一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种液体容量检测方法，尤其涉及一种光纤光栅在线检测油罐容量的 方法。
【背景技术】
[0002] 目前所使用的大型油罐，外观呈圆柱形，底面却不是平面，它类似于锥体表面，中 部商，四周低，且中部比四周商20cm左右，其目的是减少油罐储油时底部下凹变形引起的 容量误差。国家检定规程中油罐储油容量的测量是通过测量量油尺高度，查询容量表获得。 容量表是依据空罐测量的结果编制的，获得的是高度与空罐容量之间的关系表，测量方法 有围尺法、全站仪法、三维激光扫描法等。可见，这种测量方法，并不是一种实时在线测量方 法，与油罐当前存储量之间存在不可忽视的误差，这种误差的相对值即使符合国家标准，也 由于其绝对值大，带来极大的经济贸易差，其次，由于油罐底面的变形，不经过底量补偿的 容量测量也会对测量结果产生影响。而采用在线实时检测的方法则能解决上述问题。
[0003] 在线检测油罐容量时，要考虑两个问题，一是具备防火防爆、持久有效性能，二是 解决底量补偿问题。目前市场上能测液压、容量的传感器有不少，但传统的电学传感器并不 适用。
【发明内容】
[0004] 本发明克服了现有油罐容量测量方法的不足，提供了一种光纤光栅在线检测油罐 容量的方法，能在线检测液体的实际容量。
[0005] 本发明采用下述技术方案： 本发明方法使用光纤、光纤光栅液位传感器、光纤光栅解调仪、PC机、光纤光栅温度传 感器和量油尺。光纤光栅液位传感器和光纤光栅温度传感器通过焊接固定在油罐底部，传 感器之间通过光纤连接，光纤越过油罐顶部在油罐外与光纤光栅解调仪相连，解调仪连接 上位机（PC机)，量油尺用来测量油罐底部零刻线到当前液位的高度。
[0006] 所述的光纤光栅液位传感器每八个等间距串联在一条光路上，由光纤传输光信 号，共有八个光路，即八个通道，每个通道以油罐中心为圆心，呈圆型分布；且相邻两个通 道之间距离相等；同一通道中的各传感器工作波长间隔6nm，工作波长分别选为1521nm、 1527nm、1533nm、1539nm、1545nm、1551nm、1557nm、1563nm ;每个通道通过光纤与光纤光棚解 调仪相连，光纤光栅温度传感器与最里圈通道的液位传感器串联，解调仪连接上位机。
[0007] 依据上述硬件设计，其计算液体容量的方法如下：建立三维坐标系，由于每个传 感器利用他的工作波长和它所在的通道可以相互区分，例如1通道中，1号传感器对应 1521nm，2号传感器对应1527nm，3号传感器对应1533nm，4号传感器为1539nm，依此类推， 每8个传感器为一个通道，1-8号串联为1通道，9-16号为2通道，17-24号为3通道……， 不同通道传感器按其编号从小到大排列也依次对应1521nm，1527nm，1533nm….，如此一来， 根据传感器的8X8分布方式，结合油罐的底面尺寸可得出他的XY坐标，现以油罐零刻线 所在平面为基准面，利用毫米级精度的量油尺测得的零刻线到液面的液位高度值A，每个 光纤光栅传感器测得的液位高度4，同时利用圆环中心处仅受温度影响的光纤光栅温度 传感器的波长偏移量来对其它光纤光栅液位传感器的布拉格波长偏移量进行补偿，中心光 纤光栅温度传感器编号为"〇"，与1通道的液位传感器串联，其工作波长为1515nm，计算得 到的A1 -A2的值就是在油罐内存在液体时传感器新的Z轴坐标值，如果忽略底面在形变 过程中以及温度变化对传感器横向和纵向的位移，即对传感器XY坐标带来的影响，那么利 用每个传感器新的三维坐标，将上位机中所有的传感器对应的三维坐标点连接形成模拟曲 面，再结合他们所测量得到的液位高度值，形成一个新的立体结构，最后利用数学方法计算 得到液体的实际容量。当实际液位低于油罐底面中心最高处时，此时液面高度很低，由液体 压力导致的底部形变可忽略不计，可采用空罐时测得的底面形貌对此时的液体容量加以计 算。
[0008] 与【背景技术】相比，本发明的增益效果为： 1.本发明在油罐内存在液体的情况下，能够对液体容量的变化进行长期在线检测，实 时的测量当前液体的容量值，并且使获得的容量值信息更加快速和精确的反映给使用者。
[0009] 2.本发明的传感器以8X8多点网状式结构分布在油罐底部，其位置为圆环与正 八边形对角线交点处，然而本发明采用光纤光栅液位传感器来进行测量，这种传感器不仅 具有抗压、抗腐蚀等优点，而且其可串联的特性大大减少了解调时所需要的通道数量，更重 要的是，根据不同的工作波长和所处通道的不同能使测得的数据与传感器相互对应，实现 定位。
[0010] 3.本发明中计算液体容量，是将液体的实际样貌通过测得的数据以模拟立体的形 式再现在计算机中，同时通过数学方法对此模拟立体进行体积的计算，得到的结果即为当 前液体的容量值。这种新的计算液体容量的方法不仅直观、简便，而且充分利用了测得的数 据，精确度更高。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的测量系统结构简图； 图2是本发明光纤光栅传感器布点分布图； 图3是本发明同一通道中的光纤光栅传感器与解调仪连接及波长复用图； 图4a是本发明光纤光栅传感器示意图； 图4b是本发明光纤光栅传感器内部结构图； 图5是本发明光纤光栅传感器XY轴坐标取值原理图； 图6是本发明光纤光栅传感器Z轴坐标取值原理图； 图7是本发明用来温度补偿用的光纤光栅传感器结构图； 图8是本发明计算液体实际容量的立体结构关系图。
【具体实施方式】
[0012] 如图1和图2所示，本发明油罐内液体容量在线检测装置包括油罐1 ;光纤光栅液 位传感器2 ;量油尺3 ;光纤4 ;光纤光栅解调仪5 ;PC机6 ;光纤光栅温度传感器7 ;其中，光 纤光栅液位传感器2和光纤光栅温度传感器7通过焊接固定在油罐1底面上，同一通道的 传感器用光纤4连接起来，8个通道的传感器通过光纤4越过油罐顶部连接到光纤光栅解调 仪5中，解调仪5通过网线连接PC机6。
[0013] 本实施例中的油罐为十万立方油罐，高度为20米，底面直径80米，若要运用到其 它储存容量的油罐中去时，由于底部尺寸不一样，可适当改变各个传感器之间的间距，采用 同样的分布结构，使其适用到要检测的油罐，并且修改上位机计算液体容量的编程软件中 相对应的XY坐标的代码，两者相互对应。
[0014] 本实施例中光纤光栅解调仪采用MOI公司的SM125型号，光源波段为 1510nm~1590nm，能通过拓展通道的方法，同时使用8个通道。
[0015] 如图2所示，本发明中的光纤光栅液位传感器2采用8X8多点网状分布结构进行 固定，每个圆圈间隔相同，从里往外每个圆圈上的传感器为同一通道，一共为64个光纤光 栅液位传感器2。
[0016] 如图3所示，本发明同一通道中的光纤光栅液位传感器2采用串联的形式，为区 分每个传感器，现改变光栅栅距使得每个传感器的布拉格波长均不一样，同一通道中串联 8个传感器，其工作波长按传感器编号从小到大依次为1521nm、1527nm、1533nm、1539nm、 1545nm、1551nm、1557nm、1563nm，将 1-8 号串联为 1 通道，9-16 号为 2 通道，17-24 号为 3 通 道，以此类推，共8个通道64个光纤光栅液位传感器，如此一来，利用布拉格波长和所在通 道，64个传感器都可以区别开来。而在后期解调和处理数据时，对于20米高的油罐而言，当 装满液体时液位传感器因压力而产生的波长偏移量为3nm左右，已知传感器原来的工作波 长，为保证测量的可靠性，根据测量时的波长落在原工作波长往高处4个nm的范围内，例如 1通道中，测量时得到的其中一个波长为1522nm，这个波长落在了 1521nm-1525nm范围内， 即可判断此波长是1号传感器反馈回来的，其它传感器测量时的波长也可根据此方法依据 波长范围和所在通道进行类推定位。
[0017] 光纤光栅液位传感器最大承受压强为0. 5MPa，精度为毫米级，在压力作用下，其工 作波长在频谱上发生偏移，而压力又与液体高度相关，通过测量传感器工作波长偏移量可 以反推液体高度。为消除温度变化的影响，设置光纤光栅温度补偿传感器，由传热性能良好 的金属封装，隔绝液体，仅受液体温度的影响。
[0018] 相关的推导公式为：
【主权项】
1. 一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，该方法使用光纤、光纤光栅液位传感器、光 纤光栅解调仪、PC机、光纤光栅温度传感器和量油尺，其特征在于：光纤光栅液位传感器通 过固定在油罐底面上，光纤光栅液位传感器之间通过光纤连接，光纤光栅温度传感器固定 在油罐底面圆心上； 所述的光纤光栅液位传感器每八个等间距串联在一条光路上，由光纤传输光信号，共 有八个光路，即八个通道，每个通道以油罐中心为圆心，呈圆型分布；且相邻两个通道之间 距离相等；同一通道中的各传感器工作波长间隔6nm，工作波长分别选为1521nm、1527nm、 1533nm、1539nm、1545nm、1551nm、1557nm、1563nm ; 每个通道通过光纤与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅温度传感器与最里圈通道的液位 传感器串联，解调仪连接上位机； 结合油罐的底面尺寸确定每个光纤光栅液位传感器的XY坐标，以油罐零刻线 所在平面为基准面，利用毫米级精度的量油尺测得的零刻线到液面的液位高度值 A ,每个光纤光栅液位传感器测得的液位高度1?,同时利用中心处仅受温度影响的光纤 光栅温度传感器的波长偏移量来对其它光纤光栅液位传感器的布拉格波长偏移量进行补 偿，其工作波长为1515nm，计算得到的A 1-A2的值就是在油罐内存在液体时传感器Z轴坐 标值，将PC机中所有的传感器对应的三维坐标点连接形成模拟曲面，再结合它们所测量得 到的液位高度值，形成一个立体结构，最后利用数学方法计算得到液体的实际容量。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，其特征在于：当实 际液位低于油罐底面中心最高处时，此时液面高度很低，由液体压力导致的底部形变可忽 略不计，可采用空罐时测得的底面形貌对此时的液体容量加以计算。
3. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法，其特征在于：所述 的光纤光栅解调仪采用MIO公司的SM125型号，光源波段为1510nm~1590nm，能通过拓展通 道的方法，同时使用八个通道。
【专利摘要】本发明公开了一种光纤光栅在线检测油罐容量的方法。本发明中的光纤光栅液位传感器以8*8多点网状分布结构，通过焊接固定在油罐底面上，传感器之间通过光纤连接，再通过光纤与光纤光栅解调仪相连，解调仪连接上位机（PC机）。本发明以光纤光栅传感器测得的液位高度为基础，通过计算机建立模拟的液体立体形貌模型，利用数学方法计算得到高精度的液体实际容量。
【IPC分类】G01F23-04, G01F23-292, G01F17-00
【公开号】CN104634410
【申请号】CN201510079041
【发明人】沈小燕, 陆枫, 韩娅, 胡佳成, 李东升
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月14日