一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出的是一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其结构包括储罐壁模拟装置，加热系统；所述储罐壁模拟装置包括热源钢板和固定支架；所述热源钢板包括小范围热源钢板和大范围热源钢板；所述加热系统包括嵌入式单片机、固态继电器、热电偶、测温模块、圆柱形加热棒；所述嵌入式单片机内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。本发明专利技术针对外浮顶储罐的实际测温要求进行设计，为工程实际和相关实验研究提供了更加可靠的性能测试和试验平台；针对外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热提供了对应的加热模式算法，为分布式光纤测温性能测试提供更接近于实际应用环境的项目条件。

【技术实现步骤摘要】
一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置
本专利技术涉及一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，属于分布式光纤温度传感技术、安全科学与工程领域。
技术介绍
分布式光纤测温系统作为一种新型测温设备，没有测量盲区、成本低、可靠性高、施工维护简单，被广泛用于温度检测领域；因此，如何通过一定的测试来评判分布式光纤在某个环境下的实际应用能力就显得非常重要。由于分布式光纤自身的测温特性，周围环境温度和光纤自身的测温长度都会对返回的温度结果造成影响；目前针对分布式光纤测温系统技术要求和试验方法的国家标准为《GB16280-2014线型感温火灾探测器》，其中对于分布式光纤测温性能的测试主要在恒温箱中完成。但是恒温箱产生的温度分布与很多实际环境产生的温度分布不同，分布式光纤在恒温箱环境中和实际环境中的测温结果会有很大不同，在恒温箱环境中的相关测量数据对于实际工程应用中没有过多参考价值，很难通过在恒温箱环境中的相关测试来判断分布式光纤在实际环境中的测温性能，无法对分布式光纤在实际环境中的测温性能进行准确测试。例如：在石油石化行业中，大规模使用的外浮顶储罐作为重大的工业危险源，在遭受到雷击、原油硫化腐蚀氧化等情况下，浮盘密封圈温度会急剧上升，最终导致内部油气空间以及密封圈被点燃，引发火灾甚至爆炸；由于储罐的危险性，常用的带电测温设备，如热电偶等都无法安置；目前常用的外浮顶储罐测温设备是光纤光栅测温系统，但是该系统为散点式测量，存在测量盲区，且安装施工复杂、后期维护不便、可靠性差，相比于光纤光栅测温系统，分布式光纤测温系统作为一种新型测温设备，没有测量盲区、成本低、可靠性高、施工维护简单，被广泛推荐用于浮顶罐密封圈的火灾探测；但对于分布式光纤用于外浮顶罐温度监测的研究，由于在外浮顶储罐上直接试验风险较高，目前仍然存在理论与试验相分离的状态。除去自然灾害、人为破坏等不可控偶发危险，外浮顶储罐的安全风险主要来自于含硫原油对罐壁的长时间腐蚀；腐蚀产物在接触到氧气后会发生急剧的氧化升温，进而点燃油气空间导致火灾爆炸的发生；虽然外浮顶储罐硫化腐蚀自热氧化的相关理论已经得到详细研究，但是相关温度变化规律并没有运用到对外浮顶储罐的安全监测保护当中。为了满足目前针对分布式光纤对外浮顶储罐温度测量的性能测试手段缺失，以及相关理论研究实验平台存在空白的问题，因此需要建立一套针对外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试平台，并将储罐硫化腐蚀氧化自热的温度测量作为测试内容用于评判分布式光纤的实际应用能力。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其目的旨在解决现有对分布式光纤测温性能进行测试的设备无法模拟石油石化行业中外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热升温的问题。本专利技术的技术解决方案：一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其结构包括储罐壁模拟装置1，加热系统2；所述储罐壁模拟装置1包括热源钢板和固定支架13；所述热源钢板包括小范围热源钢板和大范围热源钢板；所述加热系统2包括嵌入式单片机23、固态继电器22、热电偶26、测温模块25、圆柱形加热棒24；所述嵌入式单片机23内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术提供了一种基于外浮顶储罐罐壁热源简化模型的分布式光纤温度监测测试平台；2)本专利技术与传统分布式光纤测温性能测试平台及测试方法相比，本专利技术针对外浮顶储罐的实际测温要求进行设计，为工程实际和相关实验研究提供了更加可靠的性能测试和试验平台；3)本专利技术还方便进一步通过对嵌入式单片机23内程序修改或升级，提供不同形式以及更加灵活的热源升温模式，以满足实际工程及实验研究中的不同需求；4)与传统分布式光纤测温性能测试平台及测试方法相比，本专利技术针对分布式光纤的空间分辨率设计出大范围热源钢板和小范围热源钢板，基于分布式光纤自身测温特性，提供了不同测温工况下的性能测试；5)本专利技术针对外浮顶储罐硫化腐蚀氧化自热提供了对应的加热模式算法，为分布式光纤测温性能测试提供更接近于实际应用环境的项目条件。附图说明附图1是本专利技术中储罐壁模拟装置的结构示意图。附图2是本专利技术中加热系统的结构示意图。附图3为小范围热源钢板的侧面示意图。附图4是小范围热源钢板的正面示意图。附图5是大范围热源钢板的侧面示意图。附图6是大范围热源钢板的正面示意图。附图7是小范围热源钢板的局部悬挂固定方式示意图。附图8是加热系统的接线连接示意图。附图9是所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热升温算法的温度曲线。附图中1是储罐壁模拟装置，2是加热系统，11是小范围热源钢板，12是大范围热源钢板，13是固定支架，22是固态继电器，23是嵌入式单片机，24是圆柱形加热棒，25是测温模块，26是热电偶，111是金属条，112是聚醚醚酮材质的螺丝，113是聚醚醚酮材质的螺母和垫片，114是角码，115是普通螺丝，116是普通螺母，27是接地端，28是直流电源，231是嵌入式单片机23的3.3V输出电压接口，232是嵌入式单片机23的SPI接口，233是嵌入式单片机23的PWM接口。具体实施方式一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其结构包括储罐壁模拟装置1，加热系统2；所述储罐壁模拟装置1包括热源钢板和固定支架13；所述热源钢板包括小范围热源钢板11和大范围热源钢板12，小范围热源钢板11和大范围热源钢板12上均分布有孔洞；所述加热系统2包括嵌入式单片机23、固态继电器22、热电偶26、测温模块25、圆柱形加热棒24；圆柱形加热棒24用于插入到对应热源钢板上的孔洞中；所述嵌入式单片机23内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。所述小范围热源钢板11和大范围热源钢板12均优选为矩形钢板。所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法为嵌入式单片机PID控温算法，具体将嵌入式单片机PID控温算法分为三个阶段使用，所述嵌入式单片机PID控温算法如公式(A)所示；其中，Kp为比例单元增益，Ki为积分单元增益，Kd为微分单元增益，T为嵌入式单片机23的采样频率，u(t)为嵌入式单片机PID计算的输出大小，e(t)为目标设定温度和实际测量温度的差值；所述热电偶26连接测温模块25获取温度，并通过SPI通信方式将温度数据传输至嵌入式单片机23上，设置嵌入式单片机23的采样频率为1s；工作时，使用嵌入式单片机23的PWM控制圆柱形加热棒24的输出量，PWM为脉冲宽度调制，利用嵌入式单片机23的数字输出实现对模拟电路的控制，利用PWM输出占比值实现控制圆柱形加热棒24的功率输出大小，具体实现如下公式(B)所示：其中u(t)为嵌入式单片机PID计算输出大小，10000为嵌入式单片机23设置PWM计数周期；所述三个阶段分别为早期阶段、中期阶段、后期阶段：1)早期阶段：以室温为23℃，公式(1)中的嵌入式单片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是包括储罐壁模拟装置(1)，加热系统(2)；所述储罐壁模拟装置(1)包括热源钢板和固定支架(13)；所述热源钢板包括小范围热源钢板(11)和大范围热源钢板(12)，小范围热源钢板(11)和大范围热源钢板(12)上均分布有孔洞；所述加热系统(2)包括嵌入式单片机(23)、固态继电器(22)、热电偶(26)、测温模块(25)、圆柱形加热棒(24)；圆柱形加热棒(24)用于插入到对应热源钢板上的孔洞中；所述嵌入式单片机(23)内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是包括储罐壁模拟装置(1)，加热系统(2)；所述储罐壁模拟装置(1)包括热源钢板和固定支架(13)；所述热源钢板包括小范围热源钢板(11)和大范围热源钢板(12)，小范围热源钢板(11)和大范围热源钢板(12)上均分布有孔洞；所述加热系统(2)包括嵌入式单片机(23)、固态继电器(22)、热电偶(26)、测温模块(25)、圆柱形加热棒(24)；圆柱形加热棒(24)用于插入到对应热源钢板上的孔洞中；所述嵌入式单片机(23)内写入有模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法。


2.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述模拟储罐硫化腐蚀氧化自热的升温算法为嵌入式单片机PID控温算法，具体将嵌入式单片机PID控温算法分为三个阶段使用，所述嵌入式单片机PID控温算法如公式(A)所示；



其中，Kp为比例单元增益，Ki为积分单元增益，Kd为微分单元增益，T为嵌入式单片机(23)的采样频率，u(t)为嵌入式单片机PID计算的输出大小，e(t)为目标设定温度和实际测量温度的差值；所述热电偶(26)连接测温模块(25)获取温度，并通过SPI通信方式将温度数据传输至嵌入式单片机(23)上，设置嵌入式单片机(23)的采样频率为1s；工作时，使用嵌入式单片机(23)的PWM控制圆柱形加热棒(24)的输出量，PWM为脉冲宽度调制，利用嵌入式单片机(23)的数字输出实现对模拟电路的控制，利用PWM输出占比值实现控制圆柱形加热棒(24)的功率输出大小，具体实现如下公式(B)所示：



其中u(t)为嵌入式单片机PID计算输出大小，10000为嵌入式单片机(23)设置PWM计数周期；
所述三个阶段分别为早期阶段、中期阶段、后期阶段：
1)早期阶段：以室温为23℃，公式(1)中的嵌入式单片机PID参数为Kp＝70，Ki＝4.7，Kd＝410；如果环境常温改变，则相应的嵌入式单片机PID参数也要重新整定,整定方法如下:先通过调节比例单元增益确定大概的温升速率再调节积分单元增益和微分单元增益；
2)中期阶段：将公式(A)改用纯积分控制嵌入式单片机(23)实现中期阶段，如公式(C)：



当早期阶段达到80℃时，此时u(t)仍存在输出，直接以此时u(t)作为中期阶段输出的初值，设定为u(t1)；以达到最低温度72.3℃时的稳定的u(t)输出作为降温的终值，设定为u(t2)；达到中期最高温度85℃时稳定的u(t)输出作为升温终值，设定为u(t3)；先设定目标温度72.3℃，Ki＝0.23，当温度达到72.5℃时，此时u(t)＝2850，再设定目标温度85℃，Ki＝0.3，
3)后期阶段：使用公式(A)中的嵌入式单片机PID控温算法对后期阶段进行温度的控制，最终确定目标温度为267℃，嵌入式单片机PID参数为Kp＝16，Ki＝0.31，Kd＝400。


3.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述小范围热源钢板(11)悬空固定于固定支架(13)上，大范围热源钢板(12)直接放置在固定支架(13)的底座上。


4.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述圆柱形加热棒(24)包括5根直径6mm、长60mm、额定电压220V、额定功率120W的圆柱形加热棒和8根直径8mm、长80mm、额定电压220V、额定功率240W的圆柱形加热棒，所有圆柱形加热棒可放置于对应的热源钢板的相应孔洞中；所述孔洞为圆柱形孔洞；所述圆柱形加热棒(24)插入对应的热源钢板的相应孔洞时利用导热硅脂填充空隙。


5.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述小范围热源钢板(11)尺寸为长500mm、宽100mm、厚10mm，材质为Q235B钢；所述小范围热源钢板(11)其中一个500mm×10mm侧面处沿中心分布有5个相同的圆柱形孔洞，孔洞深60mm，孔洞直径为6mm，相邻孔洞圆心距为12mm，5个孔洞圆心距小范围热源钢板一个500mm×100mm面均为4mm、距小范围热源钢板另一个500mm×100mm面为6mm，每个孔洞都可插入一根直径6mm、长60mm的圆柱形加热棒(24)。


6.根据权利要求1所述的一种用于外浮顶储罐温度监测的分布式光纤性能测试装置，其特征是所述大范围热源钢板(12)尺寸为长200mm、宽200mm、厚10mm，材质为Q235B钢；所述大范围热源钢板(12)的四个200mm×10mm侧面处沿中心各分布有2个相同的圆柱形孔洞，孔洞深80mm，孔洞直径为8mm，相邻孔洞圆心距为16mm，所有8个孔洞圆心距大范围热源钢板正面5mm、所述正面为200mm×10mm面，每个孔洞都可插入一根直径8mm、长80m...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋军成，朱智超，卞海涛，倪磊，王志荣，储成伟，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32