CN110487738B - 一种led紫外油膜监测设备和溢油监测方法 - Google Patents

一种led紫外油膜监测设备和溢油监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LED紫外油膜监测设备和溢油监测方法，监测设备包括LED光源模块、监测模块、对比模块、信号处理模块和电源模块，LED光源模块、监测模块、对比模块分别与信号处理模块连接，电源模块分别与LED光源模块和信号处理模块连接；LED光源模块发出紫外光，照射水面，监测模块和对比模块探测所述LED光源模块照射区域的水面信号，监测模块和对比模块具有不同频率的光谱响应通道；监测模块监测紫外反射光和紫外荧光，对比模块监测紫外荧光；采用紫外反射与紫外荧光组合技术，通过相对阈值设定和溢油监测算法，提高监测灵敏度、降低误报率，减少外界环境变化对设备的影响，实现水面油膜的非接触监测，及时发现溢油事件。

Description

一种LED紫外油膜监测设备和溢油监测方法
技术领域
本发明属于化工安全技术领域，特别涉及一种LED紫外油膜监测设备和溢油监测方法。
背景技术
随着石油生产及运输活动的开展，各类溢油事故日益增多，不但造成巨大的经济损失，还会造成严重水体污染和生态影响。随着全社会对环境保护的重视和行业的快速发展，政府监管部门和生产销售企业环保压力日益增大。先进的溢油监测设备和有效的应急预案，是降低溢油风险的重要手段。由于溢油事故的不可预知性，第一时间发现油品泄漏是防控溢油事故的最有效方法。
在溢油监测技术中，定点溢油监测技术具备低成本、小范围特点，与卫星、雷达等高成本、大范围溢油监测技术形成有效互补，是一类具有广泛应用价值的溢油监测技术。其中，紫外荧光监测是主要定点监测技术，紫外反射监测也有应用实例。
现有紫外荧光溢油监测技术，多采用氙灯作为激发光源，通过信号强度的绝对值变化进行阈值判断，判定是否发生溢油，这使得此类仪器存在四个问题：1、由于荧光信号本身较弱，在开路环境中采集的信号信噪比低，影响了仪器的灵敏度；2、仪器的阈值由绝对变化值确定，外环境发生变化(如水位变化)会导致设定阈值失效，不能准确判断溢油情况；3、荧光发光原理决定了荧光技术对轻质油品不敏感，监测油品种类少；4、光源寿命短、设备成本高。
现有紫外反射溢油监测技术，主要问题是监测特异性低，易受外界杂物和环境条件影响，监测误报率高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种LED紫外油膜监测设备和溢油监测方法，利用LED作为光源，采用紫外反射与紫外荧光组合技术，通过相对阈值设定和溢油监测算法，提高监测灵敏度、降低误报率，减少外界环境变化对设备的影响，实现水面油膜的非接触监测，及时发现溢油事件，并在第一时间发出警报。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种LED紫外油膜监测设备，包括LED光源模块、监测模块、对比模块、信号处理模块和电源模块，所述LED光源模块、监测模块、对比模块分别与信号处理模块连接，电源模块分别与LED光源模块和信号处理模块连接；所述LED光源模块发出紫外光，照射水面，监测模块和对比模块探测所述LED光源模块照射区域的水面信号，监测模块和对比模块具有不同频率的光谱响应通道；监测模块监测紫外反射光和紫外荧光，对比模块监测紫外荧光。
进一步的，所述LED光源模块包括LED灯粒和聚光杯，LED灯粒发射的光利用聚光杯汇聚，光谱范围为200-400nm。
进一步的，所述监测模块包括第一会聚镜、第一滤光片和用于将光信号转换为电信号的第一光电探测器，光谱范围为200-600nm。
进一步的，所述对比模块包括第二会聚镜、第二滤光片和用于将光信号转换为电信号的第二光电探测器，光谱范围为400-600nm。
进一步的，所述信号处理模块包括单片机或DSP，还包括LED光源控制模块、信号运放转换模块、数据运算处理模块和数据接口，电源模块包括电路电源和LED驱动电源，所述LED光源控制模块连接LED驱动电源，控制光源发射频率；信号运放转换模块接收监测模块和对比模块发射的电信号，通过运放和A/D转换，放大信号并输出数字信号；数据运算处理模块通过溢油监测算法，计算出是否有溢油发生，通过数据接口实时传递给上位机。
进一步的，所述第一滤光片和第二滤光片均为带通滤光片。
一种溢油监测方法，基于前述的LED紫外油膜监测设备实现，包括以下步骤：
a.LED光源模块发出紫外光，照射水面；监测模块基于紫外反射原理和荧光原理接收紫外反射信号和荧光信号得到信号A；对比模块基于紫外荧光原理接收激发的荧光信号得到信号B；通过将两路信号相加获得增强信号(A+B)，将两路信号相减获得参考信号(A-B)；
b.分别设定荧光阈值1和反射阈值2；
c.根据公式R＝(A+B)/(A-B)计算R值，通过信号比值R与设定的荧光阈值1判断水面油膜情况；
d.设定两个时刻监测到反射信号的差值ΔA，ΔA＝A2-A1，其中第一监测周期监测到信号A1，第二监测周期监测到信号A2；ΔA与设定的反射阈值2进行对比，进而判断水面油膜情况；
e.设定不同环境下的溢油监测算法甲和乙；
甲算法：在采样周期内，若出现R>阈值1或ΔA>阈值2，进入延时监测周期；在延时监测周期内，加密采样3次，若3次都满足R>阈值1或ΔA>阈值2，报警，并结束延时监测周期；若3次不能全部满足R>阈值1或ΔA>阈值2，不报警，并结束延时监测周期；
乙算法：在采样周期内，若出现R>阈值1且ΔA>阈值2，进入延时监测周期；在延时监测周期内，加密采样3次，若3次都满足R>阈值1且ΔA>阈值2，报警，并结束延时监测周期；若3次不能全部满足R>阈值1且ΔA>阈值2，不报警，循环延时监测周期3次；循环监测周期均未报警，结束延时监测周期。
进一步的，将LED紫外油膜监测设备与声光报警器、CCTV摄像头或应急控制阀门连接，在判定溢油发生的情况下分别实现：启动声光报警器向现场工作人员报警，启动CCTV摄像头进一步判定溢油情况，启动控制阀门防止溢油扩散。
进一步的，将LED紫外油膜监测设备通过有线或无线通讯方式与监控***连接，监控***可与多个LED紫外油膜监测设备连接组网，也可以集成水流、风力和潮汐传感器，形成连续、实时、大范围、立体的监控区域；监控***可集成监控区域的环境敏感点信息和应急资源信息，并实现信息的动态管理。
进一步的，监控***设有电子地图显示，将监测设备和各类传感器对应显示在电子地图上，并实时提供监测数据；一旦发生溢油，工作人员可利用监控***实时观察到各个监测点的情况，结合环境敏感点和应急资源情况，为应急救援人员制定针对性的策略，提供应急策略信息支持。
与现有技术相比，本发明优点在于：
1、提高监测仪的灵敏度，扩大监测油品种类范围；
2、设备可以同时利用反射原理和荧光原理进行油膜监测，监测模块和对比模块的探测结果通过计算后分别与荧光阈值1和反射阈值2比较，结果可以互相印证，实现增强设备灵敏度，降低仪器的误报率，减少外界杂物和环境变化对仪器的影响；
3、延长产品寿命，降低仪器能耗，降低加工成本；
4、通过监控***可以集成监控区域的多个LED紫外油膜监测设备和水流、风力和潮汐传感器等其他设备，也可集成监控区域的环境敏感点信息和应急资源信息，并实现信息的动态管理；工作人员可利用监控***实时观察到各个监测点的情况，便于为应急救援人员制定针对性的策略。
附图说明
图1为本发明的LED紫外油膜监测设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的LED紫外油膜监测设备，包括LED光源模块、监测模块、对比模块、信号处理模块和电源模块，LED光源模块、监测模块、对比模块分别与信号处理模块连接，电源模块分别与LED光源模块和信号处理模块连接；LED光源模块发出紫外光，照射水面，监测模块和对比模块探测LED光源模块照射区域的水面信号，监测模块和对比模块具有不同频率的光谱响应通道；监测模块监测紫外反射光和紫外荧光，对比模块监测紫外荧光。
LED光源模块包括LED灯粒和聚光杯，LED灯粒发射的光利用聚光杯汇聚，光谱范围为200-400nm；监测模块包括第一会聚镜、第一滤光片和用于将光信号转换为电信号的第一光电探测器，光谱范围为200-600nm；对比模块包括第二会聚镜、第二滤光片和用于将光信号转换为电信号的第二光电探测器，光谱范围为400-600nm；第一滤光片和第二滤光片均为带通滤光片。
信号处理模块包括单片机或DSP，还包括LED光源控制模块、信号运放转换模块、数据运算处理模块和数据接口，电源模块包括电路电源和LED驱动电源，LED驱动电源连接LED光源模块，电路电源连接信号处理模块，为两者供电，同时电源模块又受信号处理模块控制，调节LED灯粒的脉冲信号。电源模块可采用220V交流电、±12V直流电、±24V直流电供电，适应各种场所的供电条件。
LED光源控制模块连接LED驱动电源，控制光源发射频率；信号运放转换模块接收监测模块和对比模块发射的电信号，通过运放和A/D转换，放大信号并输出数字信号；数据运算处理模块通过溢油监测算法，计算出是否有溢油发生，通过数据接口实时传递给上位机。
本发明还公开一种溢油监测方法，基于前述的LED紫外油膜监测设备实现，包括以下步骤：
a.LED紫外油膜监测设备的LED光源模块发出紫外光，照射水面；监测模块基于紫外反射原理和荧光原理接收紫外反射信号和荧光信号得到信号A；对比模块基于紫外荧光原理接收激发的荧光信号得到信号B；通过将两路信号相加获得增强信号(A+B)，将两路信号相减获得参考信号(A-B)；
b.分别设定荧光阈值1和反射阈值2；
c.根据公式R＝(A+B)/(A-B)计算R值，该值增强了接收信号，并且去除了一定的环境影响；通过信号比值R与设定的荧光阈值1判断水面油膜情况；
d.设定两个时刻监测到反射信号的差值ΔA，ΔA＝A2-A1，其中第一监测周期监测到信号A1，第二监测周期监测到信号A2；ΔA与设定的反射阈值2进行对比，进而判断水面油膜情况；
e.设定不同环境下的溢油监测算法甲和乙；
甲算法：在采样周期内，若出现R>阈值1或ΔA>阈值2，进入延时监测周期；在延时监测周期内，加密采样3次，若3次都满足R>阈值1或ΔA>阈值2，报警，并结束延时监测周期；若3次不能全部满足R>阈值1或ΔA>阈值2，不报警，并结束延时监测周期；
乙算法：在采样周期内，若出现R>阈值1且ΔA>阈值2，进入延时监测周期；在延时监测周期内，加密采样3次，若3次都满足R>阈值1且ΔA>阈值2，报警，并结束延时监测周期；若3次不能全部满足R>阈值1且ΔA>阈值2，不报警，循环延时监测周期3次；循环监测周期均未报警，结束延时监测周期。
将LED紫外油膜监测设备与声光报警器、CCTV摄像头或应急控制阀门连接，在判定溢油发生的情况下分别实现：启动声光报警器向现场工作人员报警，启动CCTV摄像头进一步判定溢油情况，启动控制阀门防止溢油扩散。
将LED紫外油膜监测设备通过有线或无线通讯方式与监控***连接，监控***可与多个LED紫外油膜监测设备连接组网，也可以集成水流、风力和潮汐传感器，形成连续、实时、大范围、立体的监控区域；监控***可集成监控区域的环境敏感点信息和应急资源信息，并实现信息的动态管理。
监控***设有电子地图显示，将监测设备和各类传感器对应显示在电子地图上，并实时提供监测数据；一旦发生溢油，工作人员可利用监控***实时观察到各个监测点的情况，结合环境敏感点和应急资源情况，为应急救援人员制定针对性的策略，提供应急策略信息支持。
实施例1：
将本发明设备安装于某油库的雨水池上部，该池为水泥砌成，深度为2.5米，宽度为1.5米，池内有水流过，设备安装高度为距离水面2.5米，采用密度为0.89g/cm3的原油模拟溢油，水面滴入少量原油，油膜流经设备监测区域时，设备输出溢油信号，与设备相连的声光报警器报警。
实施例2：
将本发明设备安装于某码头泊位，设备安装高度为距离海面3米，在设备监测区域放置漂浮敞口水囊，在水囊中滴入少量原油，滴入原油后，设备输出溢油信号，与设备相连的声光报警器报警。
实施例3：
将本发明设备安装于某生产厂的清净排水渠上部，该水渠为水泥砌成，深度为1.5米，宽度为1.1米，渠内有水流过，设备安装高度为距离水面1米，采用密度为0.85g/cm3的柴油模拟溢油，水面滴入少量柴油，油膜流经设备监测区域时，设备输出溢油信号，与设备相连的声光报警器报警。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种溢油监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.LED光源模块发出紫外光，照射水面；监测模块基于紫外反射原理和荧光原理接收紫外反射信号和荧光信号得到信号A；对比模块基于紫外荧光原理接收激发的荧光信号得到信号B；通过将两路信号相加获得增强信号(A+B)，将两路信号相减获得参考信号(A-B)；
b.分别设定荧光阈值1和反射阈值2；
c.根据公式R＝(A+B)/(A-B),计算R值，通过信号比值R与设定的荧光阈值1判断水面油膜情况；
d.设定两个时刻监测到反射信号的差值ΔA，ΔA＝A2-A1，其中第一监测周期监测到信号A1，第二监测周期监测到信号A2；ΔA与设定的反射阈值2进行对比，进而判断水面油膜情况；
e.设定不同环境下的溢油监测算法甲和乙；
甲算法：在采样周期内，若出现R>阈值1或ΔA>阈值2，进入延时监测周期；在延时监测周期内，加密采样3次，若3次都满足R>阈值1或ΔA>阈值2，报警，并结束延时监测周期；若3次不能全部满足R>阈值1或ΔA>阈值2，不报警，并结束延时监测周期；
乙算法：在采样周期内，若出现R>阈值1且ΔA>阈值2，进入延时监测周期；在延时监测周期内，加密采样3次，若3次都满足R>阈值1且ΔA>阈值2，报警，并结束延时监测周期；若3次不能全部满足R>阈值1且ΔA>阈值2，不报警，循环延时监测周期3次；循环监测周期均未报警，结束延时监测周期；
将LED紫外油膜监测设备与声光报警器、CCTV摄像头或应急控制阀门连接，在判定溢油发生的情况下分别实现：启动声光报警器向现场工作人员报警，启动CCTV摄像头进一步判定溢油情况，启动控制阀门防止溢油扩散；
将LED紫外油膜监测设备通过有线或无线通讯方式与监控***连接，监控***可与多个LED紫外油膜监测设备连接组网，也可以集成水流、风力和潮汐传感器，形成连续、实时、大范围、立体的监控区域；监控***可集成监控区域的环境敏感点信息和应急资源信息，并实现信息的动态管理；
监控***设有电子地图显示，将监测设备和各类传感器对应显示在电子地图上，并实时提供监测数据；一旦发生溢油，工作人员可利用监控***实时观察到各个监测点的情况，结合环境敏感点和应急资源情况，为应急救援人员制定针对性的策略，提供应急策略信息支持。
2.基于权利要求1所述的溢油监测方法所用的一种LED紫外油膜监测设备，其特征在于：包括LED光源模块、监测模块、对比模块、信号处理模块和电源模块，所述LED光源模块、监测模块、对比模块分别与信号处理模块连接，电源模块分别与LED光源模块和信号处理模块连接；所述LED光源模块发出紫外光，照射水面，监测模块和对比模块探测所述LED光源模块照射区域的水面信号，监测模块和对比模块具有不同频率的光谱响应通道；监测模块监测紫外反射光和紫外荧光，对比模块监测紫外荧光；
所述LED光源模块包括LED灯粒和聚光杯，LED灯粒发射的光利用聚光杯汇聚，光谱范围为200-400nm；
所述监测模块包括第一会聚镜、第一滤光片和用于将光信号转换为电信号的第一光电探测器，光谱范围为200-600nm；
所述对比模块包括第二会聚镜、第二滤光片和用于将光信号转换为电信号的第二光电探测器，光谱范围为400-600nm；
所述信号处理模块包括单片机或DSP，还包括LED光源控制模块、信号运放转换模块、数据运算处理模块和数据接口；电源模块包括电路电源和LED驱动电源，所述LED光源控制模块连接LED驱动电源，控制光源发射频率；信号运放转换模块接收监测模块和对比模块发射的电信号，通过运放和A/D转换，放大信号并输出数字信号；数据运算处理模块通过溢油监测算法，计算出是否有溢油发生，通过数据接口实时传递给上位机；
所述第一滤光片和第二滤光片均为带通滤光片。
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