CN107643100A - 一种可高效判断泄露的罐车综合测量*** - Google Patents

一种可高效判断泄露的罐车综合测量*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了罐车综合测量***，可测量液位、压力、温度、密度等储液罐内危化品状态信息，同时可测量姿态、GPS等车辆状态信息，并通过多传感量融合算法进行罐车的泄露判断。本测量***包含基础参数测量模块、GPS测量模块、姿态传感模块、综合参数处理单元、无线传感模块。基础参数测量模块底端设置的第一温度传感器和第一压力传感器，其上方设置第二压力传感器，顶端设置第三压力传感器；本发明采用三点高精度静压测量技术，通过多传感器的融合技术，实现危化品状态参数的高精度测量，本发明集成化程度高，能同时测量多种参数，解决了危险化学液体储运过程中的全面监测问题，通过三点压力高速采样，对压力变化振荡波形分析，可判断罐体泄露。

Description

一种可高效判断泄露的罐车综合测量***
技术领域
本发明属于罐车安全监控、测量领域，具体涉及一种多参数高精度测量的综合***。
背景技术
危险化学液体是化学工业液态的产品、原料或半成品，例如液化石油气、液氯、液态氯乙烯、液态乙烯、液态丙烯、液氨、液氢、液氮、液氧、硫化氢、盐酸、硝酸、乙醇、甲醇、汽油、柴油、航空煤油等，这些液体往往具有毒性、腐蚀性、易燃爆、易污染环境等特点，有很多还有高压力。在危险化学液体存储和运输的过程中，要对其液位、温度、压力、密度等关键参数进行测量，同时还需监测盛放危险化学液体的储罐是否存在液体泄露，即罐体泄露报警监测。
目前，活动罐车领域的集成参数测量***，主要是液位、温度、GPS等参数的集成测量，按照相关运输车辆油位、液位及其它监控需求，进行相应的传感器的布设，并进行相关***的集成，但是不同传感器的集成及精度等级的控制处理还是比较差的，高精度的控制造成相对的控制成本会比较高，对于传感器的选择及其位置的布设工作需要进行比较高的评估。传统的密封储罐的液位的测量，其液位测量传感装置主要采用浮球或者超声波的相关的布设进行测量，模块化的整体的布设需要进行较高程度的集成。
目前，活动罐车领域的参数测量，按照模块化的需求进行模块化的功能设计，进行GPS、姿态、温度、液位及压力的测量，能同时测量压力容器和常压容器内危险化学液体液位的传感器常规产品为差压液位测量模块。差压液位测量液位的原理为：h＝△P/(ρ*g)(h为液位，△P为压力差，ρ为被测介质密度，g为重力加速度)。一方面，由于差压液位测量模块在测量液位时与被测介质的密度有关，这就使得在测量非纯净介质(例如柴油，不同的生产商其纯度不同，导致其密度也不同)时，密度会对液位测量结果产生很大的精度影响；另一方面，由于差压液位测量模块在测量液位时与重力加速度g有关，当危险化学液体处于运输过程时，地理位置的改变会导致g的变化，g的变化会引起液位测量误差。另外，差压液位测量模块不能测量被测介质的密度，如果要测量介质的密度，则需采用专门测密度的传感器；危险化学液体的温度同样是一个重要的参数，传统方案也需要单独采用温度传感器；罐体泄露报警监测对于危险化学液体运输、存储过程中的安全性具有重要意义，传统方案要进行罐体泄露报警监测也需采用专门的传感器。所以，要对应用于危险化学液体测量的活动罐车的多参数进行测量，传统方案测量精度差、传感器数量，同时会带来安装复杂、成本增加等缺点，目前国内还没有能高精度、同时测量危险化学液体的液位、温度、压力、密度、罐体泄露报警信息等关键参数的一体化测量装置，姿态、GPS等信息和基础的传感器进行合并，以构建相应的测量***。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种在基础GPS、姿态传感器应用的同时，能够比较完善的改善液位监测的综合参数，能够高精度、同时测量危险化学液体的液位、温度、压力、密度、罐体泄露报警信息等关键参数。
为了达到上述目的，按照罐车罐体的高精度测量需求，设置基础参数测量模块，采用三段式结构集成多参数测量模块，并能够将参数进行综合处理，解决测量***下单个参数测量集成的精度低的问题。包括均为空心的上段不锈钢钢管和下段不锈钢钢管，下段不锈钢钢管的底端封装有第一温度传感器(5)和第一压力传感器(2)，下段不锈钢钢管的顶端封装有第二温度传感器(6)和第二压力传感器(3)，上段不锈钢钢管的底端封装有第三温度传感器(7)和第三压力传感器(4)，第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)通过中段不锈钢硬管或软管(9)连接；
依据具体的现实需求采用软管、硬管实现传感器的连接，能够更加方便产品的应用，依据具体实施场景实现对应设计，具体可以有如下优点：
a.按照具体的实际应用，中段的柔性软管连接设置可大大提高测量深度；
b.采用软管便于运输，解决实际运输过程中震动对硬管测量装置的损坏影响；
c.便于施工人员进行安装。
所述第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)的压力输入端与被测介质接触，另一端封装在不锈钢钢管内；温度传感器设置在不锈钢钢管内，并且与不锈钢钢管内壁接触实现热传导，设置多个温度传感器可实现多个位置的温度测量，便于***进行整体温度的综合判断。
所述第一温度传感器(5)、第二温度传感器(6)、第三温度传感器(7)、第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)均与通信电缆连接。
所述第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)包括MEMS表压传感器、MEMS绝压传感器、MEMS差压传感器、陶瓷电容式表压压力传感器、陶瓷电容式绝压压力传感器或陶瓷电容式差压压力传感器。
基础参数测量模块的控制电路，包括分别给第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)提供激励源信号的三个激励源电路，三个激励源电路均与通信电缆相连接，第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)均通过对应的放大电路和滤波电路连接到高速ADC上，第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)还连接有多路复用器，温度传感器连接有恒流源电路和多路复用器，多路复用器通过PGA连接ADC，ADC均连接有ARM处理器。
所述激励源电路为恒流源电路和恒压源电路两者中的一个或结合。
与现有技术相比，本发明采用三点差压测量技术原理实现基础参数测量模块的综合罐体液位信息测量，通过多传感器的融合技术，实现液位的高精度基础参数测量，本发明集成化程度高，能同时测量液位、压力、温度、密度及罐体泄露信息五种参数，单模块解决了危险化学液体储运过程中储液罐内危化品状态信息的全面监测问题，并且大幅降低了成本和产品安装的复杂性，通过三点压力高速采样，对压力变化振荡波形分析，设置相应的阈值系，设置合理的波动判断，通过具体的程序设置进行相关的判断，可判断罐体泄露。
在车上安装相应的GPS模块模块，设置相应的车载终端将相应的数据处理、回传至后台服务器进行相关的展示并可以进行相关参数的判断。
根据采集到的GPS模块定位信息，可以实现以下几个功能：
1.车辆里程计算；
2.车辆速度协助判断；
3.基础事件发生的基础物理信息，可进行相关事件的时间、地点明确；
4.进行车辆行驶轨迹的记录及判断工作。
***内部集成GPS模块解决了油耗监控终端的局限性，并且能够比较准确定位车辆位置信息同时进行相关速度的计算工作。
所述的GPS模块(11)能够比较快速的解决相关的数据回传工作，将相关的数据输出至车载终端，实时、快速并且综合的解决各种数据的上传并可以进行相关模块的实际的操作。
并且将相关的数据回传至后台服务器(15)，后台服务器(15)对数据进行展示，按照具体的需求，能够同时完成个人数据的展示，通过短信、微信公众号等相关的方式实现具体数据的展示及告知工作，能够比较及时、可靠的实现相关报警信息传达及相关实时数据展示。
姿态传感模块用于车辆运行状态判断，用以监测相应的车辆动态信息，采用角度传感器、陀螺仪以及加速度传感器等判断撞车、倾斜以及急转弯等车辆运行状态。
所述的姿态测量装置具体实施如下：角度传感器、加速度以及陀螺仪传感器、ADC(信号处理模块)、无线传输模块。
按照综合的传感器数据处理操作方式，将相关的加速度进行布设进行车辆数据的回传以及基础的状态信息的判断。
设置无线传输模块，将相关的数据回传至后台服务器，通过后台进行相关数据的监控，并能够设置基本的微信平台或者手机信息通知，进行相关数据的实时显示，并且在出现异常报警状况的时候，能够将相关的基础信息发送给司机及相关人员，能够做到车辆运行状态及异常状况的报警，能够比较大的程度上解决司机监控不准确、不及时的问题。
另外，通过车辆倾角及相关的状态可进行撞车、急转弯以及车辆倾角的判断，通过相关的算法同时能够实现液位数据的补偿工作，能够实现具体数据的相关补偿工作，可以更加精确地进行液位的监测及测量。
附图说明
图1罐车综合参数测量布局图；
图2罐车综合参数测量***控制电路***框图；
图3基础参数测量模块图；
图4基础参数测量模块电路***框图。
具体实施方式
下面集合附图对本发明做进一步说明。
参见图2，所述的罐车综合数据采集及监控***采用以下部件：基础参数测量模块(1)、GPS测量模块(11)、姿态传感模块(12)、综合参数处理单元(13)、无线传感模块(14)。
参见图3，基础参数测量模块，包括均为空心的上段不锈钢钢管和下段不锈钢钢管，下段不锈钢钢管的底端封装有第一温度传感器(5)和第一压力传感器(2)，下段不锈钢钢管的顶端封装有第二温度传感器(6)和第二压力传感器(3)，上段不锈钢钢管的底端封装有第三温度传感器(7)和第三压力传感器(4)，第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)可通过中段不锈钢钢管连接，还能够通过软管密封连接，所述基础参数测量模块(1)能够是杆式结构，也能够是缆式结构，进而增大基础参数测量模块的工作深度，并能适应具体的运输及工作场景需求；第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)的压力输入端与被测介质接触，另一端封装在不锈钢钢管内；温度传感器设置在不锈钢钢管内，并且与不锈钢钢管内壁接触实现热传导；第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)包括MEMS表压传感器、MEMS绝压传感器、MEMS差压传感器、陶瓷电容式表压压力传感器、陶瓷电容式绝压压力传感器或陶瓷电容式差压压力传感器。
参见图4，基础参数测量模块(1)的控制电路，包括分别给第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)提供激励源信号的三个激励源电路，第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)均通过对应的放大电路和滤波电路连接到高速ADC上，第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)还连接有多路复用器，温度传感器连接有恒流源电路和多路复用器，多路复用器通过PGA连接ADC，ADC均连接有ARM处理器。
第三压力传感器(4)实现了对盛放危险化学液体的罐内气相压力的测量，第一压力传感器(2)实现了对危险化学液体所产生的压力与盛放危险化学液体的罐内气相压力之和的测量；由于第二压力传感器(3)和第一压力传感器(2)具有固定的高度差，这样，通过第一压力传感器(2)和第二压力传感器(3)的压力差便可得出ρ·g(被测危险化学液体的密度与重力加速度的乘积)的值；通过高速处理电路对3个压力传感器输出的采样处理分析，可以获取罐体泄露报警信息。
本发明基础参数测量模块(1)技术原理为：3路激励源电路分别给3个压力传感器提供激励源信号，恒流源电路给温度传感器提供激励源信号，一方面，压力传感器和温度传感器的输出信号通过多路复用器分时依次进入增益可编程放大电路，经过放大后的信号进入ADC转换为数字量，数字量通过MCU分析、处理后得出液位、压力、温度、密度参数量；另一方面，压力传感器的输出信号经高速放大电路放大及滤波电路滤除干扰后进入高速采样电路，三点压力的高速采样值进入处理器，处理器通过对压力变化振荡波形分析，可判断罐体是否泄露。输出电路为总线式数字输出方式，将液位、压力、温度、密度、罐体泄露报警信息输出给控制后台设备。
使用时，参照如下步骤：
步骤一：将第一温度传感器(5)和第一压力传感器(2)、第二温度传感器(6)和第二压力传感器(3)和置于被测危险化学液体的液相中，第三温度传感器(7)和第三压力传感器(4)置于盛放被测危险化学液体的罐的气相中，三个压力传感器组成了三点差压测量；
步骤二：第一压力传感器(2)为S1，测得的压力为P1；第二压力传感器(3)为S2，测得的压力为P2；第三压力传感器(4)为S3，测得的压力为P3；S1和S2间的固定高度差为H；被测危险化学液体的液位为h，被测危险化学液体的密度为ρ；重力加速度为g；
步骤三：由于，
P1-P2＝ρ.g.H,P1-P3＝ρ.g.h,
所以，
h＝(P1-P3)/(ρ.g)
＝(P1-P3)/[(P1-P2)/H]
可见：液位测量结果与被测危险化学液体的密度和重力加速度无关，只与固定的高度差及测出的压力差相关；
密度测量原理：
因为：ρ.g＝(P1-P2)/H
所以：ρ＝(P1-P2)/(g.H)
步骤四：压力测量：
P1为被测危险化学液体的液相压力；
P3为盛放被测危险化学液体罐内的气相压力；
温度测量：
通过内置的三个温度传感器测量危险化学液体的温度，分别不同位置的温度信息进行测量，进行具体罐内实时温度信息的测量，并可以按照温度测量精度要求，对相关的温度数据进行集成处理。
罐体泄露报警信息测量：
通过高速ADC对三点压力进行高速采样，对压力变化振荡波形分析，获取罐体泄露报警信息。
电路部分实现对传感器提供激励及采样传感器的输出的功能，同时对采集到的信号通过相应算法进行分析处理，从而得到需输出的结果参数并以总线的方式进行输出。通过三点差压测量实现了对危险化学液体盛放罐中的液位、压力(含气相压力和液相压力)、密度、罐体泄露报警信息参数的测量，并且，由于采用三点差压测量，液位测量结果与被测危险化学液体的密度无关，同时也和重力加速度g无关，只与固定的高度差及测出的压力差相关，再通过公式推导，实现对液位、温度、压力参数的精确测量；因对于固定地区g为常量，从而可计算出液体密度，再通过对压力传感器输出的高速采样、分析处理，可测出压力突变信号从而获取罐体泄露报警信息。从而实现对液体液位、温度、密度、压力、罐体泄露报警信息五种状态参数的精确测量。
GPS模块及姿态传感模块安装于罐车内部基础参数测量模块上方，并和罐体进行固定，可以很精确的进行相关数据的报警及测量工作。
GPS模块设置于基础参数测量模块上端的表头模块内，并和罐体固定，上传相应的位置信息，采用恒流源对相关的模块进行供电操作，能够比较快速的实现相关数据的传输，具体实施如下：
a.设置固定的间隔时间t1，进行相关液位、压力、温度等相关数据的上传，并且能够输出相对应的液位数值并进行数据回传，后台显示标准的储液罐内危化品基础状态信息并进行报警监控，同时表头模块内可设置显示模块，进行储液罐内危化品状态信息实时显示；
b.设置对应的实时油耗基准数值，并设置标准的活动区间阈值；
c.设置固定的时间间隔t2获取相对应的定位数据并且能够获得实时对应液位数据；
d.相关的数据上传至后台服务器，记录里程以并对对应油耗数据；
e.针对相对应的实时数据进行相关实时油耗的计算机相关上报工作；
f.根据相关算法进行判断，得到基准数据，进行实时的加漏油判断并且进行百公里油耗的计算并进行实时展示。
按照具体的需求可进行相关的数据的展示，可通过后台平台设置进行手机、车机显示等具体的实现。
对应相应的姿态信息***设置相应的阀值，数据处理模块对相对应的姿态数据进行判断，当超过所设阀值时，进行相对的状态报警。
根据采集到的GPS模块定位信息，可以实现以下几个功能：
a.车辆里程计算；
b.车辆速度协助判断；
c.基础事件发生的基础物理信息，可进行相关事件的时间、地点明确；
d.进行车辆行驶轨迹的记录及判断工作。
相关的数据回传至后台服务器，后台服务器对数据进行展示，按照具体的需求，能够同时完成用户数据的展示，通过短信、微信公众号等相关的方式实现具体数据的展示及告知工作，能够比较及时、可靠的实现相关报警信息传达及相关实时数据展示。
姿态传感模块安装于基础参数测量模块上端的表头模块内，并和罐体固定，采用角度传感器、陀螺仪以及加速度传感器等判断撞车、倾斜以及急转弯等车辆运行状态。
所述的姿态测量装置具体实施如下：角度传感器、加速度以及陀螺仪传感器、ADC(信号处理模块)、无线传输模块。
按照综合的传感器数据处理操作方式，将相关的加速度进行布设进行车辆数据的回传以及基础的状态信息的判断。
通过后台服务器进行相关数据的监控，并能够设置基本的微信平台或者手机信息通知，进行相关数据的实时显示，并且在出现异常报警状况的时候，能够将相关的报警信息下达。
另外，通过对撞车、急转弯以及车辆倾角等罐车对应姿态判断，针对储液罐内危化品液位状态信息进行综合比较，可进行具体参数信息进行精度补偿。可以更加精确地进行液位的监测及测量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效泄露判断的罐车综合测量***，包含基础参数测量模块（1）、GPS测量模块（11）、姿态传感模块（12）、综合参数处理单元（13）、无线传感模块（14），其特征在于：所述基础参数测量模块（1）采用三段式结构进行集成，并采用投入式的安装方式。
2.如权利要求1所述的基础参数测量模块，其特征在于：采用三段式的结构进行集成安装，包括均为空心的上段不锈钢钢管和下段不锈钢钢管，下段不锈钢钢管的底端封装有第一压力传感器（2）和第一温度传感器（5），上段不锈钢钢管的顶端封装有第三压力传感器（4）和第三温度传感器（7），第二压力传感器（3）和第三压力传感器（4）通过中段不锈钢硬管或软管（9）连接。
3.如权利要求1所述第一压力传感器（2）、第二压力传感器（3）和第三压力传感器（4），其特征在于：压力输入端与被测介质接触，另一端封装在不锈钢钢管内与大气连通；温度传感器固定在不锈钢钢管内，并且与不锈钢钢管内壁接触实现热传导。
4.如权利要求1所述的基础参数测量模块，其特征在于：所述第一压力传感器（2）、第二压力传感器（3）和第三压力传感器（4）包括MEMS表压传感器、MEMS绝压传感器、MEMS差压传感器、陶瓷电容式表压压力传感器、陶瓷电容式绝压压力传感器或陶瓷电容式差压压力传感器。
5.如权利要求1所述的基础参数测量模块，其特征在于：其控制电路包括分别给第一压力传感器（2）、第二压力传感器（3）和第三压力传感器（4）提供激励源信号的三个激励源电路，第一压力传感器（2）、第二压力传感器（3）和第三压力传感器（4）均通过对应的放大电路和滤波电路连接到高速ADC上。
6.如权利要求2所述的三个压力传感器，其特征在于：采用高速采样算法，对压力变化振荡波形分析，实现罐体泄露信息的判断。
7.如权利要求1所述的GPS模块（11），其特征在于：所述的GPS模块（11）安装至罐车上。
8.如权利要求1所述的姿态传感模块（12），其特征在于：应用陀螺仪和加速度传感器实现车辆实时信息的测量，所述的姿态传感模块（12）和所述GPS模块（11）集成安装至罐车上。
9.如权利要求1所述的综合参数处理单元（13），其特征在于：接收来自罐体测量传感器、GPS模块、加速度传感器以及陀螺仪的信号，并且能够输出相关的数字信号。
10.如权利要求1所述的无线传感模块（14），其特征在于：和相应的信号处理单元相连，将基础的参数信息回传至后台服务器进行相关的远程监测。
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