一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度、液位的检测设备及检测方法与流程

本发明涉及一种储罐密度、液位的检测设备，特别是涉及一种采取可变张力和图像识别技术来检测储罐密度、液位的检测设备；相应的本发明涉及一种储罐密度、液位的检测方法。

背景技术：

目前，在石油化学制品库中，按照操作规程，需定期对储罐液体的密度、液位即液面位置等参数进行人工检测，以确定储罐内介质的密度、液位等数值、满足实际生产中对储罐内介质的存量计量测定。在现在的实际操作中，作为计量的最后一步准确核查，一般都是由操作人员必须爬到储罐顶部，打开检测孔，使用量油尺、密度计来进行密度、液位的核查。一般储罐的高度都是数十米，这项操作作业涉及登高作业，操作过程中完全是在高空进行。若有不慎，存在人员高空坠落的风险；在夏天及冬天的季节中，操作环境比较恶劣，劳动强度也比较大，测量的精度也存在人为观察的限制。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种自动检测、检测精度高、操作方便的采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度、液位的检测设备及检测方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度、液位的检测设备，包括测量筒、量油尺、导向轮、拉力传感器、小导向轮、量油尺收放轮、机箱、摄像机、导向轮支架、步进电机、磁力耦合器、控制器、量油尺收放轮支架、信号控制线、扩散器组件、信号线；

所述机箱 为防爆不锈钢机箱，在下端设有量油尺的通过孔；与扩散器组件连接成为一体，并连接在储罐检测孔位置上；储罐检测孔法兰面位置为人工检测基准位置；

检测设备上设有扩散器组件，是为了避免少量溢出的油气在摄像机检测窗口上形成凝结，影响检测数据的采集，同时增加整个测量设备的安全性，所述扩散器组件为设有扩散排水孔的圆筒状结构体，中部从上到下设有量油尺的通过孔；

在所述机箱内设有量油尺收放轮、小导向轮、导向轮；量油尺收放轮支架设置在机箱内部侧壁上，量油尺收放轮安装在量油尺收放轮支架上；小导向轮设置在量油尺收放轮的左侧上方位置，并通过小导向轮支架连接在机箱内部侧壁上；导向轮设置在小导向轮的左侧上方位置，安装在导向轮支架上，导向轮支架上悬挂连接在机箱的内壁上；

所述量油尺为由计量认证厂家生产的不锈钢测量用量油尺，底端固定连接在所述测量筒上；所述测量筒为空心不锈钢圆柱体，测量状态时垂直悬挂在储罐的内部；

所述量油尺从测量筒向上由储罐检测孔穿出，经过扩散器组件上的通过孔，进入机箱里，经过导向轮向下折返，导向轮两侧的量油尺相互平行；然后经过小导向轮的左侧向右下方延伸到量油尺收放轮上，另一端固定连接在量油尺收放轮上；

所述步进电机通过磁力耦合器驱动量油尺收放轮转动，并由控制器通过信号控制线控制量油尺收放轮的转速和正反转向；

在导所述向轮支架上设有拉力传感器，通过信号线连接在控制器上；

在导向轮左侧位置设有摄像机，用于拍摄读取量油尺上的刻度值；摄像机的安装位置为摄像机检测基准位置；

检测设备还包括图像处理模块、罐旁显示器；摄像机拍摄读取量油尺上的刻度值通过图像处理模块识别，然后经过控制器的处理，显示在罐旁显示器上；罐旁显示器设置在人工易于观察到高度位置上。

进一步优化的，具体来讲，扩散器组件由连接法兰、封闭段、封闭段顶部，扩散排水孔，密封垫、防雨罩、防水台、密封垫固定螺栓组成；

所述连接法兰连接在储罐的检测孔上，连接法兰上设有封闭段，封闭段的上端连接有封闭段顶部，形成相对密封的内腔；作用是将储罐内的油气阻挡在此内腔中，防止油气逸出；

在所述封闭段顶部下通过密封垫固定螺栓将密封垫连接在一起；目的是在测量筒不工作时上升到最大高度时，与密封垫相接触，形成储罐内部的密封，防止油气不断地逸出到检测设备的额机箱中，增加检测设备的防爆等级；

在所述封闭段顶部中部位置设有防水台；目的是防止外部开放环境的雨水进储罐内；

在所述封闭段顶部的上面圆筒处，间隔设有多段扩散排水孔；以便在测量状态时，从储罐逸出上的微量油气迅速扩散到大气中；

在所述扩散排水孔的上设有至少两层防水罩，防水罩为有一定锥度形状的防水罩；可以使外部环境的雨水从扩散排水孔打进来时，从锥度形状的表面自然流出，不会进入到储罐内部。

设置扩散器组件主要有两个重要作用：一是避免储罐内的气体直接与检测设备整体的接触，降低检测设备内的防爆区域划分等级；当设备进行检测工作时，微量的气体溢出将直接扩散到大气中；在非检测阶段，测量筒被升至扩散器内，测量筒顶部压紧密封垫，将产生微量气体泄漏的通道完全封闭。二是避免储罐内气体直接进入检测设备，在摄像机隔离窗口上产生凝结，影响摄像机对图像的识别。

优化的，所述拉力传感器为由高精度不锈钢波纹管焊接密封的防爆型拉力传感器。

优化的，所述导向轮、小导向轮、量油尺收放轮均为配石墨轴套的金属轮。

优化的，所述导向轮支架、量油尺收放轮支架及小导向轮支架均为金属材质的支架。

由上，首先关于储罐密度测量：

采用本发明的检测设备，一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度的检测方法，步骤如下：

检测设备接收到开始检测的命令后，首先摄像机对摄像机检测基准位置的量油尺读数进行读取；

控制器控制量油尺收放轮顺时针旋转，将量油尺慢慢向下放；

在测量筒未接触到液面时，拉力传感器只感受到测量筒和量油尺的重量产生的拉力；随着控制器继续将量油尺向下放，拉力传感器会检测到由于量油尺长度改变而产生的拉力变化；但在测量筒接触到液面之前，拉力传感器上的拉力变化率基本为零；

当测量筒接触到液面后，由于浮力的作用，拉力传感器上检测到的拉力将会突然变小；摄像机对量油尺读数进行读取；随着油尺的继续向下放，因浮力作用的原因，拉力传感器上检测到的拉力会变得也来越小；

当测量筒全部浸入液面后，拉力传感器上检测到的拉力的变化将会突然变小；摄像机对量油尺读数进行读取；

根据摄像机读取的结果，图像处理模块对数据进行识别处理，控制器按照测量原理中叙述的方法进行处理，并在罐旁显示器上最终显示测量的储罐密度的结果；

在测量筒继续下放，浸入到液面下的任何位置，拉力传感器检测到的微小拉力变化，相应的就会检测出被测液体在不同高度位置上的液体密度的微小变化。

其次，关于液位测量：

采取本发明的检测设备，一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐液位的检测方法，步骤如下：

检测设备接收到开始检测的命令后，首先摄像机对摄像机检测基准位置的量油尺读数进行读取；

控制器控制量油尺收放轮顺时针旋转，将量油尺慢慢向下放，在测量筒未接触到液面时，拉力传感器只感受到测量筒和量油尺的重量产生的拉力；这个拉力大于恒定拉力的控制目标值，控制器就继续将量油尺向下放；在测量筒接触到液面后，由于浮力的作用，拉力传感器上的拉力将变得越来越小；直至拉力传感器上的拉力接近恒定拉力的控制目标值，控制器将对量油尺收放轮做更精密的旋转控制，直至拉力传感器上的拉力达到控制目标值；

稳定后，摄像机对摄像机检测基准位置的量油尺读数再次进行读取；

根据摄像机读取的结果，图像处理模块对数据进行识别处理，控制器按照测量原理中叙述的方法进行处理，并在罐旁显示器上最终显示测量的储罐液位的结果。

有益效果：与现有技术相比，本发明的采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度、液位的检测设备，结构合理、布局精巧；可以很方便的对储罐内的密度进行精确测量；同时采用可变张力的方法，在测量储罐液位时，对量油尺的张力采用可变张力的控制策略，自动完成对罐内物料的液面高度的检测；可以取代人工检测储罐液液位的检尺的工作，减轻了操作人员的劳动强度和作业风险，提高了测量数据的自动采集和准确测定；减少了人为观察误差产生的不确定度；具有开创性的良好的技术效果。

附图说明

图1是本发明测量设备的结构示意图（带有扩散器组件）；

图2是本发明测量设备中扩散器组件的具体结构剖面示意图；

图3是本发明密度测量原理示意图；

图4是本发明液位测量原理示意图；

其中：机械结构部分，包括：1测量筒、2量油尺、3导向轮、4防爆拉力传感器（含拉力传感器过载保护机构）、5小导向轮、6量油尺收放轮、7机箱、8摄像机、9导向轮支架、10步进电机、11磁力耦合器、12控制器、13量油尺收放轮支架、14信号控制线、15扩散器组件；

其中15组件包括：1501连接法兰、1502封闭段、1503封闭段顶部，1504扩散排水孔，1505密封垫、1506防雨罩，1507防水台、1508密封垫固定螺栓；

还包括：图像处理模块、罐旁显示器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示：一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度、液位的检测设备，包括测量筒1、量油尺2、导向轮3、拉力传感器4、小导向轮5、量油尺收放轮6、机箱7、摄像机8、导向轮支架9、步进电机10、磁力耦合器11、控制器12、量油尺收放轮支架13、信号控制线14、扩散器组件15、信号线16；

机箱7 为防爆不锈钢机箱，在下端设有量油尺2的通过孔；与扩散器组件15连接成为一体，并连接在储罐检测孔位置上；储罐检测孔法兰面位置为人工检测基准位置；

检测设备上设有扩散器组件，是为了避免少量溢出的油气在摄像机检测窗口上形成凝结，影响检测数据的采集，同时增加整个测量设备的安全性；扩散器组件15为设有扩散排水孔的圆筒状结构体，中部从上到下设有量油尺2的通过孔；

在机箱7内设有量油尺收放轮6、小导向轮5、导向轮3；量油尺收放轮支架13设置在机箱7内部侧壁上，量油尺收放轮6安装在量油尺收放轮支架13上；小导向轮5设置在量油尺收放轮6的左侧上方位置，并通过小导向轮支架连接在机箱7内部侧壁上；导向轮3设置在小导向轮5的左侧上方位置，安装在导向轮支架9上，导向轮支架9上悬挂连接在机箱7的内壁上；

量油尺2为由计量认证厂家生产的不锈钢测量用量油尺，底端固定连接在所述测量筒1上；所述测量筒1为空心不锈钢圆柱体，测量状态时垂直悬挂在储罐的内部；

量油尺2从测量筒1向上由储罐检测孔穿出，经过扩散器组件15上的通过孔，进入机箱7里，经过导向轮3向下折返，导向轮3两侧的量油尺2相互平行；然后经过小导向轮5的左侧向右下方延伸到量油尺收放轮6上，另一端固定连接在量油尺收放轮6上；

步进电机10通过磁力耦合器11驱动量油尺收放轮6转动，并由控制器12通过信号控制线14控制量油尺收放轮6的转速和正反转向；

在导向轮支架9上设有拉力传感器4，通过信号线16连接在控制器12上；

在导向轮3左侧位置设有摄像机8，用于拍摄读取量油尺2上的刻度值；摄像机8的安装位置为摄像机检测基准位置；

检测设备还包括图像处理模块、罐旁显示器；摄像机8拍摄读取量油尺2上的刻度值通过图像处理模块识别，然后经过控制器12的处理，显示在罐旁显示器上；罐旁显示器设置在人工易于观察到高度位置上。

如图2所示：进一步优化的，具体来讲，扩散器组件15由连接法兰1501、封闭段1502、封闭段顶部1503，扩散排水孔1504，密封垫1505、防雨罩1506、防水台1507、密封垫固定螺栓1508组成；

连接法兰1501连接在储罐的检测孔上，连接法兰1501上设有封闭段1502，封闭段1502的上端连接有封闭段顶部1503，形成相对密封的内腔；作用是将储罐内的油气阻挡在此内腔中，防止油气逸出；

在封闭段顶部1503下通过密封垫固定螺栓1508将密封垫1505连接在一起；目的是在测量筒1不工作时上升到最大高度时，与密封垫1505相接触，形成储罐内部的密封，防止油气不断地逸出到检测设备的额机箱中，增加检测设备的防爆等级；

在封闭段顶部1503中部位置设有防水台1507；目的是防止外部开放环境的雨水进储罐内；

在封闭段顶部1503的上面圆筒处，间隔设有多段扩散排水孔1504；以便在测量状态时，从储罐逸出上的微量油气迅速扩散到大气中；

在扩散排水孔1504的上设有至少两层防水罩1506，防水罩1506为有一定锥度形状的防水罩；可以使外部环境的雨水从扩散排水孔1504打进来时，从锥度形状的表面自然流出，不会进入到储罐内部。

设置扩散器组件主要有两个重要作用：一是避免储罐内的气体直接与检测设备整体的接触，降低检测设备内的防爆区域划分等级；当设备进行检测工作时，微量的气体溢出将直接扩散到大气中；在非检测阶段，测量筒被升至扩散器内，测量筒顶部压紧密封垫，将产生微量气体泄漏的通道完全封闭。二是避免储罐内气体直接进入检测设备，在摄像机隔离窗口上产生凝结，影响摄像机对图像的识别。

优化的，拉力传感器4为由高精度不锈钢波纹管焊接密封的防爆型拉力传感器。

优化的，导向轮3、小导向轮5、量油尺收放轮6均为配石墨轴套的金属轮。

优化的，导向轮支架9、量油尺收放轮支架13及小导向轮支架均为金属材质的支架。

测量原理：以开始时测量筒底部位于人工检测基准点，来说明测量原理。

A.密度测量：如图3所示，

测量筒的重量被设计成同体积水的重量1.1倍，可以认为测量筒的“平均密度”为1.1g/cm³（视水的密度为1.0g/cm³），这个密度大于多数被测介质的密度。随着步进电机带动量油尺收放轮顺时针旋转，测量筒将会向下移动。测量筒下降到的位置，由摄像机对量油尺的读取结果来确定。测量筒停留在液面以下任何位置时，根据力平衡的原理，可以得到：

F/2=(L + Lg-Lclt)*ρlyc+ Wclt– (Vclt + Ljr*Slyc) *ρ （1）

由式（1）可以导出：

ρ=【F/2-(L + Lg-Lclt)*ρgl- Wclt】/(Vclt + Ljr*Slyc) （2）

在式（1）、（2）中

ρ为罐内物料密度（被检测参数）；

F为拉力传感器上的受力（可由拉力传感器测出）；

L为量油尺放下的长度（摄像机读出）；

Lg为量油尺从人工检测基准到摄像机检测基准之间的距离（常数）；

Lclt为测量筒长度（常数）；

ρlyc为量油尺单位长度的重量（常数）；

Wclt为测量筒的重量（常数）；

Vclt为测量筒体积（常数）；

Ljr为浸入液面的量油尺长度（随着测量筒的下降，当测量筒接触到液面时，由于浮力的作用，拉力传感器上的张力会发生明显减少的变化，一旦测量筒完全浸入液面，这个张力明显的变化就会消失，此后的下降距离就是浸入液面的量油尺长度。也就是说，这个参数可根据测量筒下降过程中，拉力传感器的突然变化和这个变化消失后摄像机的读尺结果；

Slyc为量油尺的截面积（常数）；

式（2）就是计算罐内物料密度的算式。很明显，式（2）中的各种参数，除了常数以外，其他参数均可通过检测和间接计算出来。

B：液位测量：如图4所示，

进行密度测量时，设计的测量筒的“平均密度”为1.1g/cm³，大于被测物料密度，保证测量筒会随着下放的量油尺浸入液面。采用同样的这个测量筒，进行液位测量，如果能够让量油尺上保持一个固定的张力（拉力），无论液位在任何位置，若这个固定的张力能保证测量筒不会完全浸入液面，又不会把测量筒完全拉出液面，当液面发生变化时，测量筒就能跟随液位的变化，一直“漂浮”在液面上。

通过实际数据来说明这个过程会更加容易理解。

比如液面变化的最大范围是30米，量油尺的规格为宽15毫米，厚度0.2毫米。测量筒的外径为130毫米，测量筒的长度是300毫米。测量筒的体积就是3980立方厘米，测量筒的重量被人为设置成同等体积水的重量1.1倍时，它的重量就是（3980*1.1=）4378克重。以被测物料密度为0.876为例，测量筒完全浸入被测物料时，物料产生的浮力等于3980*0.876=3486克。测量筒重量减去这个浮力就是保证测量筒不下沉的最小拉力（4378-3486）=892克，考虑到在最低液面时量油尺重量的影响（30米长的量油尺的重量约为1000克），那么这个保证测量筒在最低液面时不下沉的最小拉力就是892+1000=1892克。也就是说，如果可以让量油尺上保持的固定张力（拉力）大于1892克，比如设定为1900克，那么测量筒将会随着液面变化“浮”在液面上。

换句话说，只要控制器通过控制量油尺收放轮的转动，使得拉力传感器在液位测量的过程中，始终保持3800克的恒定拉力，测量筒将会随着液面变化“浮”在液面上。

根据图4，在固定拉力的控制下，液面变化到位置任何时，以下算式成立。

F/2=(L + Lg-Lclt)*ρlyc+ Wclt– Sclt *Lx*ρ （3）

由式（3）可以导出：

Lx=【F/2-(L + Lg-Lclt)* ρlyc- Wclt】/ Sclt *ρ （4）

在式（3）、（4）中

Lx为浸入液面下的测量筒长度

F为拉力传感器上的受力（由拉力传感器测出，测量液面时设定为恒定值）

L为量油尺放下的长度（由摄像机读出）

Lg为量油尺从检测基准到和导向轮的接触点之间的距离（常数）

Lclt为测量筒长度（常数）

ρlyc为量油尺单位长度的重量（常数）

Wclt为测量筒的重量（常数）

Sclt为测量筒截面积（常数）

ρ为罐内物料密度（通过检测得到,见密度检测原理）

式（4）就是在任何液面位置，在固定张力控制下，测量筒浸入液面下部分的长度计算公式。

有了测量筒浸入液面下部分长度的计算结果，液面离开检测基准的高度就是L-Lx。这其实也就是人工检尺的结果。

从上述对密度和液面的测量原理可以看出，在对这两种参数的测量过程中，量油尺的张力情况是完全不同的。进行密度测量时，不需要对张力进行干预。测量液面时，采用了张力控制的办法；这就是把这个方法称作可变张力法的主要原因。

综上，首先关于储罐密度测量：

一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度的检测方法，步骤如下：

检测设备接收到开始检测的命令后，首先摄像机对摄像机检测基准位置的量油尺读数进行读取；

控制器控制量油尺收放轮顺时针旋转，将量油尺慢慢向下放；

在测量筒未接触到液面时，拉力传感器只感受到测量筒和量油尺的重量产生的拉力；随着控制器继续将量油尺向下放，拉力传感器会检测到由于量油尺长度改变而产生的拉力变化；但在测量筒接触到液面之前，拉力传感器上的拉力变化率基本为零；

当测量筒接触到液面后，由于浮力的作用，拉力传感器上检测到的拉力将会突然变小；摄像机对量油尺读数进行读取；随着油尺的继续向下放，因浮力作用的原因，拉力传感器上检测到的拉力会变得也来越小；

当测量筒全部浸入液面后，拉力传感器上检测到的拉力的变化将会突然变小；摄像机对量油尺读数进行读取；

根据摄像机读取的结果，图像处理模块对数据进行识别处理，控制器按照测量原理中叙述的方法进行处理，并在罐旁显示器上最终显示测量的储罐密度的结果；

在测量筒继续下放，浸入到液面下的任何位置，拉力传感器检测到的微小拉力变化，相应的就会检测出被测液体在不同高度位置上的液体密度的微小变化。

其次，关于液位测量：

一种采取可变张力和图像识别技术测量储罐液位的检测方法，步骤如下：

检测设备接收到开始检测的命令后，首先摄像机对摄像机检测基准位置的量油尺读数进行读取；

控制器控制量油尺收放轮顺时针旋转，将量油尺慢慢向下放，在测量筒未接触到液面时，拉力传感器只感受到测量筒和量油尺的重量产生的拉力（如4400克）；这个拉力大于恒定拉力的控制目标值（如3800克，测量原理中的B.液位测量），控制器就继续将量油尺向下放；在测量筒接触到液面后，由于浮力的作用，拉力传感器上的拉力将变得越来越小；直至拉力传感器上的拉力接近恒定拉力的控制目标值（3800克），控制器将对量油尺收放轮做更精密的旋转控制，直至拉力传感器上的拉力达到控制目标值；

稳定后，摄像机对摄像机检测基准位置的量油尺读数再次进行读取；

根据摄像机读取的结果，图像处理模块对数据进行识别处理，控制器按照测量原理中叙述的方法进行处理，并在罐旁显示器上最终显示测量的储罐液位的结果。

该发明的采取可变张力和图像识别技术测量储罐密度、液位的检测设备，结构合理、布局精巧；可以很方便的对储罐内的密度进行精确测量；同时采用可变张力的方法，在测量储罐液位时，对量油尺的张力采用可变张力的控制策略，自动完成对罐内物料的液面高度的检测；可以取代人工检测储罐液液位的检尺的工作，减轻了操作人员的劳动强度和作业风险，提高了测量数据的自动采集和准确测定；减少了人为观察误差产生的不确定度；具有开创性的良好的技术效果。