CN220722134U - 一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，包括内浮顶罐，所述内浮顶罐内设有浮盘，内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶，所述浮盘由多个箱体模块拼接组成，浮盘的箱体模块内部设有参考物，浮盘上还设有校色灰卡，罐顶上布置若干摄像头和补光灯，摄像头与补光灯连接处理器，处理器通过5G模块连接外部接收端，本系统可以在浮盘倾斜之前获知泄漏情况，极大的提高了全接液内浮盘的运行安全。在停机维护保养的时候，也可以根据监测结果，更换泄漏的浮箱，使得维护费用极大降低。
Description
技术领域
本实用新型属于立式储罐浮盘监测技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置。
背景技术
石油及其轻质衍生品使用立式储罐进行长期的储存过程中，存在蒸发现象，会造成油品损耗与污染，浮盘能够显著地降低油品的蒸发，所以目前被广泛应用。在浮盘的使用过程中，其安全性非常重要，储罐一旦发生事故，不仅会损失经济效益，也会损害人身安全以及对自然环境造成无法弥补的破坏。如果浮盘发生泄漏失去浮力，就会产生沉盘现象，就失去了降低蒸发的作用。在油品进油和出油的过程中需要浮盘随着液面的变化而随之升高和降低，如果浮盘泄漏导致了倾斜，会发生卡盘现象，会影响油料的进出，重则会影响储罐的整体安全。所以浮盘的安全监测系统尤为重要，但是目前的浮盘安全检测技术尚有诸多不足。
汽油等轻质石油衍生的化学品在储存过程中会由于小呼吸和大呼吸的现象从储罐中挥发出去，既造成了油品的流失，也会对环境造成污染，更使得储存厂区产生危险。所以业内广泛使用全接液内浮盘来降低挥发现象，全接液内浮盘是由诸多空心浮箱拼接而成，所以能漂浮在油上，浮盘的运行状态与浮箱的泄漏情况密切相关；但是现有技术仅仅能够监测浮盘整体状态，对于每个浮箱的安全状态无法得到有效监测。
根据现有技术，国家知识产权局网站上公开了外浮顶储罐浮盘状态指示器(申请号201410498716.9)，该实用新型专利使用太阳能电池驱动多种传感器对浮盘进行监测，并发送信号。该实用新型专利具有以下缺点，虽然设计了一个防水防尘的外壳，但是由于其使用电来驱动，在油品的储存环境中进行使用仍然具有相当大的风险。
根据现有技术，国家知识产权局网站上公开了一种内浮顶罐浮盘位姿监测系统及监测方法(申请号201910214000.4)，该实用新型专利具有以下缺点，使用多个雷达物位计监测浮盘姿态，仅能获得浮盘的整体姿态数据，无法测量具体浮盘单元的泄漏状态。
根据现有技术，国家知识产权局网站上公开了一种油罐内浮盘检查监控装置(申请号CN202222955788.4)，该实用新型具有以下缺陷：油罐的侧面开观察窗使用人工监测，精度低、成本高，不能全天监测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于设计出一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，能够自动全天候地监测每一个模块浮箱的泄漏状态，也能通过该系统测量浮盘高度，获得该罐储量，也能测量得到浮盘整体倾斜程度。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，包括内浮顶罐，所述内浮顶罐内设有浮盘，内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶，所述浮盘由多个箱体模块拼接组成，浮盘的箱体模块内部设有参考物，浮盘上还设有校色灰卡，罐顶上布置若干摄像头和补光灯，摄像头与补光灯连接处理器，处理器通过5G模块连接外部接收端。
进一步的，外部接收端包括手机端和电脑端。
进一步的，所述箱体模块上表面开小窗，窗口固定有透明防爆玻璃，防爆玻璃内安装参考物。
进一步的，参考物采用与油品接触会产生变形或者变色的物质，包括试油膏或氢氧化钠或变色试纸或天然橡胶。
通过上述技术方案可以得到以下有益效果：
在石油及其衍生品的油罐内运行过程中，信息通过摄像头捕捉，罐内无电路运行，保证了监测系统自身的安全性；监测的图像采用机器视觉的方法处理，能够全天候地、实时地对浮盘的运行状态进行监测；每一个浮盘箱体模块上都安装有参考物，使得本系统不仅能够监测浮盘整体的运行状态，也能够获得每一个浮盘箱体模块的安全性，提前了解泄漏情况；监测的数据具有多种无线输出方式，可以远程输出到接收端，能够有效减少劳动量与工作时间，对储罐及浮盘的安全高效运行助力。
由于浮盘的浮箱数量很多，所以一两个泄漏没影响，泄漏数量积累之后就会破坏运行安全，本系统可以在浮盘倾斜之前获知泄漏情况，极大的提高了全接液内浮盘的运行安全。在停机维护保养的时候，也可以根据监测结果，更换泄漏的浮箱，使得维护费用极大降低。
附图说明
附图1为监测系统模型图；
附图2为浮盘示意图；
附图3为硬件系统构架图；
附图4为方法整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：
如图4所示，一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测方法，其特征在于：所述方法如下：
S1:补光灯对储罐内浮盘提供照明，同时摄像头对浮盘拍摄，获得采集图像后关闭补光灯；
当摄像头的数量大于1个时需要拼接图像，其具体方法如下：摄像头采集的图像数据传给处理器，首先将同时拍摄的图像的空间重叠部分及其相邻区域标出，并划分为一系列微小子图，将对应子图内含的特征提取出，作为标定锚点；其次计算具有空间对应关系锚点的拓扑关系，并比较拓扑网络的映射关系，分别标定平移、旋转、尺度等比例变换、仿射、透视、桶状变形的变换矩阵；经过矩阵乘法得到具有完全相同锚点的拓扑网络的一系列空间重叠的图像，借助锚点定位衔接；最后用插值拟合的方法，在匹配的锚点周围和接缝处做视觉平滑，输出拼接好的图像；
S2:将采集图像传输给处理器处理，提取图像中的校色灰卡，以校色灰卡为基准调整图像的色温、色相和亮度；
S4:将调整后的图像进行一定的缩小，然后图像中的RGB色彩空间转换为HSV色彩空间；
S5:识别浮盘上的参考物并且确定其位置，并在图像上绘制矩形框和标注；当浮盘正常运行时，参考物没有变化，输出安全信号并传输到接收终端；当识别参考物变色或者变形时，保存当前图像，并将该图像与浮盘箱体发生泄漏图像传输到接收终端；
S6:根据两个参考物之间的已知实际距离d、镜头的视角度α，两个参考物在图像中的像素距离D，图片的长边像素L，可以计算出浮盘上表面与摄像头的距离h，然后根据摄像头与地面的距离h0，进一步得到储罐液位的高度H；输出液位高度H的测量结果，具体公式为：将液位高度H数据传输给接收终端；
S7:对比画面中浮盘上位于一条直径最远两端的参考物直径的图像像素R1和R2，已知参考物具有相同的实际直径为r0，当直径像素一致时，浮盘没有发生倾斜，当一侧的参考物直径的图像像素R1大于另一侧的直径图像像素R2，说明浮盘已经发生倾斜，R1的与摄像头的距离h1比R2与摄像头的距离h2更小，具体为h1/h2＝R2/R1；倾斜的角度为输出浮盘倾斜角度β的检测结果，具体公式为：将浮盘倾斜角度β数据传输给接收终端；
S8:将S5、S6、S7接收的泄漏图像、液位高度测量结果、浮盘倾斜检测结果经过处理器处理分析后在显示模块上显示。
一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，包括内浮顶罐1，内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶2，内浮顶罐中有浮盘3，浮盘由多个箱体模块拼接组成，浮盘的箱体模块内部具有参考物4。所述罐外布置有若干摄像头5和补光灯6，多个摄像头与补光灯连接处理器7，处理器与5G模块8连接，数据通过5G信号传输到控制室内的设备上。内浮顶罐的罐顶或罐体上方的安全位置设有安装孔，安装孔固定有透明防爆玻璃，防止油气泄漏。摄像头和补光灯安装在安装孔的防爆玻璃外侧。摄像头和补光灯的数量根据储罐、浮盘的具体直径、高度和内部物体遮挡情况进行设计，最低的要求为顶端摄像头一个，补光灯一个。浮盘的上表面安装有一个校色灰卡，为摄像头拍摄结果提供基准。浮盘的箱体模块的上表面开小窗，窗口固定有透明防爆玻璃。防爆玻璃内安装参考物。参考物采用与油品接触会产生变形或者变色的物质、机械制成，无需电力驱动，比如采用试油膏或氢氧化钠或变色试纸或天然橡胶。摄像头的规格根据储罐、浮盘的具体直径和高度进行选用，需要满足使用摄像头采集参考物的图像效果清晰。补光灯的规格根据储罐、浮盘的具体直径和高度进行选用，需要满足摄像头所需照明强度。处理器开发板能够控制摄像头的拍摄与补光灯的照明同步进行，并能够对采集的图像数据进行处理。处理器开发板连接5G模块，将处理的结果通过无线信号进行输出。可以使用电脑端9或手机端10的软件终端对5G无线信号进行接收。
实施例1：
图1-2所示，一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置进行详细介绍。包括储存汽油的内浮顶罐(10m直径，内部无遮挡)，内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶，内浮顶罐中有浮盘，浮盘由多个箱体模块拼接组成，浮盘的箱体模块内部具有参考物。参考物采用与油品接触会产生变色的物质制成，无需电力驱动。初始参考物颜色为黄色，接触汽油时转变为蓝色。所述罐外布置有1个摄像头和1个补光灯，摄像头与补光灯连接处理器开发板，型号为树莓派4B，处理器开发板与5G模块连接，数据通过5G信号传输到控制室内的设备上，摄像头的规格选用4K分辨率的型号，需要满足使用摄像头采集参考物的图像效果清晰。补光灯的规格选用500w的LED灯，照射角度为散射光，可以满足摄像头所需照明强度，具体步骤如下：
步骤1：处理器开发板10分钟发出指令，控制开启1个补光灯，同时命令1个摄像头拍摄。
步骤2：摄像头采集的图像数据传给处理器开发板。
步骤3：提取图像中的校色灰卡，以校色灰卡为基准修改图像的色温、色相和亮度。
步骤4：将图像进行一定的缩小，将4096*3112的分辨率缩小为1080*1920的分辨率，提高运算速度。将图像中的RGB色彩空间转换为HSV色彩空间。
步骤5：对参考物的状态进行识别，找到参考物的位置，并在图像上绘制矩形框和标注。当浮盘正常运行时，参考物没有发生变化，输出浮盘运行正常的信息，将信息通过5G模块传输到接收终端。当识别到产生变色的参考物时，保存当前图像，并将该图像与浮盘箱体发生泄漏的结果通过5G模块传输到接收终端。
步骤6：根据两个参考物之间的已知实际距离d、镜头的视角度α，两个参考物在图像中的像素距离D，图片的长边像素L，可以计算出浮盘上表面与摄像头的距离h，然后根据摄像头与地面的距离h0。进一步得到储罐液位的高度H。输出液位高度H的测量结果，具体公式为：
步骤7：对比画面中浮盘上位于一条直径最远两端的参考物直径的图像像素R1和R2，已知参考物具有相同的实际直径为r0，当直径像素一致时，浮盘没有发生倾斜，当一侧的参考物直径的图像像素R1大于另一侧的直径图像像素R2，说明浮盘已经发生倾斜，R1的与摄像头的距离h1比R2与摄像头的距离h2更小，具体为h1/h2＝R2/R1。倾斜的角度为输出浮盘倾斜角度β的检测结果，具体公式为：
步骤8：将泄漏检测结果、液位高度测量结果、浮盘倾斜检测结果使用5G模块进行传输。处理器开发板上的网页服务器软件可以将检测结果显示在网页上，通过电脑的浏览器软件就可以正在远程进行监控读取。
实施例2：
如果摄像头采用多个时，S1:补光灯对储罐内浮盘提供照明，多个摄像头对浮盘拍摄，获得采集图像后关闭补光灯，需要拼接图像，其具体方法如下：摄像头采集的图像数据传给处理器，首先将同时拍摄的图像的空间重叠部分及其相邻区域标出，并划分为一系列微小子图，将对应子图内含的特征提取出，作为标定锚点；其次计算具有空间对应关系锚点的拓扑关系，并比较拓扑网络的映射关系，分别标定平移、旋转、尺度等比例变换、仿射、透视、桶状变形的变换矩阵；经过矩阵乘法得到具有完全相同锚点的拓扑网络的一系列空间重叠的图像，借助锚点定位衔接；最后用插值拟合的方法，在匹配的锚点周围和接缝处做视觉平滑，输出拼接好的图像；S2:将采集图像传输给处理器处理，提取图像中的校色灰卡，以校色灰卡为基准调整图像的色温、色相和亮度；
S4:将调整后的图像进行一定的缩小，然后图像中的RGB色彩空间转换为HSV色彩空间；
S5:识别浮盘上的参考物并且确定其位置，并在图像上绘制矩形框和标注；当浮盘正常运行时，参考物没有变化，输出安全信号并传输到接收终端；当识别变色或者变形的参考物时，保存当前图像，并将该图像与浮盘箱体发生泄漏图像传输到接收终端；
S6:根据两个参考物之间的已知实际距离d、镜头的视角度α，两个参考物在图像中的像素距离D，图片的长边像素L，可以计算出浮盘上表面与摄像头的距离h，然后根据摄像头与地面的距离h0，进一步得到储罐液位的高度H；输出液位高度H的测量结果，具体公式为：将液位高度H数据传输给接收终端；
S7:对比画面中浮盘上位于一条直径最远两端的参考物直径的图像像素R1和R2，已知参考物具有相同的实际直径为r0，当直径像素一致时，浮盘没有发生倾斜，当一侧的参考物直径的图像像素R1大于另一侧的直径图像像素R2，说明浮盘已经发生倾斜，R1的与摄像头的距离h1比R2与摄像头的距离h2更小，具体为h1/h2＝R2/R1；倾斜的角度为输出浮盘倾斜角度β的检测结果，具体公式为：将浮盘倾斜角度β数据传输给接收终端；
S8:将S5、S6、S7接收的泄漏图像、液位高度测量结果、浮盘倾斜检测结果经过处理器处理分析后在显示模块上显示。
需要说明的是，参考物就是比照物，其作用在于当油品泄漏时，油品与参考物接触后，产生变色或变形，方便摄像机识别和判断，而本实用新型的参考物不局限于现有常规的物质，还可以是机械结构或能够被触发的传感器，能够起到识别或显影等效果均可以作为参照物。以上所述均为本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的原理前提下，对本实用新型的各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，其特征在于：包括内浮顶罐（1），所述内浮顶罐（1）内设有浮盘（3），其特征在于：内浮顶罐的上端为圆弧面的罐顶（2），所述浮盘由多个箱体模块拼接组成，浮盘的箱体模块内部设有参考物（4），浮盘（3）上还设有校色灰卡（11），罐顶（2）上布置若干摄像头（5）和补光灯（6），摄像头与补光灯连接处理器，处理器（7）通过5G模块（8）连接外部接收端。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，其特征在于：外部接收端包括手机端（9）和电脑端（10）。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，其特征在于：所述箱体模块上表面开小窗，窗口固定有透明防爆玻璃，防爆玻璃内安装参考物。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的立式储罐浮盘安全监测装置，其特征在于：参考物采用与油品接触会产生变形或者变色的物质，包括试油膏或氢氧化钠或变色试纸或天然橡胶。
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