基于激光测距技术的储罐罐壁变形监测装置的制作方法

本发明属于结构监测领域，具体地，涉及一种利用激光测距技术来监测储罐径向形变的装置。

技术背景

作为国家未来发展的战略资源，石油资源的正常储存工作是当前国家石油战略发展的重要环节。目前，由于战略发展的需求，储罐的数量及体积迅速增加。储罐的体积越大，危险系数也就越大，再加上我国早期油库已出现了部分储罐罐壁变形，故而储罐罐壁变形后的安全评价和有效修复已引起油库管理者的高度重视。国内外大部分大型储罐主要是由不等厚的壁板组成，利用非锚固定安放在地基上，长时间使用后，储罐会不可避免地发生基础沉降，从而导致罐壁受力不均，产生径向形变。储罐罐壁形变轻则会导致卡盘现象，储罐储存量减少；重则会导致储罐破裂，原油泄露。

由于国内外罐壁变形的自动实时监测系统的研究基本处于空白领域，因此此处借鉴高层建筑变形的监测与分析技术。根据大型建筑物变形的专利和论文的调查与研究，国内外学者们利用GPS技术进行超高层建筑变形监测已经取得了一定成果，目前主要有两种技术算法：一是通过GPS RTK技术来进行变形解算，采用OTF(On The Fly)方法进行模糊度固定，这种方法需要连续的没有周跳的多历元的观测数据才能正确固定模糊度，当GPS星座改变或卫星失锁时经常会导致固定模糊度失败，从而使变形解算失败。二是利用GPS进行变形监测的单历元算法，这种方法不需要进行周跳的探测和修复，并且只需要一个历元的数据就可以进行变形解算，但是目前的单历元算法的适用范围小。

技术实现要素：

为了解决现有技术所存在的不足，本发明提供一种基于激光测距技术的储罐罐壁变形监测装置，能实时地监测储罐罐壁径向变形情况并记录数据，获取适量观测点的位置信息，为储罐变形监测预警系统提供罐壁变形的原始数据。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

储罐罐壁变形监测装置，包括：方形有机玻璃管、第一侧板、第二侧板、步进电机、L形支架、第一齿轮、第二齿轮、固定板、激光测距模块固定装置、激光测距模块、旋转轴、电路控制板和电源的集成装置；方形有机玻璃管和第一侧板、第二侧板相连接，构成本装置的外壳，侧板的一面有中央盲孔，内设轴承，用于固定旋转轴；步进电机通过L形支架固定在方形有机玻璃管上，步进电机是整套装置的动力，步进电机与第一齿轮连接，带动第一齿轮转动；第一齿轮通过齿轮间的啮合带动第二齿轮转动；第二齿轮是一个半圆形齿轮，其中央孔通过旋转轴，第二齿轮以旋转轴的轴心为中心转动，旋转轴的两端分别固定在第一侧板和第二侧板的中央孔上；第二齿轮的平面与固定板的一面连接，固定板的另一面与激光测距模块固定装置相配合连接，在激光测距模块固定装置中放置三个激光测距模块，当第一齿轮带动第二齿轮转动时，第二齿轮带动激光测距模块转动。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：预警系统可结合历史监测数据和预设的临界值进行分析，实时地模拟出储罐的罐壁形状，给出储罐当前状态的安全评价并进行预警报警。整个装置成本低廉、操作简单、误差小、精度高、数据处理简单、自动化程度高；使用该装置监测储罐罐壁变形，可以得到储罐罐壁变形的精确数值，为安全运行和及时维修提供可靠保障。

附图说明

图1a是储罐罐壁变形监测及预警装置的立体示意图；

图1b是方形有机玻璃管和侧板的立体示意图；

图2是储罐罐壁变形监测及预警装置的内部立体示意图；

图3是L形支架的立体示意图；

图4是固定板的立体示意图；

图5a是激光测距模块后视示意图；

图5b是激光测距模块固定装置的立体示意图；

图中：1、方形有机玻璃管，2、第一侧板，3、第二侧板，4、步进电机，5、L形支架，6、第一齿轮，7、第二齿轮，8、固定板，9、激光测距模块固定装置，10、激光测距模块，11、旋转轴，12、电路控制板和电源的集成装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

储罐罐壁变形监测装置，包括：方形有机玻璃管1、第一侧板2、第二侧板3、步进电机4、L形支架5、第一齿轮6、第二齿轮7、固定板8、激光测距模块固定装置9、激光测距模块10、旋转轴11、电路控制板和电源的集成装置12；方形有机玻璃管1和第一侧板2、第二侧板3相连接，构成本装置的外壳，侧板的一面有中央盲孔，内设轴承，用于固定旋转轴11；步进电机4通过L形支架5固定在方形有机玻璃管1上，步进电机4是整套装置的动力，步进电机4与第一齿轮6连接，带动第一齿轮6转动；第一齿轮6通过齿轮间的啮合带动第二齿轮7转动，第二齿轮7是一个半圆形齿轮，其中央孔通过旋转轴11，第二齿轮7以旋转轴11的轴心为中心转动，旋转轴11的两端分别固定在第一侧板2和第二侧板3的中央孔上；第二齿轮7的平面与固定板8的一面连接，固定板8的另一面与激光测距模块固定装置9相连接配合，在激光测距模块固定装置9中放置三个激光测距模块10，当第一齿轮6带动第二齿轮7转动时，第二齿轮7可以带动激光测距模块10转动。

如图1a、1b所示，方形有机玻璃管1是由四面大小相同且互相垂直的板组成的无盖立方体。方形有机玻璃管1两端面的四个角上分别都有一个螺纹孔，两端面分别与第一侧板2、第二侧板3上的四个螺纹孔通过螺钉相配合连接，即为完整的立方外壳。

如图1a、1b和图2所示，第一侧板2和第二侧板3的大小、形状、结构均相同，故只描述一个侧板的结构。第一侧板2四角分别有一个螺纹孔，用于与方形有机玻璃管1连接；第一侧板2内面中央有一个盲孔，用于安装滚动轴承，滚动轴承的内孔与旋转轴11相配合；第一侧板2中的滚动轴承和第二侧板3中的滚动轴承都与旋转轴11配合，进而固定旋转轴11的位置。

如图1b所示，方形有机玻璃管1的一个板的内壁上固定电路控制板和电源的集成装置12，与该板相垂直的一个板上设有四个螺纹孔，用于与L形支架5的四个螺纹孔相配合连接，将L形支架5固定于方形有机玻璃管1上。

如图3所示，L形支架5有两个垂直的平面。其中一面有四个通孔，通过4个螺栓将L形支架5与方形有机玻璃外壳1相连接；另一个面上中间有一圆孔，圆孔周围均匀分布四个通孔，用以固定步进电机4。

如图2所示，步进电机4通过螺钉连接固定在L形支架5上，步进电机4与第一齿轮6通过平键联接来传动扭矩，使第一齿轮6转动；第一齿轮6与第二齿轮7之间通过齿轮啮合相配合，相对于第一齿轮6而言，第二齿轮7的齿数增加了一倍，用于减缓激光测距模块固定装置9的转动；第二齿轮7固定在旋转轴11上，旋转轴11依次穿过轴套、第二齿轮7、轴套，两个轴套位于第二齿轮7的两侧，用于限制第二齿轮7的轴向运动；第二齿轮7的平面有上下两个螺纹孔，用于与固定板8上的两个螺纹孔相配合连接，

如图4所示，固定板8的内侧面的中央位置上下有两个螺纹孔，用于与第二齿轮7相配合连接；固定板8的外侧面上有四个沉头孔，用以与激光测距模块固定装置9上的四个螺纹孔相配合。

如图5a所示：激光测距模块固定装置9是一个方形盒。方形盒开口的一面的四角上，分别存在一个螺纹孔，用于与固定板8的四个沉头孔相对应连接；如图5b所示，激光测距模块固定装置9开口的对面上有三个圆孔，激光测距模块固定装置9内部安置三个激光测距模块10，每一个激光测距模块10探头分别对应着一个圆孔，便于发射和接收信号。

储罐罐壁变形监测装置对储罐罐壁变形监测过程的实现，以一个周期为例说明如下：电源12为电路控制板提供电量，电路控制板12产生并向步进电机4发出脉冲信号，步进电机4接收到脉冲信号后，通过与第一齿轮6之间的平键配合给第一齿轮6提供扭矩，带动第一齿轮6转动，第一齿轮6与第二齿轮7之间啮合，第二齿轮7以旋转轴11为中心转动，进而带动激光测距模块固定装置9从预设初始位置向下扫描，逐步产生角位移；激光测距模块固定装置9每旋转一个角度，三个激光测距模块10分别测量到其自身到储罐罐壁的距离，由电路控制板12记录相应角度下对应的位置信息，并通过电路板12中的无线传输模块，将记录的数据发送给储罐变形预警系统进行数据储存及处理。当激光到达储罐底部时，激光测距模块10旋转的角度超过预设范围，步进电机4反向转动，带动激光测距模块10反向转动；当激光到达储罐顶端，即激光测距模块10回到初始位置时，激光测距模块10旋转的角度大于预设范围，步进电机4停止运行，一个监测周期结束。

对于每个监测周期，装置可以测量得到储罐罐壁变形的原始数据。通过对比监测到的原始数据与储罐罐壁未变形时监测到的历史数据，系统可以获得储罐罐壁的变形值。若存在超出预设临界值的变形值，则系统发出预警。其中，预设临界值可以通过SHT3528-2005《石油化工钢铁储罐地基与基础施工及验收规范》，API 652-2009《Tank Inspection，Repair，Alteration，and Reconstruction》和SY/T5921-2011《立式圆筒型钢制焊接储罐操作维护修理规程》等标准计算并获得。

以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。