CN202485639U - 基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统 - Google Patents
基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,通过在待监测球罐表面关键部位安装光纤光栅传感器,实现了对球罐的健康状况实时监测;而且,还具有监测精度高和抗干扰能力强的优点;另外,光纤光栅传感器采集到的数据通过网络上传给计算机,通过对数据进行分析,实现识别和诊断球罐的损伤情况,因此,本实用新型实现了对球罐的实时在线监测与诊断,为保障球罐的安全运行提供了科学依据。
Description
技术领域
本实用新型属于球罐健康监测技术领域,具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统。
背景技术
球罐为一种钢制容器设备,在石油炼制工业和石油化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。
由于球罐在使用过程中,受内部压力和外界环境的影响,会逐渐出现一些危险部位,例如:因裂缝扩展、塑性变形或相变等现象而增加球罐泄漏的危险性,所以,为保证球罐的安全使用,常常需要对球罐进行健康检测。
现有球罐健康检测方法一般包括以下两类:(一)人工直接目测检查:即:通过肉眼直接观察球罐表面的外观,从而判断球罐是否存在危险部位。该方法存在的主要缺陷为:一方面,需要具有丰富经验的人员才能进行目测检查,从而限制了其应用;另一方面,人工目测检查通常只能对球罐的健康状况给出定性结论,无法量化,而且,对球罐健康状况的结论主观性较强,难以对球罐健康状况做出精确的评价。(二)采用便携式仪器监测球罐的健康状况:即,当需要监测球罐的健康状况时,在球罐表面安装某一检测仪器,从而检测球罐的健康状况。该种方法存在的主要缺陷为:实时性差,无法对球罐的健康状况进行长期有效的监测。
实用新型内容
针对现有技术存在的缺陷,本实用新型提供一种基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,由于采用光纤光栅传感技术,可以对球罐的健康状况实时监测,并且,还具有监测精度高和抗干扰能力强的优点。
本实用新型采用的技术方案如下:
本实用新型提供一种基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,包括:第一信号耦合器、宽带光源、第二信号耦合器、匹配光栅阵列、光电转换模块、放大器、A/D转换电路、嵌入式信号处理控制器、计算机和安装在待监测球罐表面关键部位的传感光纤光栅阵列;其中,所述第一信号耦合器的第一端与所述宽带光源连接,所述第一信号耦合器的第二端与所述传感光纤光栅阵列连接,所述第一信号耦合器的第三端与所述第二信号耦合器连接,所述第二信号耦合器的第一端与所述匹配光栅阵列连接,所述第二信号耦合器的第二端与所述嵌入式信号处理控制器的第一端之间依次连接所述光电转换模块、所述放大器和所述A/D转换电路;所述嵌入式信号处理控制器的第二端与所述计算机连接。
优选的,还包括:D/A转换模块;所述嵌入式信号处理控制器的第三端与所述D/A转换模块的输入端连接,所述D/A转换模块的输出端与所述匹配光栅阵列连接。
优选的,所述嵌入式信号处理控制器为FPGA或DSP。
优选的,所述匹配光栅阵列为具有压电陶瓷的匹配光栅阵列。
优选的,所述传感光纤光栅阵列包括:一个以上光纤光栅传感器;各个所述光纤光栅传感器通过光纤串联。
优选的,所述光纤光栅传感器包括自温补光纤光栅应变传感器和/或光纤加速度传感器。
优选的,所述待监测球罐表面关键部位包括所述待监测球罐的焊缝处、所述待监测球罐的母材处和所述待监测球罐的支腿处中的一种或几种。
优选的,所述传感光纤光栅阵列通过焊接的方式直接焊在所述待监测球罐表面关键部位处和/或所述传感光纤光栅阵列通过磁吸附的方式固定在所述待监测球罐表面关键部位处。
本实用新型的有益效果如下:
通过使用本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,通过在待监测球罐表面关键部位安装光纤光栅传感器,实现了对球罐的健康状况实时监测;而且,还具有监测精度高和抗干扰能力强的优点;另外,光纤光栅传感器采集到的数据通过网络上传给计算机,通过对数据进行分析,实现识别和诊断球罐的损伤情况,因此,本实用新型实现了对球罐的实时在线监测与诊断,为保障球罐的安全运行提供了科学依据。
附图说明
图1为本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统进行详细说明。
如图1所示,为本实用新型实施例提供的一种基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,包括:第一信号耦合器、宽带光源、第二信号耦合器、匹配光栅阵列、光电转换模块、放大器、A/D转换电路、嵌入式信号处理控制器、计算机和安装在待监测球罐表面关键部位的传感光纤光栅阵列;其中,所述第一信号耦合器的第一端与所述宽带光源连接,所述第一信号耦合器的第二端与所述传感光纤光栅阵列连接,所述第一信号耦合器的第三端与所述第二信号耦合器连接,所述第二信号耦合器的第一端与所述匹配光栅阵列连接,所述第二信号耦合器的第二端与所述嵌入式信号处理控制器的第一端之间依次连接所述光电转换模块、所述放大器和所述A/D转换电路;所述嵌入式信号处理控制器的第二端与所述计算机连接。另外,还包括:D/A转换模块;所述嵌入式信号处理控制器的第三端与所述D/A转换模块的输入端连接,所述D/A转换模块的输出端与所述匹配光栅阵列连接。其中,嵌入式信号处理控制器为FPGA或DSP。匹配光栅阵列可以为具有压电陶瓷的匹配光栅阵列。传感光纤光栅阵列包括:一个以上光纤光栅传感器;各个所述光纤光栅传感器通过光纤串联。
本实用新型中,传感光纤光栅阵列可以通过焊接的方式直接焊在所述待监测球罐表面关键部位处和/或所述传感光纤光栅阵列可以通过磁吸附的方式固定在所述待监测球罐表面关键部位处。其中,待监测球罐表面关键部位包括待监测球罐的焊缝处、待监测球罐的母材处和待监测球罐的支腿处中的一种或几种。
本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统采用匹配光栅解调法对光纤光栅传感网络信息进行解调,其工作原理如图1所示:宽带光源BBS发出的光经过第一信号耦合器入射到传感光纤光栅阵列,只有满足Bragg条件的光才被反射回来,经过第一信号耦合器和第二信号耦合器后进入匹配光栅阵列,通过在匹配光栅阵列的压电陶瓷上施加锯齿波扫描电压信号,调节匹配光栅阵列的中心波长而使其在一定范围内变化。当匹配光栅阵列的反射谱峰与传感光纤光栅阵列的反射谱峰重合时,经过匹配光栅阵列反射的光强最大,此反射光汇聚到光电转换模块上,光电转换模块将其转换为相应的电信号,经放大器放大和A/D转换电路转换后,通过嵌入式信号处理控制器控制实时采集此电压信号并找出其最大值,此最大值即为经过匹配光栅阵列反射后所对应的最大光强。同时根据此最大值可以确定施加在匹配光栅阵列上相对应的电压值,再根据反射谱峰值波长和扫描电压的关系,便可得出传感光纤光栅阵列受外界物理量影响后波长漂移量,最后根据传感器外界物理量与波长的编码关系式即可计算出待测物理量应变、振动等的大小。在上述过程中,在匹配光栅阵列的压电陶瓷上施加锯齿波扫描电压信号是由嵌入式信号处理控制器控制的。
另外,本实用新型中,光纤光栅传感器包括自温补光纤光栅应变传感器和光纤加速度传感器。下面对这两类传感器分别介绍:
(1)自温补光纤光栅应变传感器
自温补光纤光栅应变传感器是针对大型球罐应变监测而开发的。采用了独有的温度自补偿技术及应变增敏技术,具有较高的测量分辨率、测量精度和优良的温度补偿能力。其技术性能参数如表1所示。
表1自温补光纤光栅应变传感器性能参数
(2)光纤加速度传感器
光纤加速度传感器用于实时监测大型球罐的加速度响应,从而评估大型球罐的整体动力特性,为评价大型球罐的结构健康与安全状况、验证设计理论以及日常运营管理提供依据。其主要性能参数如表2所示。
表2光纤加速度传感器性能参数
项目 | 单位 | 参数值 |
量程 | g | 1 |
分辨率 | ug | 50 |
频响范围 | Hz | 0~1000 |
工作温度 | ℃ | -50~120 |
本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统中除光纤光栅传感器之外的模块也可以被共同称为结构健康监测解调仪,结构健康监测解调仪适用于光纤光栅温度、应变、压力、位移等多种类型的光纤光栅传感器信号解调和传感数据动态采集,也可用于光纤加速度传感器的高速信号解调及数据采集。
该结构健康监测解调仪采用扫描激光器与并行光谱探测技术,其中,光源输出光功率利用率高达85%以上,相比传统的ASE+可调滤波器技术,光源输出功率提高了100倍以上,电源功耗则下降50%,光源有效使用寿命提高10年以上)。其重要性能指标如表3所示。
表3结构健康监测解调仪基本参数
本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,在大型球罐上安装的具体实施办法如下:
(一)大型球罐监测点的选择
在实际应用过程中,针对大型球罐金属结构特点和现场运行环境,根据大型球罐的整体应力分布状况选择合适的布置位置。该监测包括应力监测和加速度监测,应力监测对大型球罐的焊缝处、母材和支腿处进行监测,加速度监测主要对大型球罐的支腿进行监测。光纤光栅传感器的布置如下:
(1)应力监测传感器的安装位置
a)球壳壳体典型焊缝处,包括上、下温带焊缝、赤道带焊缝、上下小环焊缝、上下极板拼接缝和支柱与球壳连接最低处。
b)球壳母材,包括赤道带母材和上下极板母材。
c)支腿
(2)加速度监测传感器的安装位置
在球罐的四个支腿上对称安装4只光纤振动传感器,用于对支腿结构振动进行在线监测。
(二)光纤光栅传感器的安装和数据传输
采用焊接机将光纤光栅传感器直接安装在测点表面,并罩防护盒,防止恶劣环境对光纤光栅传感器的损伤。
(三)信号传输部分
多个相同或不同类型光纤光栅传感器串接在一根光纤上,不同长度的光纤通过熔接进行连接。光纤光栅传感器通过光纤与结构健康监测解调仪连接,光缆由镀锌管保护。
(四)结构健康监测解调仪
结构健康监测解调仪作用是将光波长信号转变为电信号。结构健康监测解调仪输出的电信号通过网线送入计算机进行数据分析和处理。
(五)计算机
计算机内安装有球罐结构健康评估系统,从而实现对球罐结构的健康状况的评估。
具体的,球罐结构健康评估系统包括:设备风险管理模块、设备检验管理模块、设备健康监测模块和设备单位管理模块。
其中,设备风险管理模块主要是采用大型球罐的实时监测数据和风险评估理论方法,对大型球罐的动态风险进行分析与评估,并对风险进行排序,以实现对球罐的风险管理。
设备检验管理模块是将检验过的球罐的检测报告进行电子备案与分类。
设备健康监测模块是由分布式的数据采集、处理、控制及通信功能构成。对网络中的异常情况实时报警,利于网络的维护和管理。同时还包含对球罐的损伤进行识别与诊断,以实现对大型球罐的实时在线监测与诊断等。
设备单位管理模块是对大型球罐所属单位的信息采集与备案。便于管理机构对使用单位统一管理与检测。
本发明中,针对大型球罐健康监测系统的功能需求,设计软件系统结构,采用了先进的C/S结构,实现实时监测、实时处理和损伤预警,人机交互环境友好。一种具体的实现方式为:包括以下步骤:(一)设备风险管理模块首先确定大型球罐的风险值和重大危险源,(二)查询以往的球罐检验报告,找出易受损伤的部位和关键部位,制定监测计划,对大型球罐进行监测。第三,对大型球罐的重大危险源进行监测,对监测的实时数据进行分析和诊断。第四,对大型球罐所属单位的信息采集与备案,便于管理机构对使用单位统一管理与检测。
与传统的大型球罐检测手段相比,本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统具有如下特点:
(1)抗干扰能力强
传统的大型球罐应力测量受环境影响大,容易受电磁干扰。光纤光栅传感器本身为无源器件,传感信号的感测及传送均为光信号,因而监测现场没有电子设备,不受电磁干扰,无需做雷击防护。
(2)系统安装及长期使用过程中无需标定
传统的应力、加速度传感器检测需要进行标定。而光纤光栅采用光中心波长表征物理量测量值,属于数字量,光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中由于弯曲、扰动而引入的光信号衰减不影响测量精度,长期使用无需标定。
(3)长期性和高可靠性
传统的电阻应变片传感器使用寿命有限,只适合短期监测。而光纤光栅传感器和传输线路均为石英光纤,可在恶劣温湿度环境保持数十年工作寿命。
综上所述,通过使用本实用新型提供的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,通过在待监测球罐表面关键部位安装光纤光栅传感器,实现了对球罐的健康状况实时监测;而且,还具有监测精度高和抗干扰能力强的优点;另外,光纤光栅传感器采集到的数据通过网络上传给计算机,通过对数据进行分析,实现识别和诊断球罐的损伤情况,因此,本实用新型实现了对球罐的实时在线监测与诊断,为保障球罐的安全运行提供了科学依据。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,包括:第一信号耦合器、宽带光源、第二信号耦合器、匹配光栅阵列、光电转换模块、放大器、A/D转换电路、嵌入式信号处理控制器、计算机和安装在待监测球罐表面关键部位的传感光纤光栅阵列;其中,所述第一信号耦合器的第一端与所述宽带光源连接,所述第一信号耦合器的第二端与所述传感光纤光栅阵列连接,所述第一信号耦合器的第三端与所述第二信号耦合器连接,所述第二信号耦合器的第一端与所述匹配光栅阵列连接,所述第二信号耦合器的第二端与所述嵌入式信号处理控制器的第一端之间依次连接所述光电转换模块、所述放大器和所述A/D转换电路;所述嵌入式信号处理控制器的第二端与所述计算机连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,还包括:D/A转换模块;所述嵌入式信号处理控制器的第三端与所述D/A转换模块的输入端连接,所述D/A转换模块的输出端与所述匹配光栅阵列连接。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,所述嵌入式信号处理控制器为FPGA或DSP。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,所述匹配光栅阵列为具有压电陶瓷的匹配光栅阵列。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,所述传感光纤光栅阵列包括:一个以上光纤光栅传感器;各个所述光纤光栅传感器通过光纤串联。
6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,所述光纤光栅传感器包括自温补光纤光栅应变传感器和/或光纤加速度传感器。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,所述待监测球罐表面关键部位包括所述待监测球罐的焊缝处、所述待监测球罐的母材处和所述待监测球罐的支腿处中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的球罐健康监测系统,其特征在于,所述传感光纤光栅阵列通过焊接的方式直接焊在所述待监测球罐表面关键部位处和/或所述传感光纤光栅阵列通过磁吸附的方式固定在所述待监测球罐表面关键部位处。
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