CN219689333U - 一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于闭环在线监测系统的多次校准装置，包括多个加油枪和对应的气体流量计、上位机以及每个加油枪所需的油气泵；还包括气液比采集器、油气泵驱动板、加油机总气体流量计；气液比采集器与油气泵驱动板相连，通过输出不同的脉冲频率来控制油气泵驱动板的驱动能力；油气泵驱动板控制油气泵的转数。通过上位机对气液比采集器下发对应加油枪最新状态下的气液比数据，从而使气液比采集器内部自适应校准对应气体流量计的相关参数，使得整个在线监测系统的计算准确度得到提高；增加了总排气管的校准气体流量计，每次加油后可及时判断在线监测系统中的各个气体流量计是否存在异常现象，实时报警，从而得到及时的处理。

Description

一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置

技术领域

本实用新型涉及油气的回收和处理技术领域，尤其涉及基于闭环在线监测系统的多次校准装置。

背景技术

油气回收是节能环保型的新技术，运用油气回收技术回收油品在储运、装卸过程中排放的油气，防止油气挥发造成的大气污染，消除安全隐患，通过提高对能源的利用率，减小损益，从而获得较高的效益。其中在线监测系统为油气回收处理技术中必不可少的一环。目前常见的在线监测系统为开环在线监测，通过实验得到调节系数来控制对应加油机中油气泵的转速，从而使得每次加油抽取油气和汽油的比例(气液比)在1.0-1.2范围。该方法只能用于稳定条件下，若加油枪加油频率发生变化、油气管路堵塞或者流量计发生失真情况，该方法有着无法自适应调节，需人工重新校准甚至更换设备的缺陷。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种能够闭环控制油气泵的转速并进行多重校准的装置，以解决加油枪加油频率变化、油气管路堵塞或者流量计发生失真情况时无法自适应调节的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，包括多个加油枪和对应的气体流量计、上位机以及每个加油枪所需的油气泵；其特征在于，还包括气液比采集器、油气泵驱动板、加油机总气体流量计；所述加油机总管气体流量计设置在加油机与油罐的连接管路上；

所述气液比采集器与上位机通讯连接；所述气液比采集器与油气泵驱动板相连，通过输出不同的脉冲频率来控制油气泵驱动板的驱动能力；所述油气泵驱动板控制油气泵的转数。

进一步的，所述气液比采集器包括第一微控制器、通信模块、运放模块及脉冲输出模块；第一微控制器与运放模块连接，所述运放模块和气体流量计相连接，第一微控制器通过通信模块与上位机通信连接；所述脉冲输出模块由第一微控制器控制，输出脉冲给油气泵驱动板。

进一步的，所述油气泵驱动板包括第二微控制器、驱动电机模块；第二微控制器与驱动电机模块连接。

进一步的，所述油机总管气体流量计采用涡街气体流量计

进一步的，所述加油枪对应的气体流量计采用罗茨气体流量计。

进一步的，所述通讯模块采用RS485无线通讯模块。

进一步的，所述油气泵驱动板还包括光耦隔离模块，第二微控制器通过光耦隔离模块与气液比采集器进行信号的传输。

相比于现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型可通过上位机对气液比采集器下发对应加油枪最新状态下的气液比数据，从而使得气液比采集器内部自适应校准对应气体流量计的相关参数，从而使得整个在线监测系统的计算准确度得到提高；

增加了总排气管的校准气体流量计，每次加油后可及时判断在线监测系统中的各个气体流量计是否存在失真、异常现象，实时报警，从而得到及时的处理；

总之，本装置的结构完备，控制方便，自适应的闭环控制整个在线监测系统，当相关模块异常时会及时报警，从而让相关技术人员进行异常排查，使得整个系统能够长时间、高效率地持续运行。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构示意图；

图2是本实用新型的油气泵转数S和抽取气体体积V拟合曲线。

1-上位机，2-加油机，3-加油枪，4-气液比采集器，5-油气泵驱动板，6-罗茨气体流量计，7-涡街气体流量计，8-油气泵，9-油罐。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，多属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的基于闭环在线监测系统的多次校准装置包括多个加油枪和对应的气体流量计、上位机以及每个加油枪所需的油气泵，还包括气液比采集器、油气泵驱动板、加油机总管气体流量计；

如图1所示，气体流量计、油气泵、气液比采集器、油气泵驱动板都设置在加油机内，加油枪挂载在加油机上；上位机与气液比采集器通信连接；还包括用于存储汽油及其油气的油罐，驱动泵与外部的油罐连接，加油机总管气体流量计设置在该连接管路上。图上实线表示管路连接，虚线表示电连接。

加油枪主要用于给机动车加油，同时枪口含有进气口，使得机动车油箱中的油气被油气泵抽入油罐；本实施例中有4个加油枪；

上位机即在线监测主机，主要用于接收加油站内各个加油枪及其他设备的相关数据并显示上传；

气液比采集器主要用于采集气体流量计、加油频率及控制驱动泵控制板等方面，作为系统的控制采样模块；

驱动泵控制板主要用于接收数据采集器的信号频率从而控制相应的油气泵的转数，进行油气的抽取，作为泵的驱动板；

加油枪对应的气体流量计采用罗茨气体流量计，主要用于测量加油枪的抽气数据，其在振动环境中工作稳定，缺点是会受到气体中的固态杂质影响，因此适用于加油机内；

加油机总气体流量计采用涡街气体流量计，主要用于测量总管的气体数据，其对气体中固态杂质的影响小，缺点是很容易受到震动的影响，由此适用于总管附近，离泵这类干扰源距离远；

驱动泵主要为三相电机驱动，用于油气的抽取；

气液比采集器主要包括第一微控制器、通信模块、运放模块及脉冲输出模块；各个模块都由第一微控制器控制。

第一微控制器与运放模块连接，所述运放模块和气体流量计连接，第一微控制器通过通信模块与上位机通信连接，所述脉冲输出模块由第一微控制器控制输出脉冲给油气泵驱动板。

其中通信模块采用RS485通信模块，主要用于电平信号转换，从而使得第一微控制器和上位机正常通信，还用于调试或运营前校准流量计。运放模块主要将气体流量计的信号端信号进行放大、滤波等处理，然后再传入第一微控制器的接收引脚。第一微控制器首先将运放模块传过来的电压信号进行AD转换得到数字信号，进而计算出流量计的数据。第一微控制器还接收加油枪的脉冲信号，以及综合各种数据进行闭环算法、自校准算法的运行。加油枪的加油脉冲传输给第一微控制器后，第一微控制器输出脉冲给第二微控制器。

油气泵驱动板主要包括第二微控制器、驱动电机模块、光耦隔离模块；第二微控制器与驱动电机模块连接，第二微控制器直接通过信号输入引脚接收气液比采集器的脉冲信号。

其中驱动电机模块主要用于提升驱动能力以至于能很好的驱动油气泵电机。光耦隔离模块主要用于信号隔离，不直接接入到微控制引脚，通过光耦隔离模块进行加油枪加油脉冲信号的传输，使得第二微控制器受到干扰的影响降低。第二微控制器接收气液比采集器的脉冲信号，用于自适应调节输出PWM信号，输出的PWM信号到驱动电机模块来调节电机转速。

利用上述基于闭环在线监测系统的多次校准装置的控制方法，包含如下步骤：

S1、气液比采集器上电初始化，启动通信模块且监控各个加油枪的加油信号；油气泵驱动板上电初始化，配置好相关的驱动泵参数，等待气液比采集器的脉冲信号；

装置首次安装到加油机时，首先通过外部加油试验(即采用外部的检测仪器来检测气液比值)，得到每把加油枪的气液比值，并使用上位机下发当前每个加油枪对应的气液比值给气液比采集器；

S2、气液比采集器当接收到上位机下发的加油枪气液比数据时，进行流量计初次校准，主要通过本次加油试验加油枪的气液比值来对对应气体流量计的矫正系数进行计算并更新，使得对应加油枪的气体流量计的测量气体数据是准确的；

调节后气体流量计系数C＝(目标气液比/测试气液比)*C₁

C₁为外部加油试验测试时流量计系数；

例如：要求气液比范围应该在1.0-1.2；而第一次安装进行外部加油试验时测得加20L油气液比是0.8，此时流量计系数为C₁。那么则需要修改流量计系数使得气液比达到目标气液比1.0-1.2，比如目标气液比取1.1。此时气液比数据采集器接收到上位机给的气液比后，则调节气体流量计系数C＝(1.1/0.8)*C₁，完成气体流量计初始校准。若第一次安装外部加油试验时测得气液比在1.0-1.2范围内，则不调节气体流量计系数。

S3、在初次校准后，随着长时间的使用，加油机中的气体流量计会出现杂质损耗、老化衰减的问题，导致测得的数据不准，需要再次进行气体流量计参数校准。此时可通过多次定位判断加油枪对应的气体流量计是否存在异常问题，再对异常的流量计进行自校准。

本实用新型判断对应气体流量计是否异常的方法为：n把加油枪对应的气体流量计为L1-Ln，其单位时间测量气体数据为M1-Mn，总管气体流量计为L0，其单位时间测量气体数据为M0；则在加油机工作时，会有如下公式特征：

本实施例有4把加油枪，故上述公式应为：

当对应加油枪不工作时，M_i为0，i＝0，1，2....n；若上述公式连续5次加油都成立，则判定各个流量计属于正常状态，不需要处理；当上述公式不成立时，则表明存在气体流量计出现异常，需排查单把加油枪对应气体流量计是否存在问题。

当对应加油枪不工作时，M_i为0。若上述公式连续5次加油都成立，则证明该闭环控制系统中的各个流量计属于正常状态，不需要处理。当上述公式不成立时，则表明存在气体流量计出现异常，优先排查加油枪对应气体流量计是否存在问题。

下式为单把枪工作时的判断公式：

单把枪加油完毕后，将对应加油枪气体流量计的测得的气体体积M_i和总管气体流量计测得的气体体积M₀相比，观察是否满足上述公式(2)，若不满足上述公式则判断出对应加油枪的流量计存在问题，需重新校准。若逐个作比后，各加油枪结果比值都不在正常范围，则证明总管流量计存在异常，需重新校准。

对异常的气体流量计进行自校准的方法为：分别运行异常加油枪回路以及正常加油枪回路对应的油气泵t秒，得到相应的气体流量计的数据，更新异常的气体流量计系数，计算公式如下：

其中，Coef_unusual为异常气体流量计重新计算的系数，Coef_normal为正常气体流量计现有的系数，V_unusual为异常气体流量计t秒测得气体体积，V_normal为正常气体流量计t秒测得气体体积。本实施例中t＝10。

S4、气液比采集器每秒读取每个气体流量计的信号和加油枪的脉冲频率，当检测到某加油枪有加油脉冲输入时，计算对应加油枪气液比值，进行对应加油枪的气液比闭环控制；

所述气液比闭环控制采用的模糊PID算法，将当前计算得到的气液比值与预设的气液比目标值做差得到当前误差值，再根据误差值计算得到输出的脉冲频率；

计算公式为：

其中，k表示第k时刻，K_p、K_i和K_d分别代表比例系数，积分系数和微分系数，e(k)表示第k时刻计算得到的气液比值和气液比目标值的误差值，e(k-1)表示第k-1时刻实际气液比值和气液比目标值的误差值；OilFreq为此时加油的频率；u(k)则为k时刻PID算法的输出值。

S5、气液比采集器将得到的脉冲频率输出到油气泵驱动板，使油气泵驱动板实时调节对应加油枪的油气泵的转速，使得加油枪下次的气液比更趋近于目标值。

因为每种类型的泵的转数和其单位时间所抽取气体的体积是存在对应关系的，需要提前进行油气泵的测试，得到相应的油气泵转数S和单位时间(2s)抽取气体体积V的数据，本实施例测试数据具体见表1。

表1泵的转数S(rad/s)与单位时间(2s)抽气量V(m³)的关系

参照表1的数据图形，可根据以下述公式为目标函数进行最小二乘法拟合，得出S和V的关系曲线，如图2，从而可以准确控制油气泵的转数来实时调节对应加油频率的抽气量，即加油时的气液比：

V＝a*S²+b*S+c (5)

所谓最小二乘，即最小平方和，其目的就是通过最小化误差的平方和，使得拟合对象无限接近目标对象。最小二乘法可以用于对函数的拟合，它的主要思想就是求解未知参数，使得理论值与观测值之差(即误差，或者说残差)的平方和达到最小：

观测值y_i就是测试获得的多组样本，理论值就是假设的拟合函数。目标函数就是在机器学习中常用的损失函数E，目标是得到使目标函数最小化时候的参数。

以上即为系统的一个工作周期，结束后，系统自动往复的进行该周期，直到加油机的加油脉冲结束且挂起加油枪。

在每次加油枪加完油且无正在加油的加油枪时，气液比采集器计算4把加油枪的气体流量计在上次加油时间内的抽气量总和(没加油即为0)，与总排气管流量计测得的抽气总量进行比对，若偏差在10％范围内，则认为各个气体流量计运行正常，若计算偏差超过10％，则气液比采集器会发出警报，如闪烁警示灯，对上位机发送预警信息等提示问题操作。操作人员经由提示后进行相关气体流量计的问题排查。

Claims (7)

1.一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，包括多个加油枪和对应的气体流量计、上位机以及每个加油枪所需的油气泵；其特征在于，还包括每个加油枪对应的气液比采集器、油气泵驱动板、加油机总管气体流量计_；所述加油机总管气体流量计设置在加油机与油罐的连接管路上；

所述气液比采集器与上位机通讯连接；所述气液比采集器分别与油气泵驱动板相连；所述油气泵驱动板与油气泵相连，用于控制油气泵的转数。

2.根据权利要求1所述的一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，其特征在于，所述气液比采集器包括第一微控制器、通信模块、运放模块及脉冲输出模块；第一微控制器与运放模块连接，所述运放模块和气体流量计相连接，第一微控制器通过通信模块与上位机通信连接；所述脉冲输出模块由第一微控制器控制，输出脉冲给油气泵驱动板。

3.根据权利要求1所述的一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，其特征在于，所述油气泵驱动板包括第二微控制器、驱动电机模块；第二微控制器与驱动电机模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，其特征在于，所述油机总管气体流量计采用涡街气体流量计。

5.根据权利要求1所述的一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，其特征在于，所述加油枪对应的气体流量计采用罗茨气体流量计。

6.根据权利要求2所述的一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，其特征在于，所述通信模块采用RS485无线通讯模块。

7.根据权利要求3所述的一种基于闭环在线监测系统的多次校准装置，其特征在于，所述油气泵驱动板还包括光耦隔离模块，第二微控制器通过光耦隔离模块与气液比采集器进行信号的传输。