一种基于光学界面检测仪的界面检测方法与流程

本发明涉及成品油管道油品顺序输送时混油界面的检测方法，具体涉及一种基于光学界面检测仪的界面检测方法。
背景技术：
：目前，成品油运输中，管道运输具有效率高、成本低及污染少等优点，已成为成品油运输行业的主流运输方式。成品油管道运输一般采用顺序输送方式，运输过程中两种介质自由扩散，必然会造成混油段，准确并及时的发现混油段，对成品油的品质有着重要作用。现有的混油界面检测方法有几种，一种是根据近红外光谱测定油样在一定波长范围内的吸光度a1与正戊烷在同样波长范围内测得的吸光度a0进行差谱计算，并根据该值判断混油界面；另一种为采用动态当量管道长度理论的分段管道模型、用密度仪测量的密度值变化来修正判定过程的混油界面位置判定方法。各种检测方法运用的检测原理不同，检测效果及复杂度也有所差别。光学界面仪是一种采用光纤端面测量技术，即测量由于液体性质变化导致的光纤端面出射和入射的光强差，来检测不同油品下反射回来的光强，通过对不同油品的反射光强进行测量，然后根据测量值进行预先标定，从而实现混油界面的准确判断。采用该检测原理，具有测试方法简单，且不受管道杂质影响，测试结果只与液体本身的性质有关，测试结果更准确更直观等优点。但是光学界面仪也存在如下缺点：(1)发光器件(半导体激光器)对温度变化较敏感，一般情况下，温度会影响发光器件的发光波长、发光强度及其寿命等，从而影响反射光强的大小，对信号的准确检测判断非常不利；(2)在光纤探头测点较远时，由于长距离光纤的衰减较大，使反射回来的光信号很弱，若直接使用该信号，会造成界面无法区分的现象；(3)当两种介质的性质较接近时，采集的光信号幅值差别不大，若将该信号直接输出，会出现界面区分不明显，有可能造成界面误判。技术实现要素：本发明提供了一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，用以解决现有技术应用于油品界面智能检测仪时，光信号很弱，信号波动大，不稳定，分辨率低，所采取的技术方案如下：本发明提供了一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，所述检测方法包括如下步骤：(1)采用闭环温度控制调整控制箱中温度。(2)对探头进行校准标定：将油品界面智能检测仪探头分别插入标准水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油中获得标定光反射信号值，将差别小的标定光反射信号值之间的百分比差值设置放大，并将放大后的百分比以模拟量4ma～20ma形式输出到dcs系统中；采集油品界面智能检测仪探头的光反射信号值为vi，将该信号值与各种介质的预设值进行比较，判断其落在哪两个信号之间，根据线性插值原理计算出测试信号的输出百分比，公式如下：式中：vi-1≤vi≤vi 1，0≤i≤6，且v0＝0v，v6＝5v，p0＝0％，p6＝100％；pi-1和pi 1分别为vi-1和vi 1对应的百分比。(3)判断油品界面智能检测仪的光纤长度是否大于2km，小于2km直接输出结果v。(4)油品界面智能检测仪的光纤长度大于2km时，利用自动增益调节方法增强信号输出结果。本发明中，所述水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油六介质原始测试数据及输出百分比如下：介质原始信号(v)原始百分比(％)水4.299595#汽油2.324292#汽油2.063598#汽油2.01330#柴油0.945将所述92#和98#汽油两种介质的输出百分比之间的百分比差值设置放大，并将这两种介质以模拟量(4～20)ma形式输出到dcs系统中，增大92#和98#输出百分比设定值。介质原始信号(v)设定百分比(％)计算输出信号(ma)水4.299519.1295#汽油2.327515.6192#汽油2.066012.698#汽油2.01308.710#柴油0.94105.6进一步的，所述步骤(1)闭环温度控制方法是调节pwm输出百分比，从而控制加热器的通断，最终使该区域处于恒温状态，当实际温度距目标温度差大于7℃，采取全速加热，节约系统加热时间，小于7℃时，进入闭环温控调节加热。本发明中，标定采用如下实验步骤：(1)将光纤探头的输出端与输入端分别与控制箱内光发送和接收器件连接，探头离控制箱的距离为10m，将控制箱输出信号连接到dcs端。(2)准备几个完全避光的瓶子，将需要检测的几种介质分别装入瓶中，并做好标记，此过程中介质不能见光。(3)将光纤探头擦拭干净，控制箱上电，设定系统温度，等待控制箱内温度恒定，然后将探头插入水中，此时控制箱屏幕会显示信号值，并记录该值。(4)依次将探头插入95#汽油、92#汽油、98#汽油和0#柴油中，并分别记录信号大小，此过程中探头每次插入介质前都需要进行擦拭。(5)将水、95#汽油、92#汽油、98#汽油和0#柴油这五种介质测得的信号及对应的输出百分比加载到控制算法中。(6)再次将探头分别插入上述几种介质中，并记录控制箱显示的百分比，根据百分比大小即可区分不同的介质，并且在dcs界面中，能明显看出不同介质的曲线变化。进一步的，所述步骤(4)对adc芯片进行初始化，接着配置ad增益，g＝1，s_flag＝1；采集光纤返回信号，总共采集若干个，每30ms采集一次；对采集的若干数值采用中位值平均滤波法获得v0；判断如果s_flag＝0，则直接显示信号v；如果s_flag不等于0，v0＜0.25v，配置ad增益，g＝16，s_flag＝0；如果0.25v＜v0＜0.5v，配置ad增益，g＝8，s_flag＝0；如果0.5v＜v0＜0.8v，配置ad增益，g＝4，s_flag＝0；如果0.8v＜v0，则直接显示信号v；对于s_flag不等于0，0.25v＜v0＜0.8v之间的，重新配置ad增益后返回步骤(2)重新采集光纤返回数值。进一步的，所述步骤(4)每组总共采集10个数值，油品界面智能检测仪的光纤长度大于2km，输出信号小于0.8v时使用信号自动增益调节方法。本发明有益效果：本发明提出的一种基于光学界面检测仪的界面检测方法采用闭环温度控制算法，为发光器件提供恒温环境，使其输出光强恒定，不同介质中反射光强也是恒定的，因此当系统长时间运行时，反射光信号稳定性较好，为系统界面检测提供很好的保障。本发明方法中采用了自动增益调节算法，对小信号的自动放大功能在远距离测试时效果明显，并使该系统既满足远距离测试也满足近距离测试，最远距离可达2km。本发明方法应用灵活，待测介质个数可调整，对应的输出百分比也可任意设置，依据线性插值原理计算输出信号的百分比，达到对不同介质的判定；对相差较小的信号，利用输出信号放大原理，增大两者之间的输出百分比，使相差较小的信号也能明显区分；本发明方法经过试验验证，光纤长度分别在10m和2km时，能准确分辨出水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油这五种介质，92#和98#两种汽油之间的差值达到20％，测试一致性好，测试数据稳定。附图说明图1为本发明系统原理框图；图2为本发明温控调节流程图；图3为本发明自动增益调节流程图；图4为本发明标定算法示意图；图5为本发明92#汽油变0#柴油界面实测图。具体实施方式下面，结合附图以及具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。在发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。实施例一：本发明标定及测试方法如说明书附图1所示：步骤一：将光纤探头的输出端与输入端分别与控制箱内光发送和接收器件连接，探头离控制箱的距离为10m(2km)，将控制箱输出信号连接到dcs端；步骤二：准备几个完全避光的瓶子，将需要检测的几种介质分别装入瓶中，并做好标记，此过程中介质不能见光，且瓶子的遮光度越好，试验结果准确性越高；步骤三：将光纤探头擦拭干净，控制箱上电，设定系统温度，等待控制箱内温度恒定，然后将探头插入水中，此时控制箱屏幕会显示信号值，并记录该值；步骤四：依次将探头插入95#汽油、92#汽油、98#汽油和0#柴油中，并分别记录信号大小，此过程中探头每次插入介质前都需要进行擦拭；步骤五：将水、95#汽油、92#汽油、98#汽油和0#柴油这五种介质测得的信号及对应的输出百分比加载到控制算法中；步骤六：再次将探头分别插入上述几种介质中，并记录控制箱显示的百分比，根据百分比大小即可区分不同的介质，并且在dcs界面中，能明显看出不同介质的曲线变化。实施例二：本发明基于光学界面检测仪的界面检测方法(1)温度控制如说明书附图2所示，控制箱中对发光及光电转换区域做了加热、内循环及保温隔热处理，并在半导体激光器附近设有温度检测芯片，可得到该区域实时温度，根据该温度和设定温度，采用闭环温度控制算法，调节pwm输出百分比，从而控制加热器的通断，最终使该区域处于恒温状态。当实际温度距目标温度差大于7℃，采取全速加热，节约系统加热时间，小于7℃时，进入闭环温控调节加热。(2)自动增益调节如说明书附图3所示，对于短距离(小于等于2km)测点，光信号衰减小，测试值较大；长距离测点时，光信号衰减大，测试值小，信号间差别更小，不利于介质区分，为了使该系统适应所有测试距离，程序中使用了自动增益调节算法。采集模块选用的是高精度片外24位adc，该芯片具有的可编程增益功能，根据原始信号大小配置芯片增益，增大信号并显示。由于该芯片基准为5v，因此当增益为1时，采集原始信号，获得10个数据后进行中位值平均滤波处理，然后根据以下范围进行增益调整：v0<0.25v，g＝16；0.25v≤v0<0.5v，g＝8；0.5v≤v0<0.8v，g＝4；v0≥0.8v，g＝1；v0为滤波后原始数据，g为增益。重新配置ad增益后，再次进行采样并输出显示。一般情况在测点距离控制箱较近时，输出信号大小在0.8v以上，不需要增益调节，测点距离控制箱较远时如2km，光纤输出信号很小，需要增益调节。自动增益调节算法在2km测试时，效果非常好，如表2所示，对比表195#和92#汽油之间的差别从4mv增加到90mv，大大增加了信号之间的差别。表1无自动增益调节算法信号测试结果介质光纤长度10m(v)光纤长度2km(v)水4.330.2795#汽油2.350.12792#汽油2.080.12398#汽油2.030.1150#柴油0.950.096表2增加自动增益调节算法信号测试结果介质光纤长度10m(v)光纤长度2km(v)水4.292.295#汽油2.322.0492#汽油2.061.9598#汽油2.011.840#柴油0.941.53(3)输出信号放大如说明书附图4所示，探头在不同介质中，反射回来的光强不同，因此信号测量值(i/v)也不同，如将探头分别放入水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油中，测试数据如表3所示，将该信号直接输出，则计算输出百分比如表3所示。表3介质原始测试数据及输出百分比介质原始信号(v)原始百分比(％)水4.299595#汽油2.324292#汽油2.063598#汽油2.01330#柴油0.945从上表可知，92#和98#汽油两种介质的输出百分比差别很小，不利于清除分辨两种介质，因此，算法中采用输出信号放大原理，将其之间的百分比差值设置较大，以此来增大输出信号差异，并将其以模拟量(4～20)ma形式输出到dcs系统中，如表4所示。表4增大92#和98#输出百分比设定值介质原始信号(v)设定百分比(％)计算输出信号(ma)水4.299519.1295#汽油2.327515.6192#汽油2.066012.698#汽油2.01308.710#柴油0.94105.6从表4可知，92#汽油和98#汽油的输出百分比从2％增大到30％，更利于介面区分判别。该方法在使用前，要预先进行参数标定，实际测试时，控制算法实时采集光反射信号，值为vi，将该信号值与标定参数进行比较，判断其落在哪两个信号之间，根据线性插值原理计算出测试信号的输出百分比，公式如下：式中：vi-1≤vi≤vi 1，0≤i≤6，且v0＝0v，v6＝5v，p0＝0％，p6＝100％；pi-1和pi 1分别为vi-1和vi 1对应的百分比。根据计算的百分比，再输出对应的模拟量，如说明书附图5所示。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3 
技术特征：

1.一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

(1)采用闭环温度控制调整控制箱中温度；

(2)对探头进行校准标定：将油品界面智能检测仪探头分别插入标准水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油中获得标定光反射信号值，将差别小的标定光反射信号值之间的百分比差值设置放大，并将放大后的百分比以模拟量4ma～20ma形式输出到dcs系统中；采集油品界面智能检测仪探头的光反射信号值为vi，将该信号值与各种介质的预设值进行比较，判断其落在哪两个信号之间，根据线性插值原理计算出测试信号的输出百分比，公式如下：

式中：vi-1≤vi≤vi 1，0≤i≤6，且v0＝0v，v6＝5v，p0＝0％，p6＝100％；pi-1和pi 1分别为vi-1和vi 1对应的百分比；

(3)判断油品界面智能检测仪的光纤长度是否大于2km，小于2km直接输出结果v；

(4)油品界面智能检测仪的光纤长度大于2km时，利用自动增益调节方法增强信号输出结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，其特征在于，所述水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油六介质原始测试数据及输出百分比如下：

介质原始信号(v)原始百分比(％)水4.299595#汽油2.324292#汽油2.063598#汽油2.01330#柴油0.945

将所述92#和98#汽油两种介质的输出百分比之间的百分比差值设置放大，并将这两种介质以模拟量(4～20)ma形式输出到dcs系统中，增大92#和98#输出百分比设定值；

3.根据权利要求1所述的一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，其特征在于，所述步骤(1)闭环温度控制方法是调节pwm输出百分比，从而控制加热器的通断，最终使该区域处于恒温状态，当实际温度距目标温度差大于7℃，采取全速加热，节约系统加热时间，小于7℃时，进入闭环温控调节加热。

4.根据权利要求2所述的一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，其特征在于，所述校准标定采用如下实验步骤：

(1)将光纤探头的输出端与输入端分别与控制箱内光发送和接收器件连接，探头离控制箱的距离为10m，将控制箱输出信号连接到dcs端；

(2)准备几个完全避光的瓶子，将需要检测的几种介质分别装入瓶中，并做好标记，此过程中介质不能见光；

(3)将光纤探头擦拭干净，控制箱上电，设定系统温度，等待控制箱内温度恒定，然后将探头插入水中，此时控制箱屏幕会显示信号值，并记录该值；

(4)依次将探头插入95#汽油、92#汽油、98#汽油和0#柴油中，并分别记录信号大小，此过程中探头每次插入介质前都需要进行擦拭；

(5)将水、95#汽油、92#汽油、98#汽油和0#柴油这五种介质测得的信号及对应的输出百分比加载到控制算法中；

(6)再次将探头分别插入上述几种介质中，并记录控制箱显示的百分比，根据百分比大小即可区分不同的介质，并且在dcs界面中，能明显看出不同介质的曲线变化。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，其特征在于，所述步骤(4)对adc芯片进行初始化，接着配置ad增益，g＝1，s_flag＝1；采集光纤返回信号，总共采集若干个，每30ms采集一次；对采集的若干数值采用中位值平均滤波法获得v0；判断如果s_flag＝0，则直接显示信号v；如果s_flag不等于0，v0＜0.25v，配置ad增益，g＝16，s_flag＝0；如果0.25v＜v0＜0.5v，配置ad增益，g＝8，s_flag＝0；如果0.5v＜v0＜0.8v，配置ad增益，g＝4，s_flag＝0；如果0.8v＜v0，则直接显示信号v；对于s_flag不等于0，0.25v＜v0＜0.8v之间的，重新配置ad增益后返回步骤(2)重新采集光纤返回数值。

6.根据权利要求5所述的一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，其特征在于，所述步骤(4)每组总共采集10个数值，油品界面智能检测仪的光纤长度大于2km，输出信号小于0.8v时使用信号自动增益调节方法。

技术总结
本发明提出了一种基于光学界面检测仪的界面检测方法，采用闭环温度控制方法，为发光器件提供恒温环境，使其输出光强恒定，不同介质中反射光强也是恒定的，因此当系统长时间运行时，反射光信号稳定性较好，为系统界面检测提供很好的保障；采用自动增益调节算法，对小信号的自动放大功能在远距离测试时效果明显，对相差较小的信号，利用输出信号放大原理，增大两者之间的输出百分比，使相差较小的信号也能明显区分；光纤长度分别在10m和2km时，能准确分辨出水、95#汽油、92#汽油、98#汽油及0#柴油这五种介质，92#和98#两种汽油之间的差值达到20％，测试一致性好，测试数据稳定。

技术研发人员：田中山;董珊珊;杨昌群;井健;王现中;蔡婧;牛道东;杨露;李育特;徐中节
受保护的技术使用者：国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司;西安航天动力研究所;西安航天远征流体控制股份有限公司
技术研发日：2021.04.30
技术公布日：2021.08.03