
3)后期阶段：后期的硫化腐蚀氧化温度变化经历了由85℃到286.2℃，时间为426s；由于温升速率比较快，所以考虑使用嵌入式单片机PID即第一阶段的方法对第三阶段进行温度的控制，最终确定目标温度为267℃，嵌入式单片机PID参数为Kp＝16，Ki＝0.31，Kd＝400。
Claims (10)
1.一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是包括储罐壁模拟装置（1），加热系统（2）；所述储罐壁模拟装置（1）包括热源钢板和固定支架（13）；所述热源钢板包括小范围热源钢板（11）和大范围热源钢板（12），小范围热源钢板（11）和大范围热源钢板（12）上均分布有孔洞；所述加热系统（2）包括嵌入式单片机（23）、固态继电器（22）、热电偶（26）、测温模块（25）、圆柱形加热棒（24）；圆柱形加热棒（24）用于插入到对应热源钢板上的孔洞中；所述嵌入式单片机（23）内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法；
所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法为嵌入式单片机PID控温算法，所述嵌入式单片机PID控温算法如公式（A）所示:
其中，
为比例单元增益，
为积分单元增益，
为微分单元增益，
为嵌入式单片
机（23）的采样频率，
为嵌入式单片机PID计算的输出大小，
为目标设定温度和实
际测量温度的差值；所述热电偶（26）连接测温模块（25）获取温度，并通过SPI通信方式将温
度数据传输至嵌入式单片机（23）上，设置嵌入式单片机（23）的采样频率为1s；工作时，使用
嵌入式单片机（23）的PWM控制圆柱形加热棒（24）的输出量，PWM为脉冲宽度调制，利用嵌入
式单片机（23）的数字输出实现对模拟电路的控制，利用PWM输出占比值实现控制圆柱形加
热棒（24）的功率输出大小；
所述分布式光纤性能测试装置用于实现大范围热源下分布式光纤测温性能测试和小范围热源下分布式光纤测温性能测试；
所述大范围热源下分布式光纤测温性能测试，具体包括如下步骤：
1）取一段大于光纤空间分辨率长度的分布式光纤，绕成一个半径大于光纤自身弯曲半径的圆并固定在大范围热源钢板（12）上；
2）大范围热源钢板（12）的温度分布均匀，固定在大范围热源钢板（12）上的分布式光纤测量的温度均为同一数值，此时分布式光纤测温长度大于光纤空间分辨率；
所述小范围热源下分布式光纤测温性能测试，具体包括如下步骤：
1）将分布式光纤沿水平方向拉直固定于小范围热源钢板中心线上，小范围热源钢板的温度分布极不均匀，温度从中间圆柱形加热棒（24）附近向两边大幅度降低，固定在小范围热源钢板（11）上的分布式光纤各点测量的温度均不相同，即此时分布式光纤实际测温长度小于光纤空间分辨率，小范围热源钢板上中心热源的宽度根据实际插入圆柱形加热棒（24）的数量而改变。
2. 根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述利用PWM输出占比值实现控制圆柱形加热棒（24）的功率输出大小，具体实现如下公式（B）所示：
其中
为嵌入式单片机PID计算输出大小，10000为嵌入式单片机（23）设置PWM计数
周期；
所述嵌入式单片机PID控温算法分为三个阶段使用，所述三个阶段分别为早期阶段、中期阶段、后期阶段：
1)早期阶段：以室温为23℃，公式（1）中的嵌入式单片机PID参数为
=70，
=4.7，
=410；如果环境常温改变，则相应的嵌入式单片机PID参数也要重新整定,整定方法如
下:先通过调节比例单元增益确定大概的温升速率再调节积分单元增益和微分单元增益；
2）中期阶段：将公式（A）改用纯积分控制嵌入式单片机（23）实现中期阶段，如公式（C）：
当早期阶段达到80℃时，此时
仍存在输出，直接以此时
作为中期阶段输出
的初值，设定为
；以达到最低温度72.3℃时的稳定的
输出作为降温的终值，设定
为
；达到中期最高温度85℃时稳定的
输出作为升温终值，设定为
；先设定
目标温度72.3℃，
=0.23，
；当温度达到72.5℃时，此时
=
2850，再设定目标温度85℃，
=0.3，
；
3）后期阶段：使用公式（A）中的嵌入式单片机PID控温算法对后期阶段进行温度的控
制，最终确定目标温度为267℃，嵌入式单片机PID参数为
=16，
=0.31，
=400。
3.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述小范围热源钢板（11）悬空固定于固定支架（13）上，大范围热源钢板（12）直接放置在固定支架（13）的底座上。
4.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述圆柱形加热棒（24）包括5根直径6mm、长60mm、额定电压220V、额定功率120W的圆柱形加热棒和8根直径8mm、长80mm、额定电压220V、额定功率240W的圆柱形加热棒，所有圆柱形加热棒可放置于对应的热源钢板的相应孔洞中；所述孔洞为圆柱形孔洞；所述圆柱形加热棒（24）插入对应的热源钢板的相应孔洞时利用导热硅脂填充空隙。
5.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述小范围热源钢板（11）尺寸为长500mm、宽100mm、厚10mm，材质为Q235B钢；所述小范围热源钢板（11）其中一个500mm×10mm侧面处沿中心分布有5个相同的圆柱形孔洞，孔洞深60mm，孔洞直径为6mm，相邻孔洞圆心距为12mm，5个孔洞圆心距小范围热源钢板一个500mm×100mm面均为4mm、距小范围热源钢板另一个500mm×100mm面为6mm，每个孔洞都可插入一根直径6mm、长60mm的圆柱形加热棒（24）。
6. 根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述大范围热源钢板（12）尺寸为长200mm、宽200mm、厚10mm，材质为Q235B钢；所述大范围热源钢板（12）的四个200mm×10mm侧面处沿中心各分布有2个相同的圆柱形孔洞，孔洞深80mm，孔洞直径为8mm，相邻孔洞圆心距为16mm，所有8个孔洞圆心距大范围热源钢板正面5mm、所述正面为200mm×10mm 面，每个孔洞都可插入一根直径8mm、长80mm的圆柱形加热棒。
7.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述小范围热源钢板（11）通过金属条（111）悬挂固定在固定支架（13）上，小范围热源钢板（11）正上方的金属条（111）和小范围热源钢板（11）之间通过角码（114）连接；小范围热源钢板（11）与金属条（111）之间、小范围热源钢板（11）与角码（114）之间均利用聚醚醚酮材质的螺丝（112）、螺母和垫片（113）连接固定。
8.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述嵌入式单片机（23）的电输入端与具有对应输出电压的直流电源（28）相连，满足嵌入式单片机（23）的正常开机与运行要求；热电偶（26）与对应的测温模块（25）相连，测温模块（25）的对应引脚分别与接地端（27）、嵌入式单片机（23）的3.3V输出电压接口（231）、嵌入式单片机（23）的SPI接口（232）连接，满足热电偶（26）的测温信息能够输出至嵌入式单片机（23）；所述圆柱形加热棒（24）为若干根，若干根圆柱形加热棒（24）连接在固态继电器（22）一侧，若干根圆柱形加热棒（24）之间相互并联，220V交流电源（21）连接在固态继电器（22）另一侧，固态继电器的对应引脚分别与接地端（27）、嵌入式单片机（23）的PWM接口（233）连接，满足固态继电器（22）对圆柱形加热棒（24）的电流控制并能接收到嵌入式单片机（23）发送来的信号；个人电脑（3）与嵌入式单片机（23）相连，满足对嵌入式单片机（23）内程序的烧写及修改；所述嵌入式单片机（23）根据热电偶（26）测温结果，通过所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法将算法计算结果传至固态继电器（22），固态继电器（22）控制圆柱形加热棒（24）电流，进而实现圆柱形加热棒（24）在不同升温模式下加热对应的热源钢板。
9.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述大范围热源下分布式光纤测温性能测试，具体还包括如下步骤：
3）将热电偶（26）固定于大范围热源钢板（12）的中心，热电偶（26）与对应的测温模块（25）、嵌入式单片机（23）相连，将大范围热源钢板（12）中的圆柱形加热棒（24）连接固态继电器（22），将固态继电器（22）与嵌入式单片机（23）相连，嵌入式单片机（23）与个人电脑（3）相连；
4）打开嵌入式单片机（23），编辑并烧录所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法，确认大范围热源钢板（12）中的圆柱形加热棒（24）稳定插入、且测试平台处于安全状态下，开启固态继电器（22）电源并在嵌入式单片机（23）上运行所述升温算法；
5）当升温模式程序运行结束，关闭固态继电器电源，关闭嵌入式单片机（23），待大范围热源钢板（12）冷却后将分布式光纤取下，通过分布式光纤测温主机返回的数据与嵌入式单片机（23）传输回的数据进行比对，分析大范围热源下分布式光纤测温性能。
10.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述小范围热源下分布式光纤测温性能测试，具体还包括如下步骤：
2）将热电偶（26）固定于小范围热源钢板（11）中心，热电偶（26）与对应测温模块（25）、嵌入式单片机（23）相连；
3）将小范围热源钢板中的圆柱形加热棒（24）连接固态继电器（22），将固态继电器（22）与嵌入式单片机（23）相连，嵌入式单片机（23）与个人电脑（3）相连；
4）打开嵌入式单片机（23），编辑并烧录所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法，确认大范围热源钢板（11）中的圆柱形加热棒（24）稳定插入、且测试平台处于安全状态下，开启固态继电器（22）电源并在嵌入式单片机（23）上运行所述升温算法；
5）当升温模式程序运行结束，关闭固态继电器电源，关闭嵌入式单片机（23），待小范围热源钢板（11）冷却后将光纤取下，通过分布式光纤测温主机返回的数据与嵌入式单片机（23）传输回的数据进行比对，分析小范围热源下模拟硫化腐蚀氧化自热分布式光纤测温性能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110312997.4A CN113188684B (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110312997.4A CN113188684B (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113188684A CN113188684A (zh) | 2021-07-30 |
| CN113188684B true CN113188684B (zh) | 2022-10-21 |
Family
ID=76973737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110312997.4A Active CN113188684B (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113188684B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115856584B (zh) * | 2023-01-05 | 2023-11-14 | 法特迪精密科技（苏州）有限公司 | 片上芯片高温老化测试插座 |
| CN116990219B (zh) * | 2023-09-22 | 2023-11-24 | 江苏德励达新材料股份有限公司 | 一种聚氨酯板材稳定性取样检测装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203772488U (zh) * | 2014-03-18 | 2014-08-13 | 中国海洋石油总公司 | 基于分布式光纤测温方法的lng储罐泄漏及冷却温度监测系统 |
| KR101498386B1 (ko) * | 2013-10-28 | 2015-03-03 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템 |
| CN104390724A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-03-04 | 杭州欧忆光电科技有限公司 | 浮顶油罐测温装置 |
| CN207850563U (zh) * | 2018-03-02 | 2018-09-11 | 中国成达工程有限公司 | 熔盐储罐测温及泄漏检测装置 |
| CN110274623A (zh) * | 2018-03-13 | 2019-09-24 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于外浮顶储罐浮盘状态的监测装置及外浮顶储罐浮盘 |
-
2021
- 2021-03-24 CN CN202110312997.4A patent/CN113188684B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101498386B1 (ko) * | 2013-10-28 | 2015-03-03 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템 |
| CN203772488U (zh) * | 2014-03-18 | 2014-08-13 | 中国海洋石油总公司 | 基于分布式光纤测温方法的lng储罐泄漏及冷却温度监测系统 |
| CN104390724A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-03-04 | 杭州欧忆光电科技有限公司 | 浮顶油罐测温装置 |
| CN207850563U (zh) * | 2018-03-02 | 2018-09-11 | 中国成达工程有限公司 | 熔盐储罐测温及泄漏检测装置 |
| CN110274623A (zh) * | 2018-03-13 | 2019-09-24 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于外浮顶储罐浮盘状态的监测装置及外浮顶储罐浮盘 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113188684A (zh) | 2021-07-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113188684B (zh) | 一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置 | |
| CN103616410B (zh) | 一种气体的化学溶剂吸收与解吸反应热测量装置 | |
| CN103776702B (zh) | 一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置及方法 | |
| CN203705376U (zh) | 一种鉴定硫化矿石自燃倾向性的装置 | |
| CN108051105B (zh) | 一种研究变压器绕组温度分布的实验装置 | |
| CN104833888B (zh) | 加热电缆冷热循环寿命测试设备及测试方法 | |
| CN112129415B (zh) | 一种基于温度动态校准的变电站红外测温装置及方法 | |
| JP6664194B2 (ja) | 石炭昇温予測管理システム | |
| CN111460706A (zh) | 高压交流gil管廊在线监测及温度状态判别方法、系统及其存储介质 | |
| CN201740385U (zh) | 母线槽垂直燃烧试验装置 | |
| EP2898268A1 (en) | Flame instability monitoring with draft pressure and process variable | |
| CN205160472U (zh) | 光伏检测的装置 | |
| CN108519406B (zh) | 一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法 | |
| CN101893376B (zh) | 母线槽垂直燃烧试验装置 | |
| CN117329867A (zh) | 一种窑炉的监控方法、装置、电子设备及存储介质 | |
| CN108227673A (zh) | 一种预测塞拉门控制器寿命的评估方法 | |
| CN107860971A (zh) | 理论温度场模拟的配电表箱老化分析方法 | |
| EP3169961B1 (en) | Furnace cooling panel monitoring system | |
| CN1609741A (zh) | 隧道炉多点温度的解耦控制方法 | |
| CN205288466U (zh) | 光谱仪恒温装置及安装有该装置的紫外烟气分析仪 | |
| CN105004756B (zh) | 烧嘴火焰强度测定方法及装置 | |
| CN216247651U (zh) | 一种用于腐蚀研究及防腐措施效果评价的小型实验装置 | |
| CN103225882A (zh) | 基于导热油的烟气余热回收装置的预警与控制系统及方法 | |
| CN211856417U (zh) | 一种含能材料产品用多温区热烤试验装置 | |
| CN210513554U (zh) | 一种制冷剂模拟泄漏试验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |