CN110804746A - 一种电解槽槽壳的温度在线检测系统及其温度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电解槽温度检测技术领域，一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，包括：热电偶传感器，所述热电偶传感器包括若干个并分别安装在电解槽槽壳的侧面上；热电偶温度采集模块，所述热电偶温度采集模块包括与所述热电偶传感器数量相对应的若干个；红外热成像摄像头，设置在电解槽槽壳的侧面外并朝向所述电解槽槽壳；主控模块，与解码单元连接，获取所述红外热成像摄像头扫描得到的红外图谱，解析所述红外图谱生成红外热成像摄像头所面对槽壳的侧面范围内的温度数据；根据红外热成像摄像头所采集的温度数据和热电偶温度采集模块所采集的温度数据，计算得出电解槽槽壳的侧面上的温度。本发明可以实现对电解槽槽壳温度在线连续监测，并且测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于电解槽温度检测技术领域，具体涉及一种电解槽槽壳的温度在线检测系统及其温度检测方法。
背景技术
槽壳温度是电解槽运行中一个非常重要的参数,通常都是用红外线测温仪隔段时间在槽壳上选择一些有代表性的点进行测量，进而检测槽壳的温度是否正常，槽壳是否有损伤。虽然这样可以测量槽壳温度,但有很多不便之处,如时间上不连续、空间上点数有限、不利于数据的保存和分析,所以用计算机建立槽壳温度在线检测系统很有必要。
中国专利CN101936782公开了了一种铝电解槽壳体温度在线监测装置，测温装置由多个温度测量元件组成，实现连续在线测温，通过无线传输进行信号传递。但该方案需要布放的温度测量元件数量多，每个电解槽需要的传感器数量多。另外，现有技术文献“《铝电解槽槽壳温度在线检测与槽况诊断专家系统的研究与应用》，刘正，第19-20页，中南大学”，文中公开了仅仅铝电解槽两侧就需要各安装57支热电偶，电解槽总共需要141支热电偶。现有技术仅仅采用热电偶进行测温，误差较大，精度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种电解槽槽壳的温度在线检测系统及其温度检测方法，能够克服现有技术的不足，结构合理，可以实现对电解槽槽壳温度在线连续监测，并且测量精度高。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，包括：
热电偶传感器，所述热电偶传感器包括若干个并分别安装在电解槽槽壳的侧面上，用于采集电解槽槽壳的侧面上对应采集点的温度并输出对应的温度信号；
热电偶温度采集模块，所述热电偶温度采集模块包括与所述热电偶传感器数量相对应的若干个，通过所述热电偶温度采集模块分别与所述热电偶传感器电连接，用于采集各热电偶传感器所采集的温度数据并通过CAN总线传输给主控模块；
红外热成像摄像头，设置在电解槽槽壳的侧面外并朝向所述电解槽槽壳；红外热成像摄像头对电解槽槽壳的侧面进行测点扫描，得到其所面对槽壳的侧面范围的红外图谱，并通过解码单元解码后发送给所述主控模块；
主控模块，与解码单元连接，获取所述红外热成像摄像头扫描得到的红外图谱，解析所述红外图谱生成红外热成像摄像头所面对槽壳的侧面范围内的温度数据；根据红外热成像摄像头所采集的温度数据和热电偶温度采集模块所采集的温度数据，计算得出电解槽槽壳的侧面上的温度。
进一步的，所述热电偶温度采集模块包括：
信号调理电路，所述信号调理电路的输入端与所述热电偶传感器连接，用于根据电解槽槽壳的侧面上的温度信号变化自动调整热电偶的输出；
第一单片机，所述第一单片机的输入端与所述信号调理电路连接，用于将所述信号调理电路输出的温度信号进行模数转化，输出数字化的温度信号。
进一步的，所述主控模块包括：
第二单片机，用于将热电偶温度采集模块所采集的温度数据拟合后，对红外热成像摄像头所采集的温度数据进行校正；
数据上传单元，用于将校正后的温度数据通过以太网或CAN总线上传到上位机PC；
报警单元，将校正后的温度数据与预设的温度数据进行比对，当检测到校正后的温度数据超过预设的温度数据时，报警单元发出报警信号。
进一步的，所述热电偶传感器包括2-5个。
进一步的，所述第一单片机的型号为STM32F091CBT6。
进一步的，所述第二单片机的型号为STM32F407VGT6。
本发明还提供一种电解槽槽壳的温度检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)组建权利要求1-6任一项所述电解槽槽壳的温度检测系统；
(2)在电解槽槽壳的任一侧面上的采集点放置n个热电偶传感器，获得热电偶传感器温度值为XT，各点的温度集合成为矩阵XT＝[xT(1),xT(2),xT(3),...xT(n)]；
(3)在电解槽槽壳的侧面正对面位置布设一台红外热成像摄像头，该红外摄像机的像素分辨率为512x640；获取热成像温度矩阵XC,并且
其中热成像温度矩阵与热电偶采集点位置的矩阵对应元素为XC0＝[xC0(1),xC0(2),xC0(3),...xC0(n)]；选择其周围的8个元素进行加权平均计算，获得XC0'＝[xC0'(1),xC0'(2),xC0'(3),...xC0'(n)]；由于xC0(n)周围的元素如下：
得到加权平均公式
(4)对XT、XC0'进行最小二乘直线拟合,拟合公式为P(x)＝a0+a1x，获得a0、a1的参数值；
(5)获得新的温度校正矩阵XC'＝a0+a1XC，该校正矩阵即为电解槽侧面温度状态。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明电解槽槽壳的温度检测系统采用红外热成像摄像头与热电偶配合进行在线温度检测，能够减少热电偶的布放数量，并且通过少量布放热电偶测量温度校准热成像摄像头测量的温度，提高测温精度。通过热电偶传感器集电解槽槽壳的侧面上对应采集点的温度，通过热电偶温度采集模块采集各热电偶传感器所采集的温度数据并通过CAN总线传输给主控模块，同时，通过红外热成像摄像头采集槽壳的侧面范围的红外图谱，再由主控模块根据红外热成像摄像头所采集的温度数据和热电偶温度采集模块所采集的温度数据，计算得出电解槽槽壳的侧面上的温度，进而检测槽壳的温度是否正常，槽壳是否有损伤。
本发明电解槽槽壳的温度检测方法通过对热电偶传感器温度值和热成像温度矩阵进行分析，通过拟合分析计算的方法对温度进行校正，得到精确度高的电解槽槽壳的温度。
附图说明
图1是本发明一种电解槽槽壳的温度在线检测系统的电路结构示意图；
图2是本发明一种电解槽槽壳的温度在线检测系统的热电偶传感器、红外热成像摄像头与主控模块的电路结构示意图。
图3是热电偶传感器与红外热成像摄像头的安装示意图。
其中；1-电解槽槽壳；2-热电偶传感器；3-红外热成像摄像头。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。需要说明的是，本发明的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本发明保护范围的一种限制。
请参阅图1-图3，一种电解槽槽壳1的温度在线检测系统，包括：
热电偶传感器2，所述热电偶传感器2包括若干个并分别安装在电解槽槽壳1的侧面上，用于采集电解槽槽壳1的侧面上对应采集点的温度并输出对应的温度信号，所述热电偶传感器2包括2-5个；本实施例热电偶传感器2设置4个；热电偶传感器2采用K型热电偶传感器2，测量温度范围0～1600℃。采用具有片内冷结补偿功能可根据的变化自动调环境温度整热电偶输出的精密热电偶放大器AD8497作为热电偶信号调理；
热电偶温度采集模块，所述热电偶温度采集模块包括与所述热电偶传感器2数量相对应的若干个，通过所述热电偶温度采集模块分别与所述热电偶传感器2电连接，用于采集各热电偶传感器2所采集的温度数据并通过CAN总线传输给主控模块；热电偶传感器2通过屏蔽补偿导线与热电偶温度采集模块相连，热电偶的屏蔽补偿导线套上金属软管进行保护。
红外热成像摄像头3，设置在电解槽槽壳1的侧面外并朝向所述电解槽槽壳1；红外热成像摄像头3对电解槽槽壳1的侧面进行测点扫描，得到其所面对槽壳的侧面范围的红外图谱，并通过解码单元解码后发送给所述主控模块；红外热成像摄像头3的型号采用DS-2TD2166-15，分辨率为640*512，输出为PAL，经解码单元ADV7180解码后，再通过主控模块的第二单片机的DCMI接口与主控模块通信。
主控模块，与解码单元连接，获取所述红外热成像摄像头3扫描得到的红外图谱，解析所述红外图谱生成红外热成像摄像头3所面对槽壳的侧面范围内的温度数据；根据红外热成像摄像头3所采集的温度数据和热电偶温度采集模块所采集的温度数据，计算得出电解槽槽壳1的侧面上的温度。热电偶温度采集模块、主控模块和数据终端设备等元器件可以根据实际使用需要放置在机架上，此处不再赘述。
本发明电解槽槽壳的温度检测系统采用红外热成像摄像头3与热电偶配合进行在线温度检测，能够减少热电偶的布放数量，并且通过少量布放热电偶测量温度校准热成像摄像头测量的温度，提高测温精度。通过热电偶传感器2集电解槽槽壳1的侧面上对应采集点的温度，通过热电偶温度采集模块采集各热电偶传感器2所采集的温度数据并通过CAN总线传输给主控模块，同时，通过红外热成像摄像头3采集槽壳的侧面范围的红外图谱，再由主控模块根据红外热成像摄像头3所采集的温度数据和热电偶温度采集模块所采集的温度数据，计算得出电解槽槽壳1的侧面上的温度。
所述热电偶温度采集模块包括：
信号调理电路，所述信号调理电路的输入端与所述热电偶传感器2连接，用于根据电解槽槽壳1的侧面上的温度信号变化自动调整热电偶的输出；信号调理单元采用型号为AD8497的芯片实现。
第一单片机，所述第一单片机的输入端与所述信号调理电路连接，用于将所述信号调理电路输出的温度信号进行模数转化，输出数字化的温度信号，通过采集模块的第一单片机的ADC进行模数转换后通过CAN总线接入主控模块。所述第一单片机的型号为STM32F091CBT6。STM32F091CBT6微处理器是基于
-M0架构的32位MCU，集低成本、较高实时性、低功耗运用、提供了丰富的外设接口(ADC、USART、GPIO、CAN等接口)满足采集模块的数据采集和传输的要求。
所述主控模块包括：
第二单片机，所述第二单片机的输入端分别与第一单片机和红外热成像摄像头3连接，用于将热电偶温度采集模块所采集的温度数据拟合后，对红外热成像摄像头3所采集的温度数据进行校正；所述第二单片机的型号为STM32F407VGT6。STM32F407VGT6微处理器是基于
-M4架构的32位MCU，具有浮点运算单元，运算速度快，满足数据处理需求，集实时性能、低功耗运用、提供了丰富的外设接口(以太网、DCMI、USART、GPIO、CAN等接口)满足模块接入要求。
数据上传单元，所述数据上传单元的输入端与所述第二单片机连接，用于将校正后的温度数据通过以太网或CAN总线上传到上位机PC；
报警单元，述报警单元的输入端与所述第二单片机连接；用于将校正后的温度数据与预设的温度数据进行比对，当检测到校正后的温度数据超过预设的温度数据时，报警单元发出报警信号。另外，热电偶温度采集模块和主控模块均具有供电模块进行供电。
本发明还提供一种电解槽槽壳的温度检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)组建权利要求1-5任一项所述电解槽槽壳的温度检测系统；
(2)在电解槽槽壳1的任一侧面上的采集点放置n个热电偶传感器2，实际布放n≤5，位置布放间隔应有一定距离)，放置位置可选择需要重点监测的位置；本实施例热电偶传感器2优选设置2-5个，获得热电偶传感器2温度值为XT，各点的温度集合成为矩阵XT＝[xT(1),xT(2),xT(3),...xT(n)]；
(3)在电解槽槽壳1的侧面正对面位置布设一台红外热成像摄像头3，该红外摄像机的像素分辨率为512x640；获取热成像温度矩阵XC,并且其中热成像温度矩阵与热电偶采集点位置的矩阵对应元素为XC0＝[xC0(1),xC0(2),xC0(3),...xC0(n)]；选择其周围的8个元素进行加权平均计算，，即根据布设热电偶的位置，选取红外矩阵中周围的8个元素，获得XC0'＝[xC0'(1),xC0'(2),xC0'(3),...xC0'(n)]；由于xC0(n)周围的元素如下：
得到加权平均公式
周围元素有8个，所以k＝1～8，该公式就是对周围8个元素做加权平均。
(4)对XT、XC0'进行最小二乘直线拟合,拟合公式为P(x)＝a0+a1x，获得a0、a1的参数值；a0、a1均为最小二乘直线拟合需要求出的元素。
(5)获得新的温度校正矩阵XC'＝a0+a1XC，该校正矩阵即为电解槽侧面温度状态。
本发明电解槽槽壳的温度检测方法通过对热电偶传感器2温度值和热成像温度矩阵进行分析，通过拟合分析计算的方法对温度进行校正，得到精确度高的电解槽槽壳1的温度，进而检测槽壳的温度是否正常，槽壳是否有损伤。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (7)
1.一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，其特征在于，包括：
热电偶传感器，所述热电偶传感器包括若干个并分别安装在电解槽槽壳的侧面上，用于采集电解槽槽壳的侧面上对应采集点的温度并输出对应的温度信号；
热电偶温度采集模块，所述热电偶温度采集模块包括与所述热电偶传感器数量相对应的若干个，通过所述热电偶温度采集模块分别与所述热电偶传感器电连接，用于采集各热电偶传感器所采集的温度数据并通过CAN总线传输给主控模块；
红外热成像摄像头，设置在电解槽槽壳的侧面外并朝向所述电解槽槽壳；红外热成像摄像头对电解槽槽壳的侧面进行测点扫描，得到其所面对槽壳的侧面范围的红外图谱，并通过解码单元解码后发送给所述主控模块；
主控模块，与解码单元连接，获取所述红外热成像摄像头扫描得到的红外图谱，解析所述红外图谱生成红外热成像摄像头所面对槽壳的侧面范围内的温度数据；根据红外热成像摄像头所采集的温度数据和热电偶温度采集模块所采集的温度数据，计算得出电解槽槽壳的侧面上的温度。
2.根据权利要求1所述的一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，其特征在于，所述热电偶温度采集模块包括：
信号调理电路，所述信号调理电路的输入端与所述热电偶传感器连接，用于根据电解槽槽壳的侧面上的温度信号变化自动调整热电偶的输出；
第一单片机，所述第一单片机的输入端与所述信号调理电路连接，用于将所述信号调理电路输出的温度信号进行模数转化，输出数字化的温度信号。
3.根据权利要求1所述的一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，其特征在于：所述主控模块包括：
第二单片机，所述第二单片机的输入端分别与第一单片机和红外热成像摄像头连接，用于将热电偶温度采集模块所采集的温度数据拟合后，对红外热成像摄像头所采集的温度数据进行校正；
数据上传单元，所述数据上传单元的输入端与所述第二单片机连接，用于将校正后的温度数据通过以太网或CAN总线上传到上位机PC；
报警单元，所述报警单元的输入端与所述第二单片机连接；用于将校正后的温度数据与预设的温度数据进行比对，当检测到校正后的温度数据超过预设的温度数据时，报警单元发出报警信号。
4.根据权利要求1所述的一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，其特征在于：所述热电偶传感器包括2-5个。
5.根据权利要求2所述的一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，其特征在于：所述第一单片机的型号为STM32F091CBT6。
6.根据权利要求3所述的一种电解槽槽壳的温度在线检测系统，其特征在于：所述第二单片机的型号为STM32F407VGT6。
7.一种电解槽槽壳的温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)组建权利要求1-6任一项所述电解槽槽壳的温度检测系统；
(2)在电解槽槽壳的任一侧面上的采集点放置n个热电偶传感器，获得热电偶传感器温度值为XT，各点的温度集合成为矩阵XT＝[xT(1),xT(2),xT(3),...xT(n)]；
(3)在电解槽槽壳的侧面正对面位置布设一台红外热成像摄像头，该红外摄像机的像素分辨率为512x640；获取热成像温度矩阵XC,并且
其中热成像温度矩阵与热电偶采集点位置的矩阵对应元素为XC0＝[xC0(1),xC0(2),xC0(3),...xC0(n)]；选择其周围的8个元素进行加权平均计算，获得XC0'＝[xC0'(1),xC0'(2),xC0'(3),...xC0'(n)]；由于xC0(n)周围的元素如下：
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(4)对XT、XC0'进行最小二乘直线拟合,拟合公式为P(x)＝a0+a1x，获得a0、a1的参数值；
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