CN102928043B - 一种基于线阵温度传感器的物位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线阵温度传感器的物位检测方法，在容器外部周期性温度变化诱导下，通过线阵温度传感器测得的容器内气体温度和被测介质温度，计算出线阵上各点温度变化的方差，找出相邻两点之间方差差值最大值所对应的两个点，即可判定物位处于该两点之间。适用于极端温度环境、环境气压不确定条件下测量气-液或气-固相分界面，成本低，可靠性高，结构简单。

Description

一种基于线阵温度传感器的物位检测方法

技术领域

本发明属热工及化工过程检测仪表技术领域，特别涉及和针对极端温度和特殊气压条件下的物位测量方法。

背景技术

物位测量一般是指，测量容器（水箱、油箱、储罐）中的液体或物体界面的高度。测量物体界面的高度，在工业、农业生产过程及科学研究中非常重要。物位测量技术属于热工和化工检测仪表技术领域。

检测容器中的物位有多种方法，按照测量原理有：电容式物位计、静压式物位计、射频式物位计、磁至伸缩式物位计、3D物位扫描仪、浮子式物位计、超声波物位计、雷达（微波）物位计、射频导纳物位计等。不同的应用条件，对传感器的要求也不同。例如，对火力发电厂汽包的液位测量时，需要及时反映负荷变化对液位的影响来采取必要的补偿措施，因此对传感器的响应速度要求较高；而对于大型储罐中的液位，则由于其变化缓慢而对其响应速度要求很低。

在一些极端条件下，例如在南北两极的极低温和低气压环境下，对传感器的耐低温性能和低气压环境要求很高，很多传统的方法都因传感器的耐低温性能较差、同时在低气压环境下的准确度较差而不能适用。曾经多次发生过液位传感器在低温条件下失效，在低气压环境下无法测出物位数据的事件。

目前还缺乏在极端温度条件下测量物位的成熟方法。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种适用于极端温度环境、环境气压不确定条件下测量气-液或气-固相分界面的基于线阵温度传感器的物位检测方法。

技术方案：本发明的基于线阵温度传感器的物位检测方法，包括以下步骤：

1）将温度传感器线阵插入容器内，使温度传感器线阵上至少一个温度传感器处于气体中，其余的温度传感器处于被测介质中；

2）采用与温度传感器线阵连接的数据采集处理终端，采集以Δτ为测试周期的时间序列{t₁，t₂，..t_i，...，t_n-1，t_n}的、温度传感器线阵的温度序列{d₁(t_i)，d₂(t_i)，...，d_j(t_i)，...，d_h-1(t_i)，d_h(t_i)}，其中，i为时间序列号，n为时间间隔数，h为温度传感器线阵上的温度传感器数量，j为温度传感器线阵上从上至下的温度传感器序列编号；

3）计算各温度传感器所测温度的平均值和方差 $D_j\left(t\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[d_j\left(t_i\right)-{\stackrel{\‾}{D}}_j]}^2}{n},$ 得到方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}；

4）计算方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}中所有相邻方差的变化ΔD＝|D_j-D_j-1|，找出其中的最大值，根据方差变化最大值对应的两相邻方差，确定两个相邻的温度传感器，两个相邻的温度传感器之间的中点即为物位所在位置。

根据传热学理论，在图1所示的封闭、非绝热无内热源的容器内，物料的温度变化仅受外界的温度变化而变化。如果在容器内的物料具有气-液或气-固相分界面时，由于气体（例如空气或被测介质烝气）的容积热容量和热导率远小于液体（例如航空煤油）或固体（例如煤粉）的热容量及热导率，因此由于环境温度诱导所产生的温度变化规律会有显著不同的滞后和衰减差异，见图2。

如果将线阵温度传感器置于容器中具有气-液或气-固相分界面的物料内，测得线阵上各点的温度时间序列，再根据统计学理论，计算出其方差。由于在分界面上方气体侧的传感器测得的温度变化的方差与被测液体或被测固体粉末侧得的方差数值显著不同，因此可以从方差随深度的变化曲线分辨出物料的分界面，见图3。

本发明可以在上位智能控制器（数据采集处理终端）上的数码显示器直接显示物位，也可以并通过通信接口与其它设备进行数据交换。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有以下优点：

本方法仅与环境温度的变化及容器内被测物料的热物性有关，与线阵温度传感器的热惯性有关，与其它条件无关，其分辨率取决于温度传感器线阵上两个传感器的间距，其采样周期大于等于诱导温度变化的周期，因此特别适用于极端温度环境（如：低温、介质温度变化范围大）、环境气压不确定条件，以及导电性、液固相不确定的介质在变化缓慢条件下（例如大型储油箱的油位）的物位检测。

在实际使用本方法和装置测量物位时，只需给出传感器安装位置与容器底部的相对位置关系即可使用，对于不同的介质无需事先标定。

本项发明提出的物位检测方法理论可靠、算法简单；铠装传感器结构简单，制造成本较低，采用的通用温度传感器、微处理器（MCU）等，均属于市场上常见的器件，极易获得。

根据本项发明提出的方法所制造的检测装置，具有数据量小、占用资源少、算法简单等优点，可作为现有料位/液位检测一次仪表的补充。

根据本项发明提出的方法所制造的测试装置，可以在扩充了总线通信功能后实现远程分布式系统，用于同时检测多个物位；在扩充了网络通讯功能后还可以实现网络化分布式检测和监测。

附图说明

图1为温度传感器线阵在容器及物料的安装示意图；

图2为环境温度变化及诱导产生的气体和被测介质的温度变化示意图，其中图2a为环境温度变化，图2b为界面之上温度变化，图2c为界面之下温度变化，图中横坐标为时间序列，纵坐标为温度值；

图3为方差随深度变化曲线示意图；

图4为数字温度传感器线阵电路原理图；

图5为上位智能控制器（数据采集处理终端）原理图；

图6为铂传感器线阵电路原理图。

图中有：温度传感器线阵1、温度传感器11、容器2、气体3、物位4、数据采集处理终端5、被测介质6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基于线阵温度传感器的物位检测方法，包括以下步骤：

1）将温度传感器线阵1插入容器2内，使温度传感器线阵1上的至少一个温度传感器11处于气体3中，其余的温度传感器11处于被测介质6中；

2）采用与温度传感器线阵1连接的数据采集处理终端5，采集以Δτ为测试周期的时间序列{t₁，t₂，..t_i，...，t_n-1，t_n}的、温度传感器线阵1的温度序列{d₁(t_i)，d₂(t_i)，...，d_j(t_i)，...，d_h-1(t_i)，d_h(t_i)}，其中，i为时间序列号，n为时间间隔数，h为温度传感器线阵1上的温度传感器数量，j为温度传感器线阵1上从上至下的温度传感器序列编号；

3）计算各温度传感器11所测温度的平均值和方差 $D_j\left(t\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[d_j\left(t_i\right)-{\stackrel{\‾}{D}}_j]}^2}{n},$ 得到方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}，其沿高度的变化规律将如图3所示；

4）计算方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}中所有相邻方差的变化ΔD＝|_Dj-D_j-1|，找出其中的最大值，根据方差变化最大值对应的两相邻方差，确定两个相邻的温度传感器，两个相邻的温度传感器的安装位置之间的中点即为物位所在位置。

实施例1：数据采集处理终端5，采用Samkoon公司具有RS485接口、Modbus通信协议、3.5吋触摸式人机界面。该人机界面可以运行用C语言编写的程序，实现数据通信和数据处理功能；温度传感器线阵1，由一组（典型值为每米10只）具有单总线数据通信能力的数字式温度传感器DS18b20和能够与单总线通信的且能够通过Modbus协议与数据采集处理终端5通信的微处理器（MCU）（如新唐公司的W79E824）及其外围电路（如电源电路等）和RS485通信接口组成，数字式温度传感器DS18b20以均匀间隔，铠装在适当长度的不良导热体的杆上，且保证与被测介质有良好的热接触。

其工作过程为：将由多个DS18b20温度传感器和相应的微处理器（MCU）构成温度传感器线阵1插入容器2内，使温度传感器线阵1上的一个温度传感器11置于容器中的气体3中，其余的温度传感器11处于被测介质6中，此时物位4处于线阵上的两个温度传感器之间，物位4为气-液或气-固相的分界面。在触摸式人机界面上设定测试测试周期和采样间隔Δτ，在容器外部的周期性的温度变化诱导下，容器内的气体温度和被测的液体（或固体粉末）的温度都将随之变化，当过渡过程结束后，物位以上的气体温度和物位介质以下的温度变化规律将如图2所示。连续测定各位置节点上的温度时间序列{d₁(t_i)，d₂(t_i)，...，d_j(t_i)，...，d_h-1(t_i)，d_h(t_i)}序列数据，在人机界面上计算各点温度的平均值 ${\stackrel{\‾}{D}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j\left(t_i\right)}{n}$ 和方差 $D_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[d_j\left(t_i\right)-{\stackrel{\‾}{D}}_j]}^2}{n},$ 通过比较，找出方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}中所有相邻方差的变化ΔD＝|D_j-D_j-1|的最大值，根据方差变化最大值对应的两相邻方差，确定两个相邻的温度传感器，两个相邻的温度传感器的安装位置之间即是物位，在触摸式人机界面直接显示物位，可构成独立的就地或远程物位仪表。

实施例2：温度传感器线阵1由多只（如24只）数字式测温元件DS18b20组成，均匀分布在垂直方向进行铠装，铠装杆在安装测温元件的水平方向具有良好的热传导，相邻安装测温元件的间隔方向绝热，铠装内外密封，用一片微处理器（MCU），进行温度信号数据采集，通过微处理器（MCU）的RS485，向上位智能控制器（数据采集处理终端）输出各点采集的温度数字信号序列，电路原理如图4所示。

上位智能控制器（数据采集处理终端），以51内核的MCU为核心，通过RS485接口，连接铠装物位传感器，得到某时刻的各点温度数据。通过数据分析软件计算，得到相应的物位数据，在控制器上进行数码显示，控制器上设计有DAC（8bit）电路，可将物位信号以4-20mA/1-5V标准输出，构成物位信号变送器。控制器（数据采集处理终端）原理框图如图5。

其工作过程，使温度传感器线阵1上至少一个温度传感器11处于气体3中，其余的温度传感器11处于被测介质6中。采集数据方法和分析数据方法同实施例1。最后在数码管上直接显示物位，可构成独立的就地或远程物位仪表。

实施例3：在对被测介质温度更低（低于-55℃）和被测介质温度更高（大于125℃）时，测温元件使用铂电阻。多只（如24只）铂电阻，均匀分布在垂直方向上进行铠装，铠装杆在安装测温元件的水平方向具有良好的热传导，相邻安装测温元件的间隔方向绝热，铠装内外密封。每8只测温铂电阻，用一片，8通道24bitΣ-ΔADC的MSC1210(51内核)微处理器（MCU），使用四线制电桥，进行温度信号采集，共使用3片MSC1210微处理器（MCU）（chip1、chip2和chip3），通过RS232接口互相桥接，各微处理器（MCU）向上位MCU进行数据传输，通过末端微处理器（MCU）的RS485接口，向上位智能控制器（数据采集处理终端）输出各点采集的温度信号。上位智能控制器，安装分析软件，可计算出物位信息通过DAC和相应的电路输出4-20mA。电路原理如图6所示。

上位智能控制器（数据采集处理终端5），以51内核的微处理器（MCU）为核心，通过RS485接口，连接铠装物位传感器，得到某时刻的各点温度数据。通过数据分析软件计算，得到相应的物位数据，在控制器上进行数码显示，控制器上设计有DAC（8bit）电路，可将物位信号以4-20mA/1-5V标准输出，构成物位信号变送器。控制器（数据采集处理终端）原理框图如图5。

其工作过程为：将由多只铂电阻温度传感器和相应的微处理器（MCU）构成的温度传感器线阵1插入封闭容器2内，使温度传感器线阵1上至少一个温度传感器11处于气体3中，其余的温度传感器11处于被测介质6中。数据采集方法和数据处理方法同实施例1。最后在数码管上直接显示物位，也可构成通过DAC输出对应的电流或电压信号作为物位变送器使用。

Claims (1)

1.一种基于线阵温度传感器的物位检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）将温度传感器线阵（1）插入容器（2）内，使温度传感器线阵（1）上至少一个温度传感器（11）处于气体（3）中，其余的温度传感器（11）处于被测介质（6）中；

2）采用与所述温度传感器线阵（1）连接的数据采集处理终端（5），采集以Δτ为测试周期的时间序列{t₁，t₂，..t_i，...，t_n-1，t_n}的、温度传感器线阵（1）的温度序列{d₁(t_i)，d₂(t_i)，...，d_j(t_i)，...，d_h-1(t_i)，d_h(t_i)}，其中，i为时间序列号，n为时间间隔数，h为温度传感器线阵（1）上的温度传感器数量，j为温度传感器线阵（1）上从上至下的温度传感器序列编号；

3）计算各温度传感器（11）所测温度的平均值和方差 $D_j\left(t\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[d_j\left(t_i\right)-{\stackrel{\‾}{D}}_j]}^2}{n},$ 得到方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}；

4）计算所述方差序列{D₁，D₂，...，D_j，...，D_h-1，D_h}中所有相邻方差的变化ΔD＝|D_j-D_j-1|，找出其中的最大值，根据所述方差变化最大值对应的两相邻方差，确定两个相邻的温度传感器，所述两个相邻的温度传感器之间的中点即为物位所在位置。