CN106404108B - 一种液氮液位检测方法及装置 - Google Patents

一种液氮液位检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液氮液位检测方法及装置。其中的方法包括：预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；通过设置在灌注液氮的容器顶部的传感器测量得到当前的温度数据；根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值。通过使用本发明所提供的液氮液位检测方法及装置，可以很好的消除高温超导体磁悬浮列车运行过程中的振荡干扰，对车载杜瓦液氮液位进行准确的检测，得到更接近于真实值的液氮液位。

Description

一种液氮液位检测方法及装置
技术领域
本发明涉及高温超导磁悬浮列车试验运行参数测量技术，特别涉及一种液氮液位检测方法及装置。
背景技术
与以电磁吸力和电磁斥力为基础的电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)技术相比，高温超导磁悬浮技术依靠高温超导体块材与外部磁场之间的磁通钉扎作用实现无源自稳定悬浮。高温超导磁悬浮技术通过将超导块材浸泡在液氮中，使其温度降低进入超导状态，进入超导态的超导块材与外磁场作用可达到稳定悬浮。该技术无需主动控制，且结构简单，因此已经成为实用磁悬浮技术的理想选择之一。
西南交通大学于2000年研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车，此后开展的大量针对悬浮、导向和驱动方面的研究工作大大推进了高温超导磁悬浮列车的实用化发展。在进行上述研究工作中，需要对实际运行中的超导磁浮车运行状态参数进行监测，尤其是车载杜瓦内的液氮余量。在整个列车运行过程中，必须保证超导体浸没在液氮里面，避免发生失超现象。高温超导体失超将导致列车失去悬浮力，和轨道发生摩擦甚至脱轨。
然而，由于车载杜瓦的金属材质和真空绝热特性，无法用肉眼观察容器内的剩余液氮液位高度，所以必须使用合适的液位检测方法对液氮液位进行检测，判断是否需要及时加注液氮。
目前，现有技术中的液氮液位检测方法只能进行静态检测。然而，在车辆实际运行过程中，车载杜瓦会以一定频率随车辆振动，其振动频率受复杂的车辆运行情况影响，如加速、减速、过弯、上下坡、外部干扰等。因此，现有技术中的检测方法都难以保证较高的测量精度，所以有必要使用一种新的液氮液位检测方法对车载杜瓦液氮液位进行准确的检测。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种液氮液位检测方法及装置，从而可以对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，得到更接近于真实值的液氮液位。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种液氮液位检测方法，该方法包括如下步骤：
A、预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；
B、通过设置在灌注液氮的容器顶部的传感器测量得到当前的温度数据；
C、根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；
D、通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值。
较佳的，该方法还进一步包括：
E、当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤B；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。
较佳的，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：
根据不同工况下静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程；
对灌注液氮的容器进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程；
根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型。
较佳的，所述系统状态转移方程为：
hk＝hk-1+Δh+ξk-1；
其中，h为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列；Δh为液氮液面的下降速度，ξk-1为系统噪声。
较佳的，所述系统观测方程为：
Tk＝TLN+a·hk+ηk
其中，Tk为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器在第k个时刻所测得的温度，TLN为液氮温度，a为温度分布系数，ηk为观测噪声。
较佳的，所述设置在灌注液氮的容器顶部的传感器为铂电阻温度传感器。
本发明还提供了一种液氮液位检测装置，该装置包括：至少两个传感器、信号采集单元、数据发送单元、液面高度估计单元和存储器；
所述传感器分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部；
信号采集单元，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据存储在存储器中并发送给所述数据发送单元；
所述数据发送单元，用于将温度数据发送给液面高度估计单元；
所述液面高度估计单元，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值，并显示所述修正后的当前液面高度的估计值；
所述存储器，用于存储温度数据。
较佳的，所述液面高度估计单元，还用于当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权，使用重采样后的粒子集结合传感器测量得到的下一时刻的温度数据，估计下一时刻的当前液面高度的估计值，直到对最后一个采样点完成上述操作。
较佳的，所述传感器为铂电阻温度传感器。
较佳的，所述数据发送单元为无线传输装置或有线传输装置。
如上可见，在本发明所提供的液氮液位检测方法及装置中，由于使用温度传感器作为测温元件测量灌注液氮的容器内的温度变化情况，将粒子滤波算法应用到液氮液位状态估计之中，从而可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，得到更接近于真实值的液氮液位。
附图说明
图1为本发明实施例中的液氮液位检测方法的流程示意图。
图2为本发明一个具体实施例中的液氮液位检测方法的流程示意图。
图3为本发明实施例中的液氮液位检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如果在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)的顶部和底部分别设置两个温度传感器(例如，在车载杜瓦的顶部设置第一温度传感器Sensor1，用于检测液氮液位变化；在车载杜瓦的底部设置第二温度传感器Sensor2，用于限值报警，一旦位于底部的Sensor2温度高于预设阈值，则系统进行紧急制动并报警)，则根据所做静态蒸发实验测得数据可知，灌注液氮的容器内的液氮液位随液氮蒸发而逐渐降低，同时Sensor1测得的温度会随之升高；并且，液氮液位的降低随时间变化基本呈线性关系，Sensor1所测得的温度随液位降低也呈线性变化。但是，由于在运行过程中列车的车身会发生振动，灌注液氮的容器的液氮也会随之产生一定频率的振荡，因此此时Sensor1所测得的温度并不是线性变化，而是存在大幅度的抖动干扰，因此无法直接由测得温度根据经验公式直接得出液氮液位。
所以，在本发明的具体实施例中，提供了一种液氮液位检测方法及装置，从而可以对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，得到更接近于真实值的液氮液位。
图1为本发明实施例中的液氮液位检测方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的液氮液位检测方法主要包括如下所述的步骤：
步骤11，预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并进行粒子集初始化，即生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集。
在本发明的技术方案中，在进行当前液面高度的估计之前，需要预先建立一个状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集，即进行粒子集初始化。
在本发明的技术方案中，可以有多种具体实现方式来实现上述的步骤11。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。
例如，较佳的，在本发明的技术方案中，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：
步骤21，预先根据不同工况下(例如，不同环境温度、不同容器)静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程。
步骤22，预先对灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程。
步骤23，根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型。
另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述系统状态转移方程可以是：
hk＝hk-1+Δh+ξk-1
其中，h为设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的温度传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列，即表示不同时刻，例如，hk表示第k个时刻的h的值，hk-1表示第(k－1)个时刻的h的值；Δh为液氮液面的下降速度，ξk-1为系统噪声。
另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述系统观测方程可以是：
Tk＝TLN+a·hk+ηk
其中，Tk为设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的温度传感器在第k个时刻所测得的温度，TLN为液氮温度，a为温度分布系数，ηk为观测噪声。
在本发明的技术方案中，可以基于液氮蒸发在近似环境下基本呈线性的特点，建立包含干扰噪声和线性变量的液氮液位变化模型(即状态空间模型)，从而可以根据状态空间模型完成对液位的预测。
因此，通过上述的步骤21～23，根据上述的所述系统状态转移方程和系统观测方程，即可建立状态空间模型。当然，所述状态空间模型中的各种参数的取值(例如，杜瓦尺寸、环境温度等)可能会根据实际应用环境的变化而变化，在此不再赘述。
另外，较佳的，在本发明的技术方案中，在进行粒子集的初始化时，所述粒子集中的各个粒子是根据液位先验概率分布生成的，因此所述粒子集中的各个粒子的分布特征满足液位先验概率分布。
较佳的，在本发明的技术方案中，可以通过实际的实验测量数据预先获取液位先验概率分布。
步骤12，通过设置在灌注液氮的容器顶部的传感器测量得到当前的温度数据。
另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的传感器可以是铂电阻温度传感器，也可以是其它的温度传感器。
步骤13，根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值。
在本发明的技术方案中，由于在步骤11中已经建立状态空间模型，并进行粒子集初始化，而在步骤12中测量得到了当前的温度数据，因此在本步骤中，即可根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，使用粒子滤波的方法计算得到当前液面高度的估计值。
步骤14，通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值。
由于粒子滤波算法本身就是对偏差信号进行加权修正的一种方法，因此，在本步骤中，可以通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值。
通过上述的步骤11～14，即可修正后的当前液面高度的估计值，从而得到精度较高的实时液面高度。因此，通过上述的液氮液位检测方法，可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，得到更接近于真实值的液氮液位。
另外，图2为本发明一个具体实施例中的液氮液位检测方法的流程示意图。较佳的，如图2所示，在本发明的具体实施例中，上述步骤14之后还可以进一步包括：
步骤15，当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤12；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。
在本步骤中，将根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权(即根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行筛选，例如，可以通过加权的方式使得小概率事件的粒子的权重小，从而降低小概率事件的粒子对最后结果的影响)，对粒子集进行更新，然后再返回执行步骤12，进行下一个时间点采样，即使用重采样后的粒子集结合传感器测量得到的下一时刻的温度数据，估计下一时刻的当前液面高度的估计值。依此类推，每更新一次粒子集，就重新计算一次，得到一个当前液面高度的估计值，直到对最后一个采样点完成上述操作，即对所有采样点完成计算，从而可以对液面高度进行实时而精确的监测，达到实时检测液面高度的目的。
另外，在本发明的技术方案中，还提出了一种液氮液位检测装置。
图3为本发明实施例中的液氮液位检测装置的结构示意图。如图3所示，本发明实施例中的液氮液位检测装置主要包括：至少两个传感器31、信号采集单元32、数据发送单元33、液面高度估计单元34和存储器35；
所述传感器31分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部；
信号采集单元32，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器31测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据存储在存储器35中并发送给所述数据发送单元33；
所述数据发送单元33，用于将温度数据发送给液面高度估计单元34；
所述液面高度估计单元34，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值，并显示所述修正后的当前液面高度的估计值；
所述存储器35，用于存储温度数据。
较佳的，在本发明的具体实施例中，所述液面高度估计单元34，还用于当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权，从而可以使用重采样后的粒子集结合传感器测量得到的下一时刻的温度数据，估计下一时刻的当前液面高度的估计值，直到对最后一个采样点完成上述操作，即对所有采样点完成计算，从而可以对液面高度进行实时而精确的监测，达到实时检测液面高度的目的。
较佳的，在本发明的具体实施例中，所述传感器31为铂电阻温度传感器。相对于铂电阻液位计，本发明中所使用的铂电阻温度传感器的数量可以更少，而且性能更稳定、测量精度更高。
较佳的，在本发明的具体实施例中，所述数据发送单元33可以是无线传输装置，也可以是有线传输装置，本发明中对此并不进行限定。
较佳的，在本发明的具体实施例中，所述液面高度估计单元可以是个人电脑、服务器或其它形式的计算机等计算设备。
综上可知，在本发明中的液氮液位检测方法及装置，由于使用温度传感器作为测温元件测量灌注液氮的容器内的温度变化情况，将粒子滤波算法应用到液氮液位状态估计之中，从而可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，得到更接近于真实值的液氮液位。
另外，本发明中的液氮液位检测方法及装置可适用于强磁场环境下，可满足高温超导磁悬浮系统杜瓦内液氮液位检测的实际需求。
例如，在对高温超导磁悬浮系统杜瓦内的液氮液位进行具体的实际检测实验时，计算得到的结果是：传感器距液面距离为38mm；而实测的传感器距液面的距离为37mm，因此，上述液位检测的精度完全可以满足实际测量的需求。
此外，通过实际检测实验数据可知，当传感器刚刚离开液氮液面时，由于温度变化不明显，因此在液氮液面上方有一个3mm左右的温度不敏感区，突破该区域后即可正常测温。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种液氮液位检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A、预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；
B、通过设置在灌注液氮的容器顶部的传感器测量得到当前的温度数据；
C、根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；
D、通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值；
其中，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：
根据不同工况下静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程；
对灌注液氮的容器进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程；
根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型；
所述系统状态转移方程为：
hk＝hk-1+Δh+ξk-1；
其中，h为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列；Δh为液氮液面的下降速度，ξk-1为系统噪声；
所述系统观测方程为：
Tk＝TLN+a·hk+ηk
其中，Tk为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器在第k个时刻所测得的温度，TLN为液氮温度，a为温度分布系数，ηk为观测噪声。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还进一步包括：
E、当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤B；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述设置在灌注液氮的容器顶部的传感器为铂电阻温度传感器。
4.一种液氮液位检测装置，其特征在于，该装置包括：至少两个传感器、信号采集单元、数据发送单元、液面高度估计单元和存储器；
所述传感器分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部；
信号采集单元，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据存储在存储器中并发送给所述数据发送单元；
所述数据发送单元，用于将温度数据发送给液面高度估计单元；
所述液面高度估计单元，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度的估计值，并显示所述修正后的当前液面高度的估计值；
所述存储器，用于存储温度数据；
其中，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：
根据不同工况下静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程；
对灌注液氮的容器进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程；
根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型；
所述系统状态转移方程为：
hk＝hk-1+Δh+ξk-1；
其中，h为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列；Δh为液氮液面的下降速度，ξk-1为系统噪声；
所述系统观测方程为：
Tk＝TLN+a·hk+ηk
其中，Tk为设置在灌注液氮的容器顶部的传感器在第k个时刻所测得的温度，TLN为液氮温度，a为温度分布系数，ηk为观测噪声。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述液面高度估计单元，还用于当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度的估计值对粒子集进行重采样和加权，使用重采样后的粒子集结合传感器测量得到的下一时刻的温度数据，估计下一时刻的当前液面高度的估计值，直到对最后一个采样点完成上述操作。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述传感器为铂电阻温度传感器。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述数据发送单元为无线传输装置或有线传输装置。
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