一种储气柜活塞运行状态测量装置的制作方法

本实用新型属于储气柜测量控制技术领域，特别涉及一种储气柜活塞运行状态测量装置。

背景技术：

储气柜在工业企业中广泛用于储存气体，缓解供气量和用气量之间短时间内的不平衡。而在储气柜运行过程中，活塞水平倾斜度是表征储气柜安全运行的重要指标。

目前活塞水平倾斜监测一般采用连通器式、油槽密封油液位式和激光测距式几种方式，这几种方式都存在一定问题，分别描述如下：

连通器式测量方式必须往连通器内注入水或油等液体，这些液体均存在一定程度的挥发问题，需要经常性补水或补油并重新调平、调零，带来一定的维护难度；

密封油液位式是利用不同位置的密封油液位差来测量活塞倾斜，但由于冬季密封油粘度大，密封油流动时间加长，因此密封油液位差与活塞倾斜之间存在一定的时间差，存在测量误差；

激光测距式是采用激光测距仪测量活塞边缘与储气柜柜顶高度差的方式来计算活塞倾斜，测量精度较高，能达到毫米级别，但由于活塞与柜顶之间的距离能达到七八十米甚至上百米，此时激光测距精度变差，必须在活塞上安装反光板才能提高精度，但由于柜内密封油飞溅，反射板表面会沉积一层油渍，加上尘土落入，使反射效果降低，测量数据稳定性变差，因此反光板必须定期清理才能达到理想的测量效果，维护成本高。而且高精度防爆激光测距仪价格较高，单台价格在2.5万左右，一般一套监测系统需要4台高精度防爆激光测距仪，成本在10万以上，安装成本高。

另一方面以上几种方式都只监测了活塞的倾斜，而并没有监测活塞的水平位移，而活塞过大的水平位移也可能会引起气体泄漏，带来安全隐患。并且若要监测活塞的形变情况，对监测仪的数量具有一定要求，一般况下，如果只测量活塞倾斜可以用3到4个测量设备，如果要实现较为精细的形变监测则需要更多的监测仪才能实现，同样存在不经济的问题。

因此，针对以上问题，研发一种能够同时监测活塞倾斜、水平位移和形变，且测量精度高、实现成本低、维护简单的测量装置具有现实意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种储气柜活塞运行状态测量装置及在线监测系统，能够实时测量储气柜活塞的倾斜、水平位移和形变状态，且结构简单、测量精度高、成本低、维护简单方便。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提出的一种储气柜活塞运行状态测量装置，其特征在于，包括位于活塞中部的第一光源、位于储气柜顶中心且与活塞平面保持平行的第一光敏检测板，以及关于第一光轴圆周均布的多个检测单元；各检测单元结构相同，均分别由共第二光轴设置的第二光源、反射镜和第二光敏检测板；其中，所述第二光源位于所述第一光敏检测板周边，所述反射镜位于所述第一光源的周边且与活塞表面呈45°夹角设置，所述第二光敏检测板位于活塞边缘且垂直于活塞设置；所述第二光源用于竖直向下发射一束平行光，该平行光经所述反射镜反射在相应的第二光敏检测板上形成光斑，经过该第二光敏检测板检测光斑位置；所述第一光源竖直向上发射一束平行光，该平行光在所述第一光敏检测板上形成光斑，经过该第一光敏检测板检测光斑位置；通过光源在相应光敏检测板上形成的光斑来测量活塞的运行状态，包括活塞的水平位移、倾斜以及形变。

本实用新型提出的另一种储气柜活塞运行状态测量装置，其特征在于，包括位于储气柜顶中心的光源，位于活塞中心处的旋转机构，由该旋转机构驱动的半透半反镜，以及位于活塞边缘呈圆周均布的多个第二光敏检测板，且各第二光敏检测板均垂直于活塞设置；其中，所述半透半反镜与光源共光轴设置，且与活塞的水平面呈45°设置，在所述半透半反镜的下表面平行设置一块第一光敏检测板；所述光源用于竖直向下发射一束平行光，该平行光经过所述半透半反射镜，一部分反射至相应的第二光敏检测板上，一部分透过所述半透半反射镜照射至所述第一光敏检测板，通过所述光源在相应光敏检测板上形成的光斑来测量活塞的运行状态，包括活塞的水平位移、倾斜以及形变。

本实用新型的特点及有益效果：本实用新型采用平行光光源、反射镜和光敏检测板构成，结构简单，容易实现；所采用光源、反射镜和构成光敏检测板的感光元件均为市售常规产品，价格低廉，系统实现成本低；本实用新型采用由感光元件测量光斑位置的方式实现，相比较激光测距仪方式需要同时兼顾远距离和高精度的高要求，将激光测距仪的远距离测量方式转换成短距离测量，降低了对检测设备的性能要求，提高测量精度的同时降低了系统成本。此外，本装置较现有技术可低成本实现更多测量点同时测量，可以得到更精确的活塞形变数据，进而更精确的指出反应活塞变形情况，从而指导活塞维护维修工作。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的一种储气柜活塞运行状态测量装置的整体结构示意图。

图2为实施例1中活塞的运动状态发生改变时储气柜顶光源与活塞两侧的光敏检测板之间的光路图。

图3为实施例1中活塞的运动状态发生改变时活塞各测量点在假定坐标系中的关系图。

图4为本实用新型实施例2的一种储气柜活塞运行状态测量装置的整体结构示意图。

图5为实施例2中活塞的运动状态发生改变时储气柜顶中心光源与活塞边缘光敏检测板之间的光路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本实用新型的技术方案进一步详细说明。

实施例1

本实用新型实施例1的一种储气柜活塞运行状态测量装置，安装于具有活塞结构的储气柜内，具体位于由活塞顶部和柜顶之间形成的容纳空间内。该测量装置的整体结构如图1所示，包括位于活塞6中部的第一光源4、位于储气柜顶7中心且与活塞6平面保持平行的第一光敏检测板5，以及关于第一光轴(即第一光源4的光轴)圆周均布的n(根据实际需要设定测量单元个数，一般n≥4，测量单元个数越多测量精度越高，但相应地会增加成本，本实施例n＝4)个检测单元。各检测单元结构相同，均分别由共第二光轴(及第二光源1的光轴)设置的第二光源1、反射镜2和第二光敏检测板3；其中，第二光源1位于柜顶7中部第一光敏检测板5周边，反射镜2位于活塞6中部的第一光源4的周边且与活塞6表面呈45°夹角设置，第二光敏检测板3位于活塞6边缘且垂直于活塞设置；第二光源1竖直向下发射一束平行光，该平行光经反射镜2反射在相应的第二光敏检测板3上形成光斑，经过该第二光敏检测板3检测光斑位置；第一光源4竖直向上发射一束平行光，该平行光在第一光敏检测板5上形成光斑，经过第一光敏检测板5检测光斑位置；通过光源在相应光敏检测板上形成的光斑来测量活塞的运行状态(具体是利用相应光敏检测板上光斑的位置变化来反应活塞的运行状态)，包括活塞的水平位移、倾斜以及形变(活塞在未发生形变的情况下是通过各个边缘测量单元测量的倾斜角度是一样的，且是一个固定的值；如果各个边缘测量单元与中心的垂直方向距离不一致，则可判定活塞发生了形变)。

本实施例中各组成部件的具体实现方式及功能分别如下：

构成各光敏检测板均分别包括信号调理电路(该信号调理电路中设有运算放大器)、单片机以及由多个对光强敏感的感光元件组成的圆形或方形平面阵列结构，相邻感光元件的间隔为0～1毫米；感光元件可采用光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻或硅光电池等，均为市售产品。当光束照射在感光元件上时，被照射的感光元件的光强发生变化，光敏元件可以将光强变化转换为电压变化，通过信号调理电路内的运算放大器将电压信号进行放大处理，最后通过单片机检测电压变化可以得到光斑位置。

第二光源1和第一光源4均可以采用常规的激光光源。

利用上述实施例1测量装置对储气柜活塞运行状态进行测量的过程如下：

1)搭建上述测量装置，设相邻第二光敏检测板3所在光轴在活塞6平面的投影线之间的夹角为β，设各测量单元内，反射镜2与第二光敏检测板3之间的沿活塞平面的投影距离为l。

2)对搭建的测量平台进行调零，具体操作为：确保活塞处于水平状态，且活塞的中心与储气柜中心重合(在活塞上表面周边布置有一定数量的配重块，通过摆放这些配重块的位置来调整活塞水平，这一步骤是活塞日常维护工作的一部分，属公知操作)，以此作为活塞的初始状态，分别打开所有光源(包括第一光源4和所有的第二光源1，各个光源可以同时打开，或者前后打开，对此无特殊要求)，将各光源所对应的光敏检测板上的光斑位置作为各光敏检测板的校准位置。以任意一个第二光敏检测板3所在光轴在活塞表面的投影线方向作为x轴，通过右手定则建立坐标系xyz，其中，以活塞中心作为坐标原点以竖直向上作为z轴正向，将所有第二光敏检测板3中心点在坐标系xyz中的投影点依次记为测量点m0、m1、…、mn-1。

3)系统调零完成后即可对活塞运行状态进行实时测量，具体为：

3.1)确定各测量点处活塞的倾斜角度和活塞中心与储气柜中心的水平偏移距离

第一光源4、第二光源1同时持续开启或周期性同时开启(周期时间小于1秒，开启时间不小于检测板检测周期)，经第一光敏检测板5和相应的第二光敏检测板3实时测量光斑位置，并计算光斑实时位置与校准位置的距离差(由于各光敏检测板上设有感光元件构成的阵列结构，通过光斑实时位置与校准位置上感光元件之间的中心距离反应该距离差)，将第i个测量点处第二光敏检测板3上光斑的实时位置较校准位置移动的竖直距离记为hi、与该竖直距离对应的第一光敏检测板5上光斑的实时位置较校准位置移动的水平距离记为li，利用柜位计13的测量值实时计算储气柜顶中心第二光源1与活塞中心相应第二光敏检测板3中心之间的高度差为h，并根据三角关系计算第i个测量点和活塞中心的连线与水平面的夹角αi以及活塞中心与储气柜中心的水平偏移距离mi，具体计算公式如下：

其中，αi为第i个测量点和活塞中心的连线与水平面的夹角，规定向右下的倾斜角度为正，反方向为负；mi为第i个测量点处活塞中心与储气柜中心的水平偏移距离，规定水平向左为正，反方向为负。参见图2，为活塞发生右下倾斜时，位于活塞中心右侧的任一测量点的光路变化示意图，图2中s’为该测量点的第二光敏检测板上光斑的实时位置、s为校准位置，实时位置较校准位置竖直向下移动了距离h。

3.2)通过各测量点位置拟合活塞所在平面

如图3(图3中，实线圆圈代表活塞初始位置所在平面，虚线圆圈是活塞倾斜后所在平面)所示，根据上述各测量点处的夹角αi并利用三角函数可得每个测量点在坐标系xyz中的坐标，表达式如下：

mi(l·cosαicos(i·β)，l·cosαisin(i·β)，l·sinαi)

设各测量点拟合的活塞平面在坐标系xyz中的方程为：

z＝a0x+aly+a2

求取残差平方和s的最小值，使得所有测量点mi均拟合上述平面，s的表达式如下：

式中，a0、a1、a2为拟合曲线系数，根据最小二乘算法计算确定。

3.3)由以下公式计算得到拟合的活塞平面与水平面之间的夹角θ为：

此θ角即为活塞平面的倾斜角度。

3.4)计算所有测量点mi与拟合的活塞平面的距离，记为di，公式如下：

取其中最大值dmax作为表征活塞形变程度的指标。

3.5)计算活塞的水平位移

在xy平面坐标系内，设活塞水平移动后活塞中心位置点为a，a距离原点o的距离为m，线段oa与x轴正方向之间的夹角为γ，γ∈[0，2π)，根据三角关系可得：

根据最小二乘算法计算可得活塞水平位移m和位移方向角γ。

至此，得到了活塞平面的倾斜角度、活塞形变和活塞的水平位移，测量结束。

本实用新型实施例1中布置的反射镜为固定式，根据活塞周边的测量点安装相应数量的反射镜(一般情况下安装4个，根据实际需要可选择更多数量)，因此存在因安装空间较小而无法安装的情况。为了解决此问题，本实用新型还提出了另一种储气柜活塞运行状态测量装置，具体为采用用一个旋转机构带动一块反射镜绕活塞中心线水平方向转动，而达到一块反射镜测量多个测量点的目的，详见实施例2。

实施例2

本实用新型实施例2的一种储气柜活塞运行状态测量装置，其整体结构参见图4。通过本实施例测量装置可以按需要在活塞不同位置布置大量光敏检测板，可以更精确的测量活塞的倾斜、水平位移和形变情况。本实施例的测量装置包括位于储气柜顶7中心的光源8，位于活塞6中心处的旋转机构9，由该旋转机构驱动的半透半反镜11，以及位于活塞边缘呈圆周均布的n(n≥4)个第二光敏检测板12，且各第二光敏检测板12均垂直于活塞6设置；其中，半透半反镜11与光源8共光轴设置，且与活塞6的水平面呈45°设置，在半透半反镜11的下表面平行设置一块第一光敏检测板10；光源8竖直向下发射一束平行光，该平行光经过半透半反射镜11，一部分反射至相应的第二光敏检测板12上，一部分透过半透半反射镜11照射至第一光敏检测板10，通过光源8在相应光敏检测板上形成的光斑来测量活塞的运行状态(具体是利用相应光敏检测板上光斑的位置变化来反应活塞的运行状态)，包括活塞的水平位移、倾斜以及形变。

本实施例的旋转机构9类似于摄像机云台，能够360°旋转，具有转速和启停控制单元，能够接收有线或无线通信方式发送的命令，并执行相应动作。

本实施例的第二光敏检测板12包括第二信号调理电路、第一单片机以及由多个对光强敏感的感光元件组成的直线型单列结构；第一光敏检测板10包括第一信号调理电路、第一单片机以及由多个对光强敏感的感光元件组成的圆形或方形平面陈列结构；各光敏检测板上相邻感光元件的间隔小于等于位移测量精度(一般为1毫米，优选等间距排列)；感光元件可采用光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻或硅光电池，均为市售产品。

本实施例其余组成部件的具体实现方式与实施例1相同，此处不再赘述。

利用上述实施例2测量装置对储气柜活塞运行状态进行测量的过程如下：

1)搭建上述测量装置，设相邻第二光敏检测板12中心与活塞中心的连线在活塞6平面的投影线之间的夹角为β，设半透半反镜11与第二光敏检测板12之间的沿活塞平面的投影距离为l。

2)对搭建的测量平台进行调零，具体操作为：确保活塞处于水平状态，且活塞中心与储气柜中心重合(具体可参见实施例1)，以此作为活塞的初始状态，打开光源8，开启旋转机构9，旋转机构按照设定的转速旋转(本实施例中转速达到每秒一圈)。当光束照射到相应光敏检测板(包括第一光敏检测板10和所有的第二光敏检测板12)时，将各光敏检测板上的光斑位置作为相应光敏检测板的校准位置。以任意一个第二光敏检测板12中心与活塞中心的连线在活塞表面的投影线方向作为x轴，通过右手定则建立坐标系xyz，其中，以活塞中心作为坐标原点以竖直向上作为z轴正向，将所有第二光敏检测板12中心点在坐标系xyz中的投影点依次记为测量点m0、m1、…、mn-1。

3)系统调零完成后即可对活塞运行状态进行实时测量，具体为：

3.1)确定各测量点处活塞的倾斜角度和活塞中心与储气柜中心的水平偏移距离

持续开启或间隔一定时间开启(开启时间需要跟旋转机构9同步，当水平光轴移动至每个光敏检测板时开启，移出检测板区域时关闭)光源8、启动旋转机构9并按照每秒一圈的转速旋转，当光束照射各光敏检测板时，实时测量第二光敏检测板12和第一光敏检测板10上的光斑位置，并计算各光敏检测板上光斑实时位置与校准位置的距离差，将第i个测量点处第二光敏检测板12上光斑的实时位置较校准位置移动的竖直距离记为hi、与该竖直距离对应的第一光敏检测板10上光斑的实时位置较校准位置移动的沿第一光敏检测板所在平面方向的距离记为ki，根据三角关系计算第i个测量点和活塞中心的连线与水平面的夹角αi和活塞中心与储气柜中心的水平偏移距离mi，具体计算公式如下：

其中，αi为第i个测量点和活塞中心的连线与水平面的夹角，规定向右下的倾斜角度为正，反方向为负；mi为第i个测量点处活塞中心与储气柜中心的水平偏移距离，规定水平向左为正，反方向为负。参见图5，为活塞发生右下倾斜时，位于活塞中心右侧的任一测量点的光路变化示意图，图中实线箭头为活塞初始状态时的光路，虚线箭头为活塞发生倾斜时的光路。

按照实施例1中的步骤3.2)～步骤3.5)可计算得到活塞平面倾斜角度θ、水平位移m和表征活塞形变程度的dmax。

由本实用新型提供的测量装置(例如采用实施例2的测量装置)可构成一种活塞运行状态在线监测系统，通过控制器控制各光源、反射镜旋转机构的开启和停止，同时将光敏检测板测量的光斑位置信息通过有线或无线通信方式发送至监控中心，由监控中心利用上述方法对采集的数据进行分析并计算活塞的倾斜、水平位移以及形变情况，最终将结果以动态画面(可通过常规的编程技术予以实现)和数据相结合的方式只管准确地展现出来。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。