一種油品靜電在線監測儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種油品靜電在線監測儀，特征是包括剛性直管、桿球傳感器及數據處理顯示裝置；在剛性直管的兩端分別設置有帶有閥門的法蘭，數據處理顯示裝置包括主板與顯示器，主板包括單片機，壓電陶瓷諧振器，信號放大、檢波與整形電路模塊；桿球傳感器將感應到的輸油管道內的電壓信號傳輸到壓電陶瓷諧振器，然后通過壓電陶瓷的壓電效應使得壓電陶瓷諧振器發生震蕩，并將電壓信號轉換成交變電流信號，交變電流信號輸入信號放大、檢波與整形電路模塊。本發明可方便地安裝在輸油管道，易于實現在線監測，所檢測的參數設定為電荷密度，并利用數據處理顯示裝置來完成對油品靜電參數的采集、存儲、處理及結果顯示，具有很強的實時監控等功能。
【專利說明】一種油品靜電在線監測儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油化工油品生產、輸送、儲運、零售等易燃易爆場所使用的油品靜電帶電監測系統，尤其是一種油品靜電在線監測儀。
【背景技術】
[0002]在石油化工行業里，由于油品在輸運和裝卸作業過程中頻繁地與管壁、容器壁之間發生接觸和再分離，極易產生靜電，隨著靜電的積聚，在油氣空間易引起爆炸和燃燒。因此，及時準確地監測油品靜電量，就成為了靜電研究和工業控制領域十分關注的前沿課題。
[0003]目前，國內外對油品靜電的檢測，大多在油罐、油艙、油庫等部位，而在檢測參數的選擇上，僅僅檢測帶電油品的靜電電位。這種檢測的主要缺點在于:檢測參數靜電電位，易受周圍構件、環境、分布電容等因素影響，難于實現在線檢測；對于安全控制而言，略顯滯后。直接檢測油品電荷密度的儀器，尚未見報道。
【發明內容】
[0004]本發明的任務在于提供一種油品靜電在線監測儀。
[0005]其技術解決方案是:
[0006]一種油品靜電在線監測儀，包括:
[0007]—段剛性直管，在剛性直管的兩端分別設置有用于接入輸油管道的法蘭，法蘭上配有閥門；
[0008]—用于測量輸油管道內中心電位的桿球傳感器，在剛性直管的管壁上開設連接孔，桿球傳感器的直桿部分使用絕緣密封組件固定連接在連接孔上，桿球傳感器的球頭部分伸入剛性直管內并直抵剛性直管的中央部位；
[0009]一數據處理顯示裝置，包括數據處理系統主板與顯示器，數據處理系統主板包括單片機，壓電陶瓷諧振器，信號放大、檢波與整形電路模塊，傳感器驅動與反饋電路模塊，總接口電路模塊，傳感器清零電路模塊，升壓電路模塊，負壓電路模塊，背光片電路模塊，以及RSS422通信電路模塊；上述數據處理顯示裝置通過裝置支撐架固定在剛性直管的外管壁上，并位于絕緣密封組件的上方，裝置支撐架為管狀，絕緣密封組件與桿球傳感器的直桿露出部分置于裝置支撐架內，桿球傳感器的信號線連接數據處理系統主板；
[0010]上述桿球傳感器將感應到的輸油管道內的電壓信號傳輸到壓電陶瓷諧振器，然后通過壓電陶瓷的壓電效應使得壓電陶瓷諧振器發生震蕩，并將電壓信號轉換成交變電流信號，交變電流信號輸入信號放大、檢波與整形電路模塊。
[0011]上述絕緣密封組件包括絕緣密封件與旋塞閥，桿球傳感器的直桿固定在旋塞閥上，旋塞閥與絕緣密封件配合連接。
[0012]上述壓電陶瓷耦合諧振器包括振梁與平板電容，振梁設有一號片、二號片、三號片與四號片，一號片、二號片各有一面和三號片連在一起，再焊接于PCB板至測量電路的地端；其工作過程為交流電壓加在二號片，使振梁振動，從而引起一號片形變產生同頻率的交流反饋信號供傳感器驅動電路作正反饋及用于正負靜電的判別，四號片亦接收振動且振幅最大，與平板電容的另一靜止極形成極板距離交變，電容值改變導致極板上電荷的改變，進而產生交變電流信號。
[0013]本發明具有以下有益技術效果:
[0014]本發明可方便地安裝在輸油管道，易于實現在線監測，所檢測的參數設定為電荷密度，并利用數據處理顯示裝置來完成對油品靜電參數的采集、存儲、處理及結果顯示，具有很強的實時監控等功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作更進一步的說明:
[0016]圖1為本發明一種實施方式的結構原理不意圖。
[0017]圖2為圖1方式的局部剖視結構原理示意圖。
[0018]圖3為本發明一種使用情形示意圖。
【具體實施方式】
[0019]結合圖1、圖2與圖3，一種油品靜電在線監測儀，包括一段剛性直管1，一用于測量輸油管道內中心電位的桿球傳感器2，及一數據處理顯示裝置3。
[0020]上述剛性直管，在其兩端分別設置有用于接入輸油管道7的法蘭4，法蘭上配有閥門8。
[0021]上述桿球傳感器，在剛性直管的管壁上開設連接孔，桿球傳感器的直桿部分使用絕緣密封組件5固定連接在連接孔上，桿球傳感器的球頭部分伸入剛性直管內并直抵剛性直管的中央部位；上述絕緣密封組件包括絕緣密封件與旋塞閥，桿球傳感器的直桿固定在旋塞閥上，旋塞閥與絕緣密封件配合連接。
[0022]上述數據處理顯示裝置，包括數據處理系統主板與顯示器，數據處理系統主板包括單片機，壓電陶瓷諧振器，信號放大、檢波與整形電路模塊，傳感器驅動與反饋電路模塊，總接口電路模塊，傳感器清零電路模塊，升壓電路模塊，負壓電路模塊，背光片電路模塊，以及RSS422通信電路模塊；上述數據處理顯示裝置通過裝置支撐架6固定在剛性直管的外管壁上，并位于絕緣密封組件的上方，裝置支撐架為管狀，絕緣密封組件與桿球傳感器的直桿露出部分置于裝置支撐架內，桿球傳感器的信號線連接數據處理系統主板。
[0023]上述桿球傳感器將感應到的輸油管道內的電壓信號傳輸到壓電陶瓷諧振器，然后通過壓電陶瓷的壓電效應使得壓電陶瓷諧振器發生震蕩，并將電壓信號轉換成交變電流信號，交變電流信號輸入信號放大、檢波與整形電路模塊。
[0024]一、關于上述桿球傳感器
[0025]管道內的油品流動一般為湍流。電荷密度視為均勻。由于管線長度遠大于管道內徑，因此可以將管道內油品看成無限長帶電圓柱體。經理論計算，油品的電荷密度P與管線內橫斷面上的電位V成正比，且不同的管道直徑所對應的因數不同。P =Vtl/是管道中心電位；β ο是轉換系數，與管道半徑有關。
[0026]在此理論基礎上設計了上述桿球傳感器，通過測量管道內中心電位，來間接測量管道內的油品電荷密度。具體方案如下:當液體在管道內流動時，與管道絕緣的桿球被充電，電位逐漸升高，并開始向管壁泄露。當充電電流等于泄露電流，達到充放電的平衡時，桿球電位達到穩定值。
[0027]從ρ = VtZPci可知，電壓與電荷密度成正比關系，但放入桿球后會影響電場的分布，為此要滿足以下條件，電壓與電荷密度的正比關系才能近似成立:
[0028](I)桿球傳感器與管線線度相比要小的多；
[0029](2)測量系統本身無電荷泄露；
[0030](3)電荷分布均勻(無雜質);
[0031](4)桿球傳感器及其引線必須與金屬管道絕緣，同時也必須防止滲漏。
[0032]二、關于數據處理顯示裝置
[0033]⑴上述壓電陶瓷諧振器
[0034]桿球傳感器獲得的油品靜電信息，通過非接觸的電場耦合，將信息輸送至壓電陶瓷耦合諧振器。壓電陶瓷在外電場的作用下，會因變形而發生諧振。諧振的基波頻率與陶瓷片厚度及半徑，陶瓷片和金屬振動片的合成密度有關。
[0035]可以把壓電陶瓷做成電容器的一個極板，在外電場存在的情況下，外電場對壓電陶瓷的作用，使電容器極板不斷變化，極板間距隨之變化，電容值隨之變化，就獲得一個交變振蕩的交變信號。
[0036]其基本原理為:通過改變置于靜電場中的平板電容的電容值C(t)來引起極板上電荷的變化從而產生弱電流，再利用微弱信號檢測電路對此電流放大產生電壓輸出，其原理可由下式說明；U = Q(t)/C(t)。U為兩電極間的電勢差，由待測靜電在其附近空間產生的電場所決定。若U固定，極板上的電荷Q(t)便隨C(t)而變化，Q(t)的變化導致兩極板間電荷的相互移動，從而形成電流，對同一傳感器(即C(t)給定)來說，電流的大小即反映了電場的強弱，也反映了靜電的電壓值。
[0037]為使壓電陶瓷諧振器有效工作，振梁必須處于良好的受夾狀態；一號片、二號片各有一面和三號片連在一起，再焊接于PCB板至測量電路的地端。其利用了壓電陶瓷的壓電特性，其工作過程為交流電壓加在二號片，使振梁振動(壓電陶瓷在交變電場作用下通過逆壓電效應將電能轉換為機械能，產生機械振動)，從而引起一號片形變產生同頻率的交流反饋信號供傳感器驅動電路(振蕩器)作正反饋(通過壓電效應將機械能轉換為電能)及用于正負靜電的判別，四號片亦接收振動且振幅最大，與平板電容的另一靜止極形成極板距離交變(即電容值交變)。電容值改變導致極板上電荷的改變，于是產生了交變電流信號。
[0038]⑵系統硬件設計原理:系統以ATmegal69單片機為核心，采用上述設計的靜電傳感器并具有自動換檔、數據保持、鍵入與顯示、電池指示等功能，既能測量靜電的大小又能區別靜電的正負。傳感器驅動電路模塊和傳感器構成一個整體用于感應靜電場，工作時將產生兩路信號。一路是傳感器在驅動信號(峰峰值約為5V)的驅動下開始振動，并由四號片感應出靜電信號，輸出微弱電流；另一路是由傳感器一號片的反饋信號送至檢波、分檔放大電路中，產生方波信號。方波信號是靜電正負判別的依據，實現方法是將方波信號經移相整流后送至單片機的Α/D端供程序使用。傳感器的輸出靜電信號為10-9數量級的微弱電流，后接具有高輸入阻抗的微弱信號放大電路進行放大。微弱信號放大后，需再經一級分檔放大，放大后輸出正負交替的信號。為了測得其有效值，整流之后采用軟件濾波的方法。A/D轉換利用單片機內部的8位轉換器。測量儀的電源由可充電電池提供，用ICL7660進行DC-DC變換分別輸出±5V給系統供電。
[0039]Α/D轉換與軟件濾波
[0040]因有效信號和反饋信號只進行半波整流而沒有濾波便輸入到Α/D端，所以要采用軟件濾波的方法，即將輸入信號曲線瞬時取樣，得到一個周期的數據再求取平均值。傳感器的振動頻率約為380Hz，有效信號與之同頻。
[0041]誤差修正
[0042]因為靜電測量采用非接觸性傳感器，轉換后又為微弱信號測量誤差在所難免。在修正前測量誤差為6%左右，修正后為±3%，檢測測量誤差是將高壓源輸出直流接在電容兩端，一端接一金屬極板以產生靜電荷，然后將靜電測量儀置于極板上測量，測量值和高壓源的實際輸出相比較來定標和判斷測量準確度。
[0043]軟件模塊的設計
[0044]軟件模塊發送端包括主程序，數據采集子程序，數據處理子程序，數據顯示子程序，中斷子程序；接收端包括主程序，中斷子程序，數據打印子程序。
[0045]⑶上述基于AVR單片機控制技術的靜電測量原理
[0046]系統以ATmegal69單片機為核心，對上述設計的靜電傳感器信號進行智能化處理，實現Α/D轉換、信號放大、信號反饋、數值顯示、存儲、報警限值設定、報警等。從而使信號處理系統實現LED顯示、自動換檔、數據保持、鍵入與顯示、電池指示等功能，既能測量靜電的大小(直接以電荷密度yc/m3的讀數顯示)，又能區別靜電的正負，并實現智能化的在線檢測。
[0047]傳感器驅動電路模塊和傳感器構成一個整體實現信號采集與耦合。工作時將產生兩路信號。一路是傳感器在驅動信號(峰峰值約為5V)的驅動下開始振動，并由4#片感應出靜電信號，輸出微弱電流；另一路是由傳感器1#片的反饋信號送至檢波、分檔放大電路中，產生方波信號。方波信號既是驅動電路的正反饋，也是靜電正負判別的依據，實現方法是將方波信號經移相整流后送至單片機的Α/D端供程序使用。傳感器的輸出靜電信號為10-9數量級的微弱電流，后接具有高輸入阻抗的微弱信號放大電路進行放大，該電路必須和傳感器一同放在屏蔽盒內，否則空間電場的干擾會產生很大的輸出誤差，影響測量準確度甚至無法測量。微弱信號放大后，需再經一級分檔放大，放大后輸出正負交替的信號。為了測得其有效值，整流之后采用軟件濾波的方法，即將輸入信號曲線瞬時取樣，得到一個周期的數據再求取平均值、這樣既簡化了電路又提高測量電路的響應速度。Α/D轉換利用單片機內部的8位轉換器。測量儀的電源由可充電電池提供，用ICL7660進行DC-DC變換分別輸出±5V給系統供電。
[0048]在線靜電監測儀數據處理系統分為單片機主控模塊，數據采集模塊，數碼顯示模塊，報警模塊，串行通訊模塊，打印模塊等六個模塊。
[0049]數據采集模塊由三部分組成:傳感器(見前述)，衰減電路，模數轉換。通過傳感器部分將油品的電荷密度轉換成電壓，往往電壓值偏大，再利用衰減電路部分將電壓值控制在一 1V到+1V之間，最后將衰減后的模擬電壓信號轉化成數字電壓信號。利用28腳雙列直插式標準封裝的集成Α/D轉換器，轉換為數字信號。其轉換時間為25，轉換精度為12位。
[0050]顯示模塊:顯示裝置采用6位有效數字LED顯示器。
[0051]報警模塊:當油品靜電參數超過預先設定的安全閾值時，報警單元以聲光方式報警。本系統在單片機端口連接一蜂鳴器且并接一發光二極管來實現。
[0052]串行通訊模塊:由于單片機的I/O 口資源有限，本系統中采用兩塊AT89S52型單片機，其一單獨用來控制打印機，因而需要進行兩塊單片機之間的數據串行通訊，收發兩方要有相同的波特率，為了使通訊穩定可靠收發兩方均采用中斷的方式來觸發數據的發送與接收。
[0053]打印模塊:為了提高打印速度，這里通過并行接口連接的方式將單片機與微型打印機連接起來。
[0054]本發明可配置的軟件設計如下:
[0055]采用C語言模塊程序設計技術，根據系統的功能，將整個軟件劃分成若干個功能相對獨立的模塊，為每個模塊設計算法與程序流程，根據流程編寫程序，繼而單獨調試各個模塊程序，待其調試通過后再將所有模塊程序集結在一起進行總調。
[0056]軟件模塊的設計:發送端可包括主程序，數據采集子程序，數據處理子程序，數據顯示子程序，中斷子程序；接收端可包括主程序，中斷子程序，數據打印子程序。
[0057]與本發明有關的防爆設計。經國家級儀器儀表防爆安全監督檢驗站(NEPS)檢驗，符合防爆標準的要求。
[0058]本發明中，桿球傳感器通過絕緣、防泄漏、屏蔽處理，其核心部分即數據處理顯示裝置固定于管道測試段的上部。6位數值的顯示器(屛)用于直接顯示管道內油品的電荷密度(μ c/m3)。
[0059]上述方式中未述及的有關技術內容采取或借鑒已有技術即可實現。
[0060]需要說明的是，在本說明書的教導下本領域技術人員還可以作出這樣或那樣的容易變化方式，諸如等同方式，或明顯變形方式。上述的變化方式均應在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種油品靜電在線監測儀，其特征在于包括: 一段剛性直管，在剛性直管的兩端分別設置有用于接入輸油管道的法蘭，法蘭上配有閥門； 一用于測量輸油管道內中心電位的桿球傳感器，在剛性直管的管壁上開設連接孔，桿球傳感器的直桿部分使用絕緣密封組件固定連接在連接孔上，桿球傳感器的球頭部分伸入剛性直管內并直抵剛性直管的中央部位； 一數據處理顯示裝置，包括數據處理系統主板與顯示器，數據處理系統主板包括單片機，壓電陶瓷諧振器，信號放大、檢波與整形電路模塊，傳感器驅動與反饋電路模塊，總接口電路模塊，傳感器清零電路模塊，升壓電路模塊，負壓電路模塊，背光片電路模塊，以及RSS422通信電路模塊；上述數據處理顯示裝置通過裝置支撐架固定在剛性直管的外管壁上，并位于絕緣密封組件的上方，裝置支撐架為管狀，絕緣密封組件與桿球傳感器的直桿露出部分置于裝置支撐架內，桿球傳感器的信號線連接數據處理系統主板； 上述桿球傳感器將感應到的輸油管道內的電壓信號傳輸到壓電陶瓷諧振器，然后通過壓電陶瓷的壓電效應使得壓電陶瓷諧振器發生震蕩，并將電壓信號轉換成交變電流信號，交變電流信號輸入信號放大、檢波與整形電路模塊。
2.根據權利要求1所述的油品靜電在線監測儀，其特征在于:上述絕緣密封組件包括絕緣密封件與旋塞閥，桿球傳感器的直桿固定在旋塞閥上，旋塞閥與絕緣密封件配合連接。
3.根據權利要求1所述的油品靜電在線監測儀，其特征在于:上述壓電陶瓷耦合諧振器包括振梁與平板電容，振梁設有一號片、二號片、三號片與四號片，一號片、二號片各有一面和三號片連在一起，再焊接于PCB板至測量電路的地端；其工作過程為交流電壓加在二號片，使振梁振動，從而引起一號片形變產生同頻率的交流反饋信號供傳感器驅動電路作正反饋及用于正負靜電的判別，四號片亦接收振動且振幅最大，與平板電容的另一靜止極形成極板距離交變，電容值改變導致極板上電荷的改變，進而產生交變電流信號。
【文檔編號】G01R29/24GK104133122SQ201410320177
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】孟鶴, 孫立富, 劉全楨, 劉寶全, 宮宏, 李義鵬, 張云朋, 劉娟 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
