CN101793545B - 生物燃料的自动计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于生物质资源利用技术领域的一种生物燃料的自动计量系统及方法。该系统由车辆称重系统、燃料体积测量系统、燃料参数测量系统以及相关的机械系统、现场控制系统和上位机监控系统构成。其中燃料体积测量系统和燃料参数测量系统由机械系统负责联动。所述计量方法是采用电子车辆衡和激光外廓体积扫描法分别测量载料/空载车辆的重量和体积来获得散装生物燃料的总重量和体积，并由此计算出燃料平均密度，采用漫反射近红外光谱分析法同时测量燃料多种参数，并交由上位机监控系统作实时控制，最后将数据汇总输出。大大提高生物燃料计量过程的客观性、准确性和效率，有助于实现生产自动化，提高生产管理水平，减轻劳动强度，提高生产效率。

Description

生物燃料的自动计量系统及方法

技术领域

本发明属于生物质资源利用技术领域，特别涉及一种生物燃料的自动计量系统及方法。 

背景技术

生物燃料的生物质能资源的利用主要是通过生物燃料(如秸秆、树皮、玉米芯等)直燃发电，而这些散装生物燃料入厂时需要准确的计量其类型、重量、体积、含水量、热值参数。传统测量手段采用机动车载散装物料，首先通过地秤称重，再由人工丈量物料体积，由经验判断其含水量，最后结算。传统方法效率低、成本高，测量结果准确性差而且受主观因素的干扰。 

发明内容

本发明的目的是一种生物燃料的自动计量系统及方法，其特征在于，所述生物燃料的自动计量系统由车辆称重系统、燃料体积测量系统、燃料参数测量系统以及相关的机械系统、现场控制系统和上位机监控系统构成。其中燃料体积测量系统和燃料参数测量系统由机械系统负责联动；另外，系统还包括一个监视摄像头，供操作员进行全程在线远程监控。车辆行驶指示灯用来提示司机系统的测量过程。 

所述上位机监控系统包括人机界面、通讯接口、数据库和打印设备； 

所述现场控制系统包括设备通讯、现场控制、流程控制、数据分析与计算还含嵌入式工业控制器； 

所述车辆称重系统包含电子车辆衡，用于测量载料车辆与空载车辆重量； 

所述燃料体积测量系统包含激光头、摄像头和超声测距仪；用于测量载料车 辆与空载车辆外轮廓与体积； 

所述燃料参数测量系统包含漫反射近红外光谱分析仪及多通道探头，用于测量生物燃料各种参数，主要测量含水量和热值； 

所述机械系统含棚架、门式检测台架、轨道式行走大车、小车及升降装置；用于支撑、协调各子系统，运动机构与控制； 

所述监控单元包括远程监控与车辆行驶灯指示，还含监控摄像头和信号灯。 

所述燃料参数测量系统测量的参数为含水量与热值。 

所述生物燃料的自动计量方法是采用电子车辆衡和激光外廓体积扫描法分别测量载料/空载车辆的重量和体积来获得散装生物燃料的总重量和体积，并由此计算出燃料平均密度，在燃料参数测量系统中，多通道测量探针可以随机选取位置，采用漫反射近红外光谱分析法同时测量燃料多种参数，所有子系统由现场控制系统负责协同工作、流程控制与数据采集，并交由上位机监控系统作实时控制，最后将数据汇总输出。 

所述生物燃料计量系统的工作流程。 

1)操作人员需要记录被测测量的车牌号码及装载燃料的类型，提示车辆驶入电子衡停稳后，自动计量过程开始； 

2)车辆载物的毛重、体积数据被自动测量；行走大车移动到含水量测量点下探压力板和红外光谱水分测量仪，插入物料内部获取其含水量数据；同时控制与通讯单元通过升降机上的编码器获得压紧后物料高度；所有获取的数据对应车牌号码存储在上位机中； 

3)卸载了燃料的车辆再次上秤进行空车计量，包括空车重量测量和底盘超声检测，获取的数据与上位机中同车牌车辆的载料数据进行比较，从而统计出燃料的体积、净重量和含水量数据； 

4)每次单车的自动计量过程，测量时间不超过2分钟；一辆车测量完毕后，系统自动归位准备下一辆车的测量。 

本发明的有益效果是本发明的自动生物燃料计量系统无需现场采样，具有准确度高、实用性广、稳定可靠、无须频繁标定等优点，可以提供实时的物料信息，大大提高生物燃料计量过程的客观性、准确性和效率，有助于实现生产自动化，提高生产管理水平，减轻劳动强度，提高生产效率。 

附图说明

图1为生物燃料自动计量系统结构示意图，其中(a)为生物燃料自动计量系统主视图；(b)为生物燃料自动计量系统结构的侧视图。 

图2为生物燃料计量系统工作流程示意图。 

图3为物料压紧与探头保护装置示意图。 

图4为燃料体积测量原理图。 

图5为为激光三角法测量原理图。 

图6为近红外光谱分析的建模与预测过程示意图。 

图7所示为多通道数据获取与分析。 

具体实施方式

本发明提供一种生物燃料的自动计量系统及方法。下面结合附图对本发明予以说明。所述生物燃料的自动计量系统由车辆称重系统、燃料体积测量系统、燃料参数测量系统以及相关的机械系统、现场控制系统和上位机监控系统构成。其中燃料体积测量系统和燃料参数测量系统由机械系统负责联动；另外，系统还包括一个监视摄像头，供操作员进行全程在线远程监控。车辆行驶指示灯用来提示司机系统的测量过程。 

系统构成如图1所示，图中，(a)为生物燃料自动计量系统主视图；(b)为生物燃料自动计量系统结构的侧视图。自动生物燃料计量系统在功能上包括设备层、现场控制系统、上位机监控系统三部分。设备层包括车辆称重系统、燃料体积测量系统、燃料参数测量系统，其中燃料体积测量系统和燃料参数测量系统由 机械系统负责联动。各部分具体说明如下： 

1.车辆称重系统：车辆称重系统由一个电子车辆衡构成，由秤体、称重传感器、称重显示器、接线盒、连接电缆、秤体限位装置等部分组成，秤台为钢台面结构形式(14米长)，称重传感器有8只，每只额定荷重为30吨； 

车辆称重系统通过RS485总线与控制与通讯单元通讯。 

2.机械系统主要由棚架1、电子汽车衡5、门式检测台架及物料压紧与探头保护装置(如图3所示)构成(如图1中a、b所示)包括如下部分： 

棚架为四脚支撑，轻钢结构，尺寸16m*4m*6.5m；棚架可以为燃料体积测量系统遮蔽日光干扰，提高测量精度。 

门式检测台架为主要由轨道式行走大车2、小车及升降装置7构成； 

图3所示为物料压紧与探头保护装置，包括压力传感器11与负反馈机制、多通道探头保护装置，图中升降连杆8与升降装置7连接，其作用是在进行燃料参数测量时，保证散装燃料压紧为恒定密度，并为燃料参数测量系统的探头提供机械保护。 

门式检测台架用于实现检测车载货物的各种动作，包括压力板沿车身移动和上下升降移动。激光外廓体积测量系统和近红外物料参数测量系统都安装在可以随轨道式行走大车进行z向移动的小车上，其中，近红外探针和压紧装置可随升降装置进行上下动作。轨道式行走大车有两个行走运行机构，通过横梁将两个运行机构连为一体，其中一个运行机构底端装有一套驱动单元和车轮组，电机驱动车轮组沿架设在顶棚的轨道行走。行车运行机构由车体、车轮组和驱动装置组成，车轮组和驱动装置均安装在车体上，电机直接驱动车轮带动车体在横梁上移动。行车的行走定位精度达到厘米级。 

升降装置有升降机、驱动单元、支架和压力板，升降装置通过支架固定在小车车体上，升降机、驱动单元固定在支架上，升降连杆8下端装有压力板10，压力板10上固定近红外光谱分析处理器9，压力传感器11固定在升降连杆8下端，电机驱动升降机使得压力板10上下升降动作。在行车与升降机的电机上各有一个编码器与之集成，控制与通讯单元通过编码器的值来确定电机的位置，并 将其发往激光体积测量系统的图像处理单元。同时行车和升降装置运动的起点与终点分别安装一套限位开关，并在移动部件的两端加装保护装置。升降装置带有压力传感器11，压力板10两端分别固定固定光谱测量探头14，光谱测量探头14外面加装防护网及快门，防护网内固定红外灯13和探头光纤、电源、控制和数据线12；反馈控制系统可保证每次下压的压力为75公斤左右。从压力板接触到物料，到压力读数达到设定值，压力板压紧过程的下行行程将作为计算物料密度的数据上传给控制和通讯单元。压力板上方安装有机械盒，用来装载燃料参数测量系统的红外线光谱测量仪处理器；压力板下方分别装有四个可以更换的保护套管，其中固定光谱测量探头和传输光纤。保护套管前端为30°角，可以较容易的插入被测物料中并保护光谱测量探头。为防止光纤头和红外灯被灰尘或物料残渣污染，在套管端部设有防护网和机械快门，只有探头插入物料开始测量时快门打开。探头光纤、电源线、控制线通过套管连接至光谱仪处理器。光谱测量仪的数据传输线沿压力板上方的连接件延伸至行走大车，并与控制与通讯单元连接。 

3.现场控制系统由嵌入式现场控制器及其附属通讯模块构成，负责现场数据采集、仪器通讯、数据分析和流程控制。系统功能框架如图4所示，控制与通讯单元的智能数据通讯模块通过设备接口与设备进行通讯，发送控制命令或者获取设备数据。整个流程控制由模块管理中心负责调配协调。下层获取的数据通过模块管理中心发送到测量计算程序，实现数据计算及误差校正，再传输至数据库和人机界面进行存储或显示。同时，数字通讯接口负责将实时获取的数据发送至外部程序。用户可以选择自动或手动模式控制测量流程，也可以在任何时刻中止测量过程并重置。 

机械系统、称重系统、物料体积测量系统和含水量测量系统的控制、数据交互与协作是通过智能数据采集与系统控制中心来完成的，控制中心通过以太网与用户的上位工控机连接。该部分负责流程控制、与设备层子系统通讯、算法实现及数据输出。所有控制过程和实时数据可通过以太网同上位工控机交互，以实现用户界面、控制、错误提示、报警、数据记录与备份等操作。整个测量过程实现全自动化远程监控，无需人工参与。 

4.生物燃料体积测量系统通过多角度激光扫描分析技术获取物料的实时体积数据(如图4所示)。 

5.上位机监控系统，上位机控制软件负责以下功能模块：操作员权限管理、系统参数设置、用户操作界面，包括检测流程的进度监控与提示等、错误处理与日志记录、数据记录与备份、查询、统计数据与报表生成、用户操作界面界面会实时显示当前系统测量进度、错误信息及行车、升降机位置。 

对每一辆被检货车，测量系统的一次完整测量会返回以下最终数据：载料车总质量(单位：吨，在载料测量模式中获得的总质量)；空车质量(单位：吨，空车重量，与总质量之差为燃料质量)；载物体积(单位：立方米，在载料测量模式中获取，包括车辆底盘在内)；空车体积(单位：立方米，在空车测量模式获取，计算空车地盘的影响，二者之差即为燃料体积)；燃料密度(公斤/立方米，计算获得的燃料质量与燃料体积之比)；压紧行程(压力板下压最大行程)；物料含水量(四个探头的平均值)。 

图2所示为生物燃料计量系统的工作流程。 

1)操作人员需要记录被测测量的车牌号码及装载燃料的类型，提示车辆驶入电子衡停稳后，自动计量过程开始； 

2)车辆载物的毛重、体积数据被自动测量；行走大车移动到含水量测量点下探压力板和红外光谱水分测量仪，插入物料内部获取其含水量数据；同时控制与通讯单元通过升降机上的编码器获得压紧后物料高度；所有获取的数据对应车牌号码存储在上位机中； 

3)卸载了燃料的车辆再次上秤进行空车计量，包括空车重量测量和底盘超声检测，获取的数据与上位机中同车牌车辆的载料数据进行比较，从而统计出燃料的体积、净重量和含水量数据； 

4)每次单车的自动计量过程，测量时间不超过2分钟；一辆车测量完毕后，系统自动归位准备下一辆车的测量。 

燃料体积测量原理如图4所示，激光束和CCD摄像机都与透镜光轴垂直，由相似三角形规律可以得出物像关系： 

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{nD}}{m}$

其中m为物距，n为像距，D为所测物点的高度，δ为像点的高度。由于n、m是常数，物像间是线性关系。 

图5所示为激光三角法测量原理图，输出面光源的激光器将光束射到被测物料表面，根据被测物料表面的形状，将形成物料的一个横截面的轮廓曲线，用于CCD摄像机将该曲线采集下来，基于激光三角法，通过激光影像实时分析模块，可以计算出物料上表面轮廓曲线上各点的位置坐标。当没有物料时，可以测量容器内表面轮廓曲线上各点的位置坐标，结合上面所测轮廓曲线数据，即可计算出该截面的横截面积。燃料体积测量方法为， 

1)系统采用单路激光发射与图像采集装置来测量载料车辆的体积，安装在行走大车的中央，距地面高度约6-7米。 

2)由于车箱深度较大，若采用激光三角法，在空车时测量车厢的底部高度，对整个测量系统要求太高，因为这样存在安装尺寸过大、要求光源功率大、测量误差增加等问题。因此，车箱深度采用超声波测距仪，在空车的时候测量出车箱的底部高度。 

3)激光测量系统安装在扫描行车上，当汽车停止在电子衡上时，行车从汽车的头部向尾部扫描，行车上安装行程测量装置，并将行程信号实时输送给体积测量系统，体积测量系统根据测量的截面积与行程，即可计算出体积。 

4)激光测量系统能够根据扫描获得的表面轮廓信息自动判断车头、车尾及货物宽度信息，并由此信息以及通过控制与通讯单元上传的编码器的值计算出可以用来测量含水量的采样点位置。每次体积测量完成后，行走大车将被移动到采样点位置附近，便于压力板下探及红外光谱数据采集。 

燃料参数测量系统的目的是测量生物燃料的含水量、热值等特征参数。它主要包括一个近红外光谱分析处理器9和2～10个探头、每个探头由红外灯13、光纤头、光纤和电源线缆12构成(如图3所示)。燃料参数测量方法是采用“漫 反射近红外光谱分析技术”分析局部燃料的反射光谱，并根据与已知模型的比对、预测和计算，同时测出含水量、热值等参数。近红外光谱技术采用多通道采样，这样可以用统计方法由局部数据预测全部被检生物燃料参数的期望值，有利于减小测量误差和奇异数据对测量结果的影响。分子振动光谱倍频及和频吸收的波长范围涵盖了从780nm到2526nm的近红外光谱范围，对该范围的光谱的分析和预测可用于物质分子类型和含量的准确测量。 

图6为近红外光谱分析的建模与预测过程。首先，系统对具有先验知识的物料样本进行光谱采集与测量建模，以对燃料参数系统中的各种参数值做光谱标定，存储在处理器中。然后，在现场测量时，测量探头采用1450nm左右波长的近红外光对其套管外部的局部燃料进行照射，并通过光纤采集其漫反射光谱进行分析，与标定光谱进行比对拟合，可预测计算得含水量、热值等测量数据。实验证明，非接触法测量物料含水量时，测量结果在距离样本10cm以内，受样本的表面形状、表面颜色、距离、疏密程度等因素的影响很小，可以保证5％的含水量测量精度。这种测量方法具有以下特点：a.非接触、非采样测量；b.分析速度快(3秒)；c.可一次获取多种参数，如含水量、热值(含碳量)等等；d.样品不需预处理、操作简单；e.无浪费、无污染；f.一次测定多个采样点；g.准确度和精度很高，一般情况下测量重复性小于1％，整体预测误差小于5％；h.易于系统集成，可实现实时监控； 

图7所示为多通道数据获取与分析。为了对不同位置的燃料进行光谱分析，而且保证参数测量效率，测量过程需要采用多通道的工作方式进行。一个近红外光谱处理器可以通过轮询的方式采集多个探头的光谱数据，这样可大大降低系统成本。光谱数据通过光纤传输至处理器，而传统的光纤多路复用器采用机械旋转准直等手段进行通道选择，这样会带来机械磨碎、效率低下、耦合重复性差等等问题。 

本发明采用一种新的方式作光纤的多路复用，将多路输入光纤熔合至一路输出，通过选通每个探头上的红外灯开关来保证只有当前测量通道的灯打开，这样 只有该通道的漫反射光谱数据进入输出光纤，而其他通道均是暗的，不影响输出光纤的光谱数据。这种设计免除了机械耦合装置，具有可靠性高、重复性好、无需重复标定、寿命长等特点。 

Claims (6)

1.一种生物燃料的自动计量系统，其特征在于，所述生物燃料的自动计量系统由车辆称重系统、燃料体积测量系统、燃料参数测量系统以及相关的机械系统、现场控制系统和上位机监控系统构成，其中燃料体积测量系统和燃料参数测量系统由机械系统负责联动；

所述上位机监控系统包括人机界面、通讯接口、数据库和打印设备，还包括一个监视摄像头和车辆行驶指示灯，其中，监视摄像头供操作人员进行全程在线远程监控，车辆行驶指示灯用来提示司机系统的测量过程；

所述现场控制系统由嵌入式现场控制器及其附属通讯模块构成，负责现场数据采集、仪器通讯、数据分析和流程控制；

所述车辆称重系统包含电子车辆衡，用于测量载料车辆与空载车辆重量；

所述燃料体积测量系统包含激光头、摄像头和超声测距仪，用于测量载料车辆与空载车辆外轮廓与体积；

所述燃料参数测量系统包含近红外光谱分析仪及多通道探头，用于测量生物燃料各种参数值；

所述机械系统含棚架、门式检测台架、轨道式行走大车、小车及升降装置，该机械系统用于支撑、协调各子系统、运动机构与控制设备。

2.根据权利要求1所述生物燃料的自动计量系统，其特征在于，所述多通道探头为2～10个探头，每个探头由红外灯、光纤头、光纤和电源线缆构成。

3.根据权利要求1所述生物燃料的自动计量系统，其特征在于，所述燃料参数测量系统测量的参数为含水量与热值。

4.一种如权利要求1所述生物燃料的自动计量系统的计量方法，其特征在于，该计量方法是采用电子车辆衡和激光外轮廓体积扫描法分别测量载料/空载车 辆的重量和体积来获得散装生物燃料的总重量和体积，并由此计算出燃料平均密度，在燃料参数测量系统中，多通道探头随机选取位置，采用近红外光谱分析仪同时测量燃料多种参数，所有子系统由现场控制系统负责协同工作、流程控制与数据采集，并交由上位机监控系统作实时控制，最后将数据汇总输出。

5.根据权利要求4所述生物燃料的自动计量系统的计量方法，其特征在于，所述生物燃料的自动计量系统的计量方法步骤如下：

1)操作人员需要记录被测量车辆的车牌号码及装载燃料的类型，提示车辆驶入电子车辆衡停稳后，自动计量过程开始；

2)车辆载物的毛重、体积数据被自动测量；行走大车移动到含水量测量点下探压力板和近红外光谱分析仪，插入物料内部获取其含水量数据；同时，现场控制系统通过升降机上的编码器获得压紧后物料高度；所有获取的数据对应车牌号码存储在上位机监控系统中；

3)卸载了燃料的车辆再次上电子车辆衡进行空车计量，包括空车重量测量和底盘超声检测，获取的数据与上位机监控系统中同车牌号码的车辆的载料数据进行比较，从而统计出燃料的体积、净重量和含水量数据；

4)每次单车的自动计量过程，测量时间不超过2分钟；一辆车测量完毕后，系统自动归位准备下一辆车的测量。

6.根据权利要求4所述生物燃料的自动计量系统的计量方法，其特征在于，所述测量燃料多种参数的方法是采用“近红外光谱分析技术”分析局部燃料的反射光谱，并根据与已知模型的比对、预测和计算，同时测出含水量和热值的参数值；近红外光谱分析技术采用多通道采样，然后用统计方法由局部数据预测全部被检生物燃料参数的期望值，有利于减小测量误差和奇异数据对测量结果的影响。 

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