一种液体危险化学品超低温的液下防爆自动化成像装置的制作方法

本发明涉及液下成像
技术领域：
，尤其涉及一种液体危险化学品超低温的液下防爆自动化成像装置。
背景技术：
：随着天然气越来越得到工业和民生广泛应用，液化天然气(lng)作为比较安全和节省空间的方式越发得到重视，液化气天然气(lng)的存储库区和存储罐投用越来越多，很多投用的储罐已经多年，由于地质变化、日久变形等各种因素，储罐变形、腐蚀等问题在所难免，市场急需一种能在lng储罐超低温液下环境对于整个储罐运行状态进行监控和拍照的设备，此类设备目前市面上还没有。技术实现要素：本发明提供了一种液体危险化学品超低温的液下防爆自动化成像装置，包括相机、电源管理系统，所述相机为多个，所述电源管理系统对每路相机的电源进行单独控制，所述相机与上位机或云平台之间进行数据通信；所述相机包括相机外腔腔体、相机内腔以及相机电子部件，所述相机内腔位于所述相机外腔腔体内部，所述相机电子部件安装于所述相机内腔中，所述相机外腔腔体内表面与所述相机内腔外表面之间填充有绝热材料，所述相机外腔腔体设有外腔光学玻璃，所述相机内腔设有内腔光学玻璃，所述外腔光学玻璃与所述内腔光学玻璃之间具有间隙，并对外腔光学玻璃与所述内腔光学玻璃之间的间隙进行抽真空处理。作为本发明的进一步改进，所述相机外腔腔体内表面涂覆红外热反射涂层，所述相机内腔内表面涂覆红外热反射涂层。作为本发明的进一步改进，所述绝热材料为聚氨酯发泡料。作为本发明的进一步改进，所述相机还包括外腔垫圈，所述相机外腔腔体设有外腔前压框，所述外腔垫圈安装于所述外腔前压框的凹槽内，所述外腔光学玻璃安装于所述外腔垫圈内。作为本发明的进一步改进，所述相机内腔包括内腔腔体，所述相机电子部件安装于所述内腔腔体中，所述相机电子部件包括光圈式光阑、驱动器，所述光圈式光阑位置邻近所述内腔光学玻璃，所述驱动器与所述光圈式光阑相连，所述驱动器用于驱动所述光圈式光阑开启或关闭。作为本发明的进一步改进，所述光圈式光阑内壁涂覆有红外热反射涂层，所述驱动器为超声波电机。作为本发明的进一步改进，所述相机内腔包括内腔前压框、内腔垫圈，所述内腔腔体设有所述内腔前压框，所述内腔垫圈安装于所述内腔前压框的凹槽内，所述内腔光学玻璃安装于所述内腔垫圈内。作为本发明的进一步改进，所述相机电子部件包括4k高清相机和激光雷达，所述4k高清相机采用微光ccd成像器件设计相机系统，并以低功耗红外led进行辅助照明；所述激光雷达用于对储罐内部进行三维成像。作为本发明的进一步改进，所述微光ccd成像器件为emccd，所述激光雷达为tof激光雷达。作为本发明的进一步改进，所述相机电子部件还包括双路温控与可燃气体检测模块，所述双路温控与可燃气体检测模块包括温控系统和可燃气体检测模块，当相机不工作，或者当相机工作产生的热量不足以维持相机内腔温度时，通过温控模块中的加热模块对相机内腔进行加热进行恒温控制；当可燃气体检测模块内的可燃气体传感器检测到lng气体时，触发报警信号，并令中控系统切断本路相机的电源，从而起到故障隔离作用。作为本发明的进一步改进，所述双路温控与可燃气体检测模块采用双余度设计。作为本发明的进一步改进，所述相机电子部件还包括相机pcb主板，所述内腔腔体内部安装有相机内部结构支撑件，所述4k高清相机、激光雷达、所述相机pcb主板安装在所述相机内部结构支撑件上，所述相机pcb主板分别与所述4k高清相机、激光雷达、双路温控与可燃气体检测模块相连，所述相机pcb主板将采集的数据通过千兆以太网发送到上位机或云平台。作为本发明的进一步改进，所述相机的视场角为：水平视场角h为92.5°、垂直视场角v为67°，成像距离为8米，使用30台相机均匀排列在距离储罐内壁8米的水平圆环上，每台相机成像角度为12°，即可获得储罐内部水平圆周上的全景图像，使用4层、每层间距10米的水平相机均匀排列在储罐高度方向上，即可获得储罐内部垂直高度上的全景图像。作为本发明的进一步改进，所述电源管理系统包括dcs系统、继电器，多个相机分别与多个继电器相连，当相机检测到故障时，会向dcs系统发出故障信号，dcs系统则根据故障信号关闭对应的继电器，从而切断故障相机的电源。作为本发明的进一步改进，所述云平台为hadoop平台。本发明的有益效果是：本发明的相机具有良好的密封性，相机能够在超低温环境下工作，并且相机具有良好的成像技术以便对整个储罐拍照成像，以便及早发现储罐存在问题，及早应对，降低安全风险和财产损失。附图说明图1是相机的双腔体剖开结构示意图；图2是相机内腔的剖开结构示意图；图3是相机内腔结构示意图；图4是电源控制柜示意图；图5是树形网络结构示意图。具体实施方式本发明需要根据特殊工况设计和发明一种成像装置，这种装置要求外壳耐低温，内部保温到-40℃以上以便于电路部分良好工作，还需要良好密封防止渗漏，需要防爆设计防止危化品爆炸，需要良好的成像技术以便对整个储罐拍照成像，以便及早发现大罐存在问题，及早应对，降低安全风险和财产损失！本发明公开了一种液体危险化学品超低温(-180℃以下)的液下防爆自动化成像装置，用于类似超低温易燃易爆(如液氢、液氧、lng等)危险化学品大型储罐这种特殊环境下的液下成像,目前该市面上类似装置均只能适用一般常温和非防爆环境。本发明的整体技术概括：一.采用多个相机全面覆盖罐体内壁及底部基础由于本发明所涉及的lng储罐体积较大，罐体内壁及底部基础的面积也较大，而单个相机的视场角与成像距离都比较有限，所以必须采用多个相机，按照一定规律进行布局，从而形成对于罐体内壁及底部基础的全面覆盖。每台相机内部包含平面图像ccd传感器与激光三维雷达两种图像传感器，可同时实现平面图像与三维图像的采集功能。二.用双层腔体结构实现绝热防护储罐内lng的温度为-180℃，而电子元器件的工作温度下限为-40℃，为确保相机及其控制电路能够正常工作，采用双层腔体结构实现绝热防护。相机外腔腔体4和相机内腔5均使用06ni9低温钢制造，腔体之间填充一定厚度的绝热材料，以防相机内部热量散失过快，导致内腔温度低于-40℃而致使电子元器件失效。同时，相机外腔腔体4和相机内腔5内壁均涂覆红外热反射涂层，以降低内腔热量通过热辐射形式过度散失。在镜头所在的相机外腔腔体4和相机内腔5上分别设有外腔光学玻璃3和内腔光学玻璃53，均采用石英玻璃设计光学窗口，以使得相机能够通过该窗口获取外部的图像信息。外腔光学玻璃3和内腔光学玻璃53之间保留一定的空隙，并予以抽真空处理，以防相机内腔5热量通过对流形式传导到相机外腔腔体4。在内腔光学玻璃53之内，还需设计一个光圈式光阑54，光圈式光阑54内壁涂覆红外热反射涂层，当相机不工作时，关闭光圈式光阑54，以防相机内腔5热量通过内腔光学玻璃53以热辐射形式散失过快。三.过双余度温控系统实现内腔恒温为确保内腔温度恒定在-40℃以上，以满足电子元器件的工作与存储温度下限，采用双余度温控系统实现内腔恒温。该双余度温控系统采用两套不同品牌、不同型号或不同批次的传感器及电子器件进行硬件设计，并采用两套不同的软件代码来实现温度控制，以降低相似性故障的概率。如此一来，当一套温控系统失效时，另一套温控系统自动由热备状态进入到工作状态，继续实现内腔的恒温功能，这样就降低了温控失效导致的电气故障发生的概率。四.通过双余度可燃气体检测系统实现泄露检测与报警该双余度可燃气体检测系统采用两套不同品牌、不同型号或不同批次的传感器及电子器件进行硬件设计，并采用两套不同的软件代码来实现可燃气体检测与报警功能，以降低相似性故障的概率。如此一来，令两套可燃气体检测系统同时工作，将会大大降低可燃气体检测失效导致的漏检故障发生的概率，从而大大提高系统的安全性。五.采用千兆光纤以太网传输图像数据与控制指令为简化布线、降低成本，采用千兆光纤以太网传输图像数据与控制指令：服务器(服务器包括上位机或云平台)与相机之间通过tcp/ip协议传输图像数据与控制指令，并根据数据包的不同对图像数据与控制指令进行分发。其中，图像数据直接进入图像存储子系统，而控制指令数据包进入以太网/rs485协议转换器，将tcp/ip数据包转换为rs485数据包，并根据系统设置，进一步转换为modbus协议数据包，以实现与dcs系统或其它控制系统的指令交互。六.采用电源管理系统对每路相机的电源进行单独控制电源管理系统通过plc、继电器等对每路相机的电源进行单独控制，以实现故障隔离功能，从而提高系统整体的安全性：当相机腔体的密封系统失效，lng渗漏到腔体内部并被可燃气体检测系统检测到，或发生了其它类别的故障而必须对本路相机进行停机时，相机可通过控制指令路径，将故障信息发送给电源管理系统，电源管理系统则据此停止该路相机的供电，从而杜绝安全隐患。七.采用云计算架构实现图像数据的存储、分析本发明所涉及的lng储罐体积较大，必须要使用多路相机才能实现储罐内壁的全覆盖，而单路相机所产生的高分辨率图像数据量也比较大，为确保图像数据存储的安全性、扩展性以及数据处理的时效性，采用云计算架构实现图像数据的存储、分析。云计算架构的并行计算、分布式计算特性使得数据能够得到安全、高效的存储与利用，单个服务器的故障不会导致灾难性的数据丢失事故，也不会导致系统整体功能的失效，从而确保了系统的安全性。此外，随着系统运行时间的推移，当数据量日益增加、数据处理功能需求日益提高而对计算能力的需求日益增加时，只需扩展物理服务器的数量，数据存储与分析软件部分则可实现自动伸缩，从而确保了系统的可扩展性。相机的具体说明：1.双腔体结构：电子器件的工作温度最低极限一般为-40℃，而lng介质在储罐内的温度为-180℃，为保证相机电路的正常工作，必须保证电路部分的温度高于-40℃。为此，拟采用双腔体结构实现液下相机，其结构如图1所示。相机包括外腔前压框1、外腔垫圈2、外腔光学玻璃3、相机外腔腔体4、相机内腔5。外腔前压框1：用以固定外腔光学玻璃3与外腔垫圈2。外腔垫圈2：用以密封外腔前压框1与外腔光学玻璃3，防止lng泄露入内腔。外腔光学玻璃3：相机内部的相机镜头、激光三维雷达通过外腔光学玻璃3获取外部的图像。相机外腔腔体4：用以保护相机内腔5，并起到热屏蔽作用。相机外腔腔体4内侧涂覆红外热反射涂层，防止内腔热量以热辐射形式散失到lng液体中去。相机内腔5：相机电子部件，如镜头、激光雷达、pcb、温控系统、可燃气体检测传感器等，均包裹在相机内腔5里。相机内腔5腔体内侧也涂覆红外热反射涂层，防止内腔热量以热辐射形式散失到相机外腔腔体4中去。在相机内腔5与相机外腔腔体4之间填充绝热材料。在lng工程中，可用的绝热材料及其特性见表1。绝热材料名称导热系数[kg·(m·k)-1]密度使用位置泡沫玻璃<0.06150罐底、热角保护区珍珠岩混凝土0.12-0.25500-1032环梁膨胀珍珠岩0.12-0.25500-1032内外罐壁间、吊顶上玻璃纤维毯<0.04211-16吊顶上、罐底弹性玻璃纤维毯<0.04211-16内外罐壁间聚氨酯发泡料0.019-0.02930-60内外罐壁间、罐底表1：lng工程中常用的绝热材料通过表1的数据可见，聚氨酯发泡料是一种绝热效果优异、密度较低的良好材料，本发明选用聚氨酯发泡料作为内外腔体之间的绝热材料。通过ansys软件进行有限元分析，良好地设计内外腔体的壁厚、绝热材料的敷设厚度及敷设方式，可以使得内腔、外腔与lng液体之间达到良好的热平衡，即：相机工作产生的热量基本可以将内腔温度维持在-40℃以上，从而确保电子电路可以正常工作。在相机电路不工作时，通过温控系统中的加热模块对相机内腔5进行加热，以将相机内腔5温度维持在-40℃以上，以防电子器件因温度过低而失效。相机内腔5与相机外腔腔体4之间除敷设绝热材料外，还应进行抽真空处理，以防相机内腔5热量通过腔体之间的空气以对流形式散失过快。2.相机内腔5的具体说明如下，如图2和图3所示，相机内腔5包括内腔前压框51、内腔垫圈52、内腔光学玻璃53、光圈式光阑54、超声波电机55、4k高清相机56、激光雷达57、相机内部结构支撑件58、相机pcb主板59、双路温控与可燃气体检测模块510、内腔腔体511。内腔前压框51：用以固定内腔光学玻璃53与内腔垫圈52。内腔垫圈52：用以密封内腔前压框51与内腔光学玻璃53，防止lng泄露入内腔。内腔光学玻璃53：相机内部的相机镜头、激光雷达通过光学玻璃获取外部的图像。光圈式光阑54：光圈式光阑54内壁涂覆有红外热反射涂层，它的作用是，在相机不工作时，关闭光阑，并通过光阑内壁的红外热反射涂层将内腔热量反射回内腔之内，从而避免内腔热量通过内腔光学玻璃53，以热辐射形式散失到lng中去。红外热反射涂层的热反射率大于89％，能够起到良好的保温作用。超声波电机55：超声波电机(ultrasonicmotor，缩写usm)55是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器，它的作用是驱动光圈式光阑54执行开启、关闭动作。与传统电机相比，超声波电机55具有以下特点与优点：低速大力矩输出；功率密度高；起停控制性好；可实现直接驱动；可实现精确定位；容易制成直线移动型马达；噪音小：无电磁干扰亦不受电磁干扰；需使用耐磨材料(接触型usm)和高频电源等。因此，超声波电机55特别适合用来驱动光圈之类的质量轻、需要快速移动的装置。4k高清相机56：4k分辨率即4096×2160的像素分辨率。为降低系统功耗，减少相机系统发热对于lng的影响，本发明采用微光ccd成像器件设计相机系统，并辅之以低功耗红外led进行辅助照明，从而实现微光、低功耗条件下的成像。普通ccd器件在微光下探测能力受到限制，不适合微光成像。随着光电成像技术的发展，出现以下几种微光ccd成像器件：iccd，bccd，ebccd，emccd。iccd是把用于直视微光的像增强器与普通前照ccd相耦合而成，其性能主要由像增强器决定。由于iccd成像过程要经历光电转换、电光转换和光电转换过程，图像质量下降，严重影响了探测能力。在iccd发展的同时，ccd在微光领域不断探索，相继出现了背照明ccd(bccd)、电子轰击式ccd(ebccd)和电子倍增式ccd(emccd)。bccd：由于ccd器件的前面板有复杂的电极结构，能够对入射后产生的电子进行吸收，从而降低了量子效率，通常这类ccd的量子效率都在50％以下。通过减薄方法去除ccd基片的大部分材料，仅保留含有电路器件结构的硅薄层，使成像光子从ccd背面无需通过多晶硅门电极，即可进入ccd进行光电转换和电荷积累，其量子效率可达90％以上，克服了通常前照明ccd的性能限制。ebccd：在ebccd中光阴极的材料和像增强器的阴极材料一样，不同的是用高压电场(2-10kv)代替了iccd的微通道板、荧光屏以及输入输出窗等器件。经光阴极出来的光电子在高电压场下进行加速，然后入射到bccd上，形成电子轰击半导体(ebs)。每产生一个电子空穴对约消耗3.64ev的能量，因此ebccd的增益可以达到1000倍以上。emccd：emccd技术又称为“片上增益”技术，是一种全新的微弱光信号增强探测技术，由andor应用在2001年发布的ixon系列高端超高灵敏相机上。它与普通ccd探测器的主要区别在于其读出(转移)寄存器后又接续有一串“增益寄存器”，使得信号电荷在这里得到增益。当增益寄存器的数目较多时，可实现增益达到1000倍以上。在一般低光照条件下(10-1-10-5lx)，iccd、ebccd、emccd都能对目标进行成像，当光照条件小于10-5lx，这时能够探测目标成为主要的目的，信噪比成为衡量器件性能的最重要的参数。受光电阴极探测能力的影响，iccd和ebccd的信噪比急剧下降，当光照度继续降低时，噪声将淹没信号，而emccd优势将会更明显，在极低的照度下(10-8lx)信噪比还很高，能够在ebccd探测不到的极低微光下成像。因此，本发明选择emccd设计相机系统。激光雷达57：为了更好地对lng储罐内部的结构进行成像，获得更多的有效信息，在相机中增加激光雷达57，对储罐内部进行三维成像。激光雷达，是以激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。激光雷达分为扫描式激光雷达与非扫描式激光雷达。扫描式激光雷达内部采用棱镜或者光学相位器件对激光进行偏转，并通过控制激光束的偏转对场景进行扫描成像，它的特点是探测距离远，但成像分辨率低、功耗较大。非扫描式激光雷达内部不采用可运动的光学器件对激光束进行偏转，也不通过激光束的偏转对场景进行扫描，而是通过tof(timeofflight)测距法，即飞行时间测距法，获得场景的三维信息,其特点是成像分辨率高、功耗低。所谓飞行时间法3d成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。tof激光雷达一般由以下几个组件组成：照明单元、光学系统、传感器、电子控制系统。照明单元利用激光二极管，以足够的速度(最高达30mhz)进行调制，使传感器能够完美测量飞行时间。照明单元大多在近红外范围内发射，这样可以最大限度减小由摄像头造成的环境的任何干扰。光学系统(镜头)收集从环境反射回去的光，并在传感器上映射场景。光学带通滤波器仅允许照明单元也使用的波长通过。这有助于消除很大一部分的背景光干扰。tof激光雷达的核心是3d图像传感器，可以测量每个像素的深度和幅度值。照明单元和传感器必须通过高级电子系统进行控制，以实现尽可能高的精度。通过tof激光雷达，我们可以获取lng储罐内壁结构以及附着在内壁上的各种管线、仪表的三维信息，通过对不同相机所获取的三维信息进行拼接，我们最终可以得到储罐内部的三维全景图像，如果对不同时期的储罐内部的三维全景图像进行比对，我们就能发现储罐内部结构的异常。相机内部结构支撑件58：该部件为不锈钢钣金件，是相机内部传感器、相机pcb主板59、温控系统、4k高清相机56、激光雷达57等部件的安装支撑结构。相机pcb主板59：用来处理ccd、tof激光雷达、可燃气体传感器、温度传感器等传感器的数据，并通过千兆以太网发送到上位机或云平台中去。双路温控与可燃气体检测模块510：当相机不工作时，或者当相机工作产生的热量不足以维持内腔温度时，需要通过温控模块对内腔进行恒温控制。为避免lng因密封失效而渗漏到内腔引发事故，在相机内部还设计了可燃气体检测模块，当模块内的可燃气体传感器检测到lng气体时，即触发报警信号，并令中控系统切断本路相机的电源，从而起到故障隔离作用。为避免温控与可燃气体检测模块故障导致的相机损坏，模块中的温控与可燃气体检测电路均采用双余度设计，即采用两套不同品牌、不同型号或不同批次的传感器及电子器件进行硬件设计，并采用两套不同的软件代码来实现检测、控制与报警功能，以降低相似性故障的概率。内腔腔体511：此为内腔壳体结构，采用低温钢制造。为便于开展光学系统的布局设计，降低有关器件的采购成本，将本发明所采用的4k高清相机56与tof激光雷达的视场角均设计为市场上常见的图像系统的视场角：水平视场角h为92.5°，垂直视场角v为67°。在该视场角下，4k高清相机56与tof激光雷达的理想成像距离约为10米，为确保微光条件下的成像效果，本发明将成像距离设计为8米。按照水平视场角h为92.5°计算，使用30台相机均匀排列(每台相机成像角度为12°[以储罐轴心为参考])在距离储罐内壁8米的水平圆环上，即可获得储罐内部水平圆周上的全景图像。按照水平视场角h为92.5°计算，使用4层(间距10米)水平相机均匀排列在储罐高度方向上，即可获得储罐内部垂直高度上的全景图像。因此，本发明采用120台相机即可实现罐壁全景成像。若要对罐底、罐顶进行成像，则根据需要拍摄的部位，布局更多相机即可实现。下面具体说明电源管理系统：当相机密封系统失效，lng渗漏到相机内腔被可燃气体传感器检测到，或者相机出现了其它类型的故障，需要对故障相机进行断电处理，以杜绝安全隐患。如图4所示，为达到上述目的，需要对每路相机的电源进行单独控制。当相机检测到故障时，会向dcs系统发出故障信号，dcs系统则根据故障信号关闭对应的继电器，从而切断故障相机的电源。千兆以太网通讯采用树形光纤交换网络实现，具体结构参见图5，以太网通讯采用光纤通讯，因此不需要对相机的以太网接口进行单独隔离处理。云平台：本发明所产生的图像数据量较大，但不需要实时处理，只需要定时离线处理。所以，本发明的数据处理的云平台特别适合采用hadoop平台来实现。hadoop是一个由apache基金会所开发的分布式系统基础架构，它可以使用户在不了解分布式底层细节的情況下开发分布式程序，充分利用集群的威力进行高速运算和存储。从其定义就可以发现，它解決了两大问题：大数据存储、大数据分析。这也就是hadoop的两大核心：hdfs和mapreduce。hdfs(hadoopdistributedfilesystem，hadoop分布式文件系统)是可扩展、容错、高性能的分布式文件系统，异步复制，一次写入多次读取，主要负责存储。mapreduce为分布式计算框架，包含map(映射)和reduce(归约)过程，负责在hdfs上进行计算。hadoop是一个能够让用户轻松架构和使用的分布式计算的平台。用户可以轻松地在hadoop发和运行处理海量数据的应用程序。其优点主要有以下几个：(1)高可靠性：hadoop按位存储和处理数据的能力值得人们信赖。(2)高扩展性：hadoop是在可用的计算机集簇间分配数据并完成计算任务的，这些集簇可以方便地扩展到数以干计的节点中。(3)高效性：hadoop能够在节点之间动态地移动数据，并保证各个节点的动态平衡，因此处理速度非常快。(4)高容错性：hadoop能够自动保存数据的多个副本，并且能够自动将失败的任务重新分配。(5)低成本：与一体机、商用数据仓库以及qlikview、yonghongz-suites等数据集市相比，hadoop是开源的，项目的软件成本因此会大大降低。因此，本发明采用hadoop来构建图像存储、拼接、分析任务的云平台：使用价格低廉的linuxpc服务器作为硬件平台，使用hdfs作为图像数据存储介质，使用mapreduce来处理图像数据的拼接、分析任务。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12