检测技术课程设计关于油罐区液位温度监测系统的探讨

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1、第1页 上海交通大学仪器科学与工程系 摘 要 油罐区是重大工业危险源,数量多、危险性大, 一旦发生火灾、爆炸等事故,将会造成重大人员伤亡和财产损失, 因此, 特别需要加强油罐区的安全管理和安全监控。 多年来， 对油罐参量的测量、 安全生产的监控绝大多数是采用人工检尺和分析化验或电气类仪表检测的方法，这些传统的检测方法劳动强度大，效率低，精度不高，安全性能差。本文从传感器检测仪表着手，对油罐区的液位温度安全监测系统做出了探讨。 关键词 油罐区 液位温度监测 雷达液位计 光纤传感器 第2页 上海交通大学仪器科学与工程系 1、油罐区安全监测综述 1.1 监测的意义 随着生产规模的不断扩大, 重大灾难

2、性工业事故时有发生, 特别是易燃、 易爆重大事故更是人们关注的焦点。油罐区是重大工业危险源,数量多、危险性大, 一旦发生火灾、爆炸等事故,将会造成重大人员伤亡和财产损失, 因此, 特别需要加强油罐区的安全管理和安全监控。油罐区安全监控系统是管理软件和硬件监控相结合的安全生产监控系统, 即在安全管理的基础上,把罐区诸多危险因素和危险参数给予实时监测、 报警和控制, 以便及时发现事故隐患, 并采取措施加以防范, 避免事故的发生。 1.2 系统主要监测参数的范围 储油罐液位检测精度 2mm； 温度检测 0.5； 火灾报警 80； 系统平均无故障工作时间：1 年。 1.3 监测系统设计原则 先进性：

3、系统需在了解国内外发展动态， 吸收其经验和成果的基础上进行方案的设计， 使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。 可靠性：系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境长期连续工作。 通用性：在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性，可以在油库推广应用。 兼容性：系统应能携挂不同类型的传感器，能够测量多种参数。扩展性。系统的设计容量要足够大，满足系统今后的扩充需要。 经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。 方便性：在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在硬件方面，要求维护检修方便。 1.4 系统监测目标 把测量的液位、 温度等参数,远传到工控机集中处理,参数超限报警,系统

4、自动控制喷淋 和定量收发,形成由工控机、 传感器以及PLC 等硬件设备和软件构成罐区监控系统。 将安全监控和生产测量相结合,将正常状态下的生产管理与事故状态下的应急处理相结合。该系统包括罐区自动检测、自动控制、定量收发、罐区计量、库存自动管理、罐区紧急防灾等几个部分,集计算机技术、 数据通讯和图形显示等技术为一体,具有硬件模块化、 软件组态化和操作维护简单化,确保在安全的前提下运行,在实用的基础上具有先进性。 1.5 系统功能 1) 画面显示功能:显示系统总貌及构成、 液位全貌图,显示回路控制图的单回路图、 模 拟动态和静态的工艺流程图,显示实时和历史趋势的趋势图,显示报警摘要列表。 2) 参

5、数检测控制功能:自动检测罐区的温度、可燃气、流量、液位等参数;泵、阀状态检测和控制;PID 回路调节;连锁控制。 3) 安全监督和报警功能:自动进行各参数超限报警、 记录;非正常操作发生的阀门误动作报警、记录。 4) 参数设定:如果操作员拥有修改参数设定值的权限,就可以进入参数设定值修改画第3页 上海交通大学仪器科学与工程系 面,进行各种参数设定值的设定和修改,例如液位高位报警设定,温度高喷淋设定等。 5）自动喷淋消防措施：当储油罐内温度达到或超过程序设定的温度时，喷淋消防系统自动运行。 1.6 系统设计的原则 石化储罐区可燃气体泄漏监测及安全监控系统的设计思路, 是根据石化储罐区消防安全监测

6、要求,采用系统集成方法设计构造系统, 实现石化储罐区安全参数实时监测处理和安全状态分析, 及时预测可能的灾害事故后果, 并通过联动控制装置有效启动现场消防设备或灭火设施。 根据上述思路, 系统设计遵循两项原则: 一、管理软件与系统硬件相结合, 根据实际情况制定安全管理规则和事故处置预案, 将安全管理要求和事故处置预案与硬件系统有机结合起来, 确保设备监测可靠性和联动有效性; 二、生产监测与安全监控相结合, 通过联锁控制、自动停车及其它参数控制等措施, 使罐区进出料生产过程控制与静态安全参数监测协调互补, 达到安全生产的目的。 第4页 上海交通大学仪器科学与工程系 2. 油罐区安全监测系统方案设

7、计 2.1 体系结构 此储油管安全监测系统由雷达液位计，光纤光栅传感器，二次仪表，监测系统采集机和网卡等网络部件组成，整个系统从体系结构分为三个层次：数据采集层、监测层、管理层。 数据采集层主要包括由光纤传感器构成的现场数据采集， 监控层由监控计算机组成，主要完成对多路传感器的数据采集、数据处理、实时数据显示、声光报警、报表生成以及数据保存等功能；并能对保存的原始数据、历史数据和报警数据进行分析，管理层主要面向具有管理和调度权限的管理人员，由连入厂部局域网的其他计算机组成。使局域网中的任何一台计算机都可以查看监控计算机生成的报表。如下图1所示： 图 1 油罐区安全监测系统结构图 2.2 监测系

8、统的网络结构 根据监测系统的体系结构中的监控层和管理层的设计， 考虑到系统的通信网络要求实时和可靠，针对现场环境，提出了一种局域网与 RS-485 总线相结合的网络结构。如图 2所示。 第5页 上海交通大学仪器科学与工程系 图 2 监测系统网络结构图 检测系统的上层网络，即监控层和管理层之间的网络选用标准以太网；而底层，即数据采集层，则选用具有更高可靠性的 RS-485 总线，它可以驱动多达 256 块采集模块，传输速率高，通讯距离达 1200 米(利用中继器，可以将系统的通讯距离再延长 1200 米)；确保了本系统具有很好的可扩展性。这种灵活的搭配在保证系统性能的同时，采用分布式传感网络，充

9、分利用了资源，有效地降低了整个系统的成本。 2.3 系统的监测原理 系统流程为： 液位检测： 首先通过雷达液位计将液位变化转换为电脉冲信号， 并通过光电转换器转换成光脉冲信号， 经光纤传输远离测量现场至监控端； 其次在控制端光电转换器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，并进行放大整形，传给二次仪表；然后二次仪表对光电转换器输出的电脉冲信号进行线性化处理， 并进行仪表的量程、 灵敏度等调节，以数字形式显示被测参量。 温度检测： 首先通过光纤传感器将温度变化转换为光脉冲信号， 经光纤传输远离测量现场至监控端； 其次在控制端光电转换器将光脉冲信号转换为电脉冲信号， 并进行放大整形， 传给二次仪表； 然后二

10、次仪表对光电转换器输出的电脉冲信号进行线性化处理，并进行仪表的量程、灵敏度等调节，以数字形式显示被测参量。 二次仪表：采用串行通讯方式(RS232 和 RS485)同监测系统采集机相连，监测系统采集机应用组态软件 In Touch 对二次仪表传送过来的信息进行处理， 并实现对被监测参量的显示、报警、计量、报表处理等功能，从而实现对被测参量的自动监测。监测系统采集机通过网卡， 并应用 TCPIP 网络协议将监测信息传送给局域网， 形成安全监测信息网络系统，进而实现各办公室和值班室共享监测信息。 第6页 上海交通大学仪器科学与工程系 3、系统安全监测仪表 在油罐的多参数测量中， 不仅要保证系统具有

11、高测量精度， 而且要具有良好的本质安全性能，同时要保证功率与测量的远距离传输。而以电信号方式进行测量和传输，由于测量现场传感器带电， 带来了防爆安全方面的问题。 而雷达和光纤传感器具有其它传感器所无法比拟的独特优点，特别是在石油化工这种易燃易爆、有毒有害的特殊场合，体现出特有的优越性。 3.1 液位信号的监测雷达液位计 3.1.1 简介 雷达液位计是 20 世纪 60 年代中期国外开始生产使用的新技术产品。它是一种采用微波测量技术的液位测量仪表,没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区。在发明应用初期,它主要用于海船油槽液位测量。它克服了以前使用机械式接触型液位仪表的诸多缺点,比如清洗维修的困难

12、和使用的不便等,满足了油槽频繁排放、加注操作中液位仪部件免清洗、免维修的使用要求。随后,雷达液位计相继用于在岸上储罐液位的测量。它特别适用于高温、高压及黏度较大的易燃、易爆液态物质的液位测量。比如,液化石油气、沥青、高度污染性的化工产品液态物质等。雷达液位计应用范围日益广泛,特别是高精度得到了国际计量机构的认证,满足国际贸易交接的物料计量要求 3.1.2 雷达液位计的基本测量原理 雷达液位计的基本原理是雷达波由天线发出,抵达液面后反射,被同一天线接收。 雷达波往返的时间正比于天线到液面的距离,其运行时间与液位距离关系如图3 所示 图 3 雷达液位计的测量原理图 L = H - d= H - c

13、t/ 2.( 1) 式中 c 电磁波传播速度,在真空中为 3108 （m/ s） d 被测介质与天线之间的距离（m） t 天线发射与接收到反射波的时间差（s） H 天线距罐底高度（m） L 液位高度（m） 由式(1) 可知,只要测得t 即可计算得到L 目前主要有两种不同的时间测量方式: 一种是微波脉冲( PTOF) 测量方法;另一种是连续波线性调频测量法( FMCW) 第7页 上海交通大学仪器科学与工程系 微波脉冲( PTOF) 雷达液位计的工作原理如图 4 所示。在脉冲时间行程方法中,测量系统以固定的带宽发射出某一固定频率(即载波频率) 的脉冲,在介质表面反射后由接收器接收。微波脉冲法通过采

14、样处理将测量时间延伸至微秒级,由此来测量微波运行时间。通过采用相位估计技术,可将测量误差降低一个数量级,达到毫米级的测量精度。 在时间行程测量中,只要由石英晶体控制的载波脉冲发射频率稳定,就可以保证测量的稳定性。 图 4 微波脉冲法的原理示意图 连续波线性调频( FMCW) 雷达液位计的工作原理如图 5 所示。 微波源是 X 波段(10 GHz) 的压控振荡器,它由锯齿波电压控制产生扫描调频振荡信号,其微波信号经定向耦合器将主通道信号送往环形器,定向耦合器耦合部分信号送往混频器作为本地振荡信号。 图 5 连续波线性调频法的原理示意图 如图5所示。它主要包括天线头、数据采集板、高频信号发生板三部

15、分。对照测量原理图4，可知,振荡器产生合成脉冲雷达波,由扫描控制来，决定S;线性化使合成脉冲雷达波减少了干扰的波动;分配器把一束波分成互相隔离2束波,B波发射到基准天线(带有温度补偿) ,为自校正提供一个参考f 1 ,然后经过采样f 1 、f 到微处理器,计算得出d , d 为 罐的空高度。设基准天线长度为d0 ,液面到天线的距离为d 。 反射计A: d = v f / 2 S (1) 式中: v = kc ; k 由传播介质和实际安装方式决定。 反射计B : d0 = c f 1/ 2 S (2) 式(1) (2) ,则有 d = d0 k f /f 1 (3) 式(3) 中,对于一固定测量

16、介质和安装方式的雷达液位计, k 可认为一常数; d0 为基准第8页 上海交通大学仪器科学与工程系 天线,并带有温度补偿,其长度已知;分配器把雷达波分成两部分,而且这两部分波互相隔离,互不影响;f 1 的测量是在工业防护等级为IP65 的密封壳内,受外界影响较小。 在目前的技术条件下,二者均可在相当宽的温度范围内保证参考条件下 1 mm 的精度。对于 FMCW 方法,必须采用昂贵的振荡器温度稳定装置,或安装内部的参考源,通常需要不断地进行校准。而对于 PTOF 法,通过使用专利的过程,脉冲的时间行程可以直接返回到不受温度影响的石英振荡器 1 。采用 FMCW 方法的雷达液位计在整个工作过程期间

17、,约有 50 %的时间需向振荡系统供电,而采用PTOF 方法雷达仅在0125 %的工作时间内向振荡系统供电。FMCW 法的制造成本及精度相对较高,而 PTOF 法制造成本及精度相对较低,多用于工业级雷达液位计(精度一般为1020 mm)。 目前,德国的E + H 和VEGA 等公司采用的是高精度的微波脉冲测量方法,生产的雷达液位计类型包括E + H 公司的FMR130/ 530/ 531/ 532/533 ,Siemens 公司的Sit rans L R 200/ 300 等;德国的Krohne 和瑞典的SAAB 等公司采用的是连续波线性调频法, 生产的雷达液位计类型包括Krohne 公司的B

18、M70/ 100/ 700 , SAAB 公司的RTG1820 ,荷兰ENRAF 公司的UEAZ873 ,英国Hycont rol 公司的V G 系列,德国WIKA 公司的PLUS ,法国Auxit rol 公司的TA840 ;国产的无锡雷华公司的ZRL ,北京航天智控工程公司3 的BL230 ,北京山峰万泰公司的MT2000 ,浙江瑞安智能仪表公司的APEX 等。 3.1.3 雷达液位计的应用 为了适应各种使用环境的特殊要求,各型雷达液位计都实行了系列化模块设计,在选用雷达液位计表时,要确定选用什么型号、标号的雷达液位计 如前所述,雷达液位计适应用于安装使用方便、工作环境恶劣、一般机械仪表难

19、以适用、精度要求适中的场所。各种型号的雷达液位计的性能各有特色,应根据使用要求、适应性分析确定选用的型号。雷达液位计的标号是根据被测物质的温度、压力、腐蚀特性和使用空间尺寸确定的。 因此应根据检测物质的特性、 储罐结构特点等确定选用雷达液位计的具体标号 对于天线型雷达液位计,在选型时应当根据储罐的结构尺寸,确定是否有足够大的内部空间,以消除罐壁对电磁波传播的干扰。天线安装位置离罐壁的最小距离L D 应当满足式(2) 的要求。 L D = (012013) Hmax (2) 式中 L D 天线口径中心到罐壁的最小距离( m) ； Hmax 储罐的空高最大值( m) 罐内的干扰物如传感器、加注液、

20、管路等也应远离天线,满足以上要求,方可保证测量精度。应用在带有搅拌器的液体储罐中时,雷达液位计的测量精度会受到一定影响。在一般情况下,测量精度也受液面不平度和泡沫干扰物的影响。 如 MT2000 导波管雷达液位计 性能指标： 壳 体： 铸铝或不锈钢外壳，采用双室结构 电 源： 13.5-36VDC，两线制回路电源 输 出： 4-20MA，可附选 HART 协议或 HONEYWELL DE 单 位： 在现场选择英尺，英寸，毫米，厘米，米或% 精 度： 2 毫米 (线性修整) 分辨率： 1.6 毫米 测量范围： 2 到 100 英尺或 0.6 到 30.5 米 连接过程： （标准）3/4”办公 N

21、PT 传感器材质： （标准）316L 不锈钢，可选其他材质 第9页 上海交通大学仪器科学与工程系 介质介电常数： 最小到 1.3 介质最大粘度： 1500cp 电气认证： FM，CSA 认证 隔爆：XP/I/1/ABCD/T6, Ta=77C, DIP/II,III/1/EFG/T6, Ta=77C 本安：IS/I/1/CD/T4, Ta=77C-ELE1014, NI/1/2/ABCD/T4, Ta=77C 防护等级: TYPE 4X CENELEC 标准： 隔爆：EEX D IIC 中国 本安：EEX IA IIB T4 中国 防护等级: IP67 3.2 温度信息的监测光纤光栅温度传感器

22、 3.2.1 工作原理 光纤 Bragg 光栅传感器的基本原理是:当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化,从而产生光栅 Bragg 信号的波长位移,通过监测 Bragg 波长位移情况,即可获得待测物理量的变化情况 图 6 光纤光栅传感器的基本原理图 光纤光栅传感器的基本工作原理如图 6 所示。光栅的 Bragg 波长B 由下式决定: B = 2 n (1) 式中,为光栅间隔或周期, n 为芯模有效折射率。当宽光谱光源照射光纤时,由于光栅的作用,在 Bragg 波长处的一个窄带光谱部分将被反射回来。反射信号的带宽与几个参数有关,特别与光栅长度有关

23、,在多参数传感器应用中,典型的光栅反射带宽是 0. 050. 3nm。由于应变、温度变化对光栅产生的扰动将导致器件 Bragg 波长的位移,Bragg 波长随应变和温度的位移为: B = 2 n 1 - ( n2/ 2) P12 - ( P11 + P12) + + (d n/ d t) / n T .(3) 式中,是外加应变, Pi , j 是光弹性张量的普克尔压电系数,是泊松比,是光纤材料的热膨胀系数, T 是温度变化量。因此,通过波长位移测量即可获得应变和温度的变化数据 光纤光栅温度传感器由感温探头、连接光缆、传输光缆、光纤光栅调制解调器和二次仪表等组成，感温探头的数量可以根据使用要求的

24、不同而确定，多个串接而成；光纤光栅调制解调第10页 上海交通大学仪器科学与工程系 器和二次仪表安装在控制室内， 使用现场和控制室之间采用单芯模光缆进行信号传输。 光纤光栅温度传感器工作时，光源发出的连续宽带光，经传输光缆传送到测量现场，感温探头内测量光栅对该宽带光有选择性的反射回一窄带光， 经同一传输光缆传送到调制解调器， 通过接收系统进行调解，测定窄带光的中心波长，从而测定现场温度。当现场温度稳定不变时，系统返回的窄带光中心波长也不变； 当现场温度发生变化时， 系统返回的窄带光波长发生相应的变化，系统通过二次仪表准确的显示出测量温度 图 7 光纤光栅温度传感器工作示意图 3.2.2 光纤光栅

25、温度传感器的独特优点 （1）对环境的适应性好。光纤是一种石英绝缘介质，不受环境的电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、且信号为光的传输，因此本质上是防爆的，适用于易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣场合。 （2）高度灵敏、高精度。光纤传感技术使用数字技术检测和处理测量数据，精度很高。如对光波的相对检测可保得到光程的准确信息，相当于一个原子核直径的量级。 （3）非接触、非破坏测量，对被测对象或系统无干扰。由于光纤传感是通过光的反射、投射式衍射等方式被调制而获得所需信息，因而不会产生破坏性。 （4）能满足各种结构形式的要求。光路可扰曲性好、柔软纤细，几何形状容易改变，因而可做成各种形式以适应不同的使用要求的传感器和传

26、感器阵列。 （5）技术含量高，低成本，易于工业化生产。光纤传感器具有结构简单、体积小、重量轻、耗电少等优点，而且托依光通信产品开发的用于光纤传感器的基础元件大都以商业化，其稳定性和可靠性能满足光纤传感目的的要求。 3.2.3 光纤光栅传感器的测量精度 使用不同材料、采用不同工艺可制成各种光纤传感器。目前，先进的光纤温度传感器可探测到 2000的高温，灵敏度达1，普通型光纤传感器在10300范围，精度为13，响应时间为 2s，利用 GaAs、CdTe、GaP 等半导体材料的吸收端温度变化而制成的光纤温度传感器，可测得0.5的测量精度，用于低温范围的光纤温度传感器可测得 0.1的变化。 3.2.4

27、 光纤光栅传感器的应用 第11页 上海交通大学仪器科学与工程系 如今光纤光栅传感器的应用十分广阔。无论是航空、航天领域中用于有效的无损检测技术,还是化学、工业、电力、水电、船舶、煤矿等民用工程领域，都有光纤光栅传感器的踪迹。 市面上光纤光栅传感器也较多， 就光纤光栅温度传感器来说， 华夏日盛的高灵敏度 （1s）光纤光栅温度传感器，哈尔滨泰达尔科技有限公司的光纤光栅（FBG）传感器系列，深圳市华电光讯科技股份有限公司的 FBGT-1 型光纤光栅温度传感器等都是不错的选择。 例如北京安伏电子技术有限公司的 FBG 光纤光栅温度传感器及技术指标： 3.3 自动报警和消防措施 在监控终端通过计算机控制

28、液位温度报警系统， 在储油罐与雷达液位计， 光纤光栅传感器并联一喷淋消防系统，通过计算机设定一初始值，在储油罐内液位，温度超过这个值后，采取相应报警和消防措施 序 号 项 目 指 标 1 中 心 波 长 1 5 2 5 1 5 6 5 n m 2 光 谱 反 射 率 9 0 3 温 度 分 辨 率 0 . 1 C 0 . 2 C 4 测 量 精 度 0 . 5 C 5 量 程 0 2 0 0 C 6 封 装 材 质 不 锈 钢 / 陶 瓷 7 外 型 尺 寸 3 m m （ 直 径 ） 5 0 m m ( 长 ) 8 安 装 方 式 捆 扎 / 粘 接 / 螺 丝 固 定 9 耐 高 温 特

29、性 光 纤 套 管 （ 2 5 0 C ） 1 0 连 接 方 式 熔 接 / 标 准 接 头 第12页 上海交通大学仪器科学与工程系 4、小结和展望 石油罐区监测系统是一个集监测、 控制、 管理一体的分布式系统。 对油品储油罐区来 说，储油液位、温度等参数检测及超高报警，对于油罐库区的管理是具有十分重要意 义的。本文从光纤传感器这一先进的检测仪表着手， 探讨了油罐区的光纤安全监测系统。 分析了系统结构及原理。从现有的实践情况看来，研制和开发基于光纤传感技术的集储油液位、温度、等安全监测功能于一体的油罐区安全监测系统是十分必要的。 随着科技的发展， 特别是计算机技术的广泛应用和迅猛发展， 由传

30、统的人工测量开始逐步向计算机智能监测方向发展。相比较而言，国外的油罐区安全监测系统性能好， 但其价格和高，远远超出了我国广大用户的承受能力。而国内研制的系统大多计算精度低、稳定性和可靠性差。因此，研发出符合我国国情的油罐区安全监测系统，不仅可以保障石油库区的安全生产，而且将加快石油行业的现代化管理进程。 第13页 上海交通大学仪器科学与工程系 5、参考资料 光纤光栅传感器及其应用 鲍吉龙 章献民 陈抗生 周文 浙江大学信电系 油罐区的光纤安全监测系统探讨 李艳芳 湖北安全生产信网 雷达液位计在储油罐中的应用 吴锦强 王新生 中国石油天然气集团西北石油管道建设指挥部 6、心得体会 这是一个通过大家努力共同完成的一个设计， 或许其中有不少东西过于理想化， 但是这的确是我们努力的成果。我们起初找了不少的资料，但是由于没有弄懂其原理所以都放弃，这个设计大部分都只提了一个构思，但是如果有再多一点时间，这些部分应该都能实现的。通过这次课程设计，加深了我们对检测技术、传感器等课程内容的理解，同时也体验到了理论知识与实际应用的不同之处，小组里每一个人都是从不知道开始，大家积极寻找资料，提供建议，群策群力，终于完成了这次课程设计，这是大家努力的结果 7、致谢 感谢施文康老师、姜萍萍老师的悉心教导。 感谢我们组里的每一位同学。