CN112729552A - 一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法与装置，属于检测技术领域。本发明的堆置发酵内部温度测量装置包括红外热成像相机、距离探测相机和主控电路，红外热成像相机获取发酵堆表面温度分布图像，距离探测相机获取发酵堆表面与距离探测相机的距离，控制器将发酵堆表面温度分布图像、发酵堆表面与距离探测相机的距离信息进行匹配，匹配完毕后对图像进行语义分割，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，进行发酵堆表面温度的修正以及发酵堆内部温度估计值的预测，实现发酵堆内部的温度的有效精准预测。本发明测量装置设有衔接槽，实现与自走式、悬挂式移动支架的固连，针对堆垛式和槽堆式等不同发酵方式的发酵堆进行检测。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法与装置。
背景技术
在有机基质生产过程中，温度是表征发酵堆发酵状态的重要参数，因此需要频繁采集，进而使得工作人员或自动控制设备能够及时地对堆料状态进行调控。堆料的发酵过程是一种生物过程反应，其内部存活的微生物在发酵过程中对堆料内的温度要求尤为严苛，温度过低会影响微生物活性，而温度过高又会导致微生物进入休眠甚至死亡，所以，是否能够实时了解到发酵堆内部的温度，对整个发酵堆的生产运作都产生着重要的影响。
近年来，国内外在温度检测技术方面取得了长足的进步，尤其是红外热成像测温方面，由于新材料的出现，其探头体积小型化、集成化以及检测精度都较之以前有了大幅度的提高，成为了现在温度测量的主要手段之一。
现阶段在发酵堆温度测量方面，只有红外热成像仪能够做到在不接触堆料的情况下实现温度的测量，但是由于红外热成像仪只能检测被测物表面的温度，而发酵堆在发酵的过程中，其内部的温度与表面温度存在一定的差异，并且红外热成像仪自身在测量温度时也会受测量距离的影响导致其出现偏差，因此使用红外热成像仪检测发酵堆内部温度需要通过一些算法去修正其检测精度，并且能够通过表面的温度来预测出内部温度。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法与装置，根据发酵堆表面的温度，进行有效精准的发酵堆内部温度预测。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法，控制器将发酵堆表面温度分布图像、发酵堆表面与距离探测相机的距离信息进行匹配，匹配完毕后对图像进行语义分割，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，进行发酵堆表面温度的修正以及发酵堆内部温度估计值的预测。
进一步，所述发酵堆表面温度的距离影响修正，具体为：建立修正温度与测量温度、测量距离的关系模型，如下：
其中，T′(T,L)为修正后的温度值，T为测量的温度值，L为发酵堆表面与距离探测相机的距离，σk是奇异矩阵的元素，uk(T)为向量uk中的元素关于T的函数，vk(L)为向量vk中的元素关于L的函数，b为整数。
进一步，所述发酵堆内部温度估计值的预测，利用如下关系模型：
其中，H是生化反应热，w内部BVS(s)是发酵堆内部有机质含量值，m表层是发酵堆表层的总质量，c是发酵堆的比热容，T′(s)是s时刻修正后的发酵堆表层的温度，wBVS(s)是发酵堆表层有机质含量，K是空气的导热系数，A1为传热面积，T环境(s)是s时刻的环境温度值，m内部是发酵堆表层的总质量，T内部(s)即为红外热成像相机第s次采样时发酵堆内部温度的估计值。
一种堆置发酵内部温度测量装置，包括显示屏幕、控制盒和衔接槽，显示屏幕设置在控制盒一侧，衔接槽焊接在控制盒另一侧，控制盒通过衔接槽与移动支架进行固连；所述控制盒内部设有红外热成像相机、距离探测相机和控制器，红外热成像相机和距离探测相机均与控制器连接；控制器将红外热成像相机获取的温度分布图像和距离探测相机获取的距离信息进行匹配，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，进行发酵堆表面温度的修正以及内部温度估计值的预测。
所述移动支架包括自走式移动支架和悬挂式移动支架。
所述控制盒通过衔接槽固定在自走式安装支架上，自走式安装支架通过伸缩杆与自走式移动支架连接，自走式移动支架底部设有滚轮；所述控制盒上的相机镜头面向堆垛式发酵堆的顶部。
所述控制盒通过衔接槽固定在悬挂式安装支架上，悬挂式安装支架连接在悬挂式移动支架下方，悬挂式移动支架顶部设有的凹槽型滑轮与悬架配合，挂式移动支架顶部还设有电机，电机输出轴上的齿轮与设置在凹槽型滑轮转轴上的齿轮啮合；所述控制盒上的相机镜头面向堆垛式发酵堆的顶部。
所述控制盒内部还设有电池，电池与控制器连接，控制器还与电源接口连接。
本发明有益效果为：
(1)本发明中控制器将红外热成像相机获取发酵堆表面温度分布图像，与发酵堆表面和距离探测相机的距离进行匹配，匹配完毕后对图像进行语义分割，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，进行发酵堆表面温度的修正，由修正发酵堆表面温度进行发酵堆内部温度估计值的预测，能够有效精准地预测出发酵堆内部的温度；
(2)本发明的堆置发酵内部温度测量装置，通过控制盒一侧的衔接槽，与自走式移动支架或悬挂式移动支架进行固连，针对堆垛式和槽堆式等不同发酵方式的发酵堆进行检测，使用方便灵活。
附图说明
图1为本发明所述基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置结构示意图；
图2为本发明所述基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法流程图；
图3为本发明所述基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置的自走式检测示意图；
图4为本发明所述基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置的悬挂式检测示意图；
图中，1-显示屏幕；2-控制盒；3-红外热成像相机；4-距离探测相机；5-温度计；6-控制器；7-电源接口；8-电池；9-衔接槽；10-自走式安装支架；11-自走式移动支架；12-堆垛式发酵堆；13-悬挂式移动支架；14-悬架；15-悬挂式安装支架；16-槽堆式发酵堆；17-视频输出线路；18-内部供电电源线；19-滚轮；20-内部数据线路；21-凹槽型滑轮；22-电机；23-齿轮。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置，包括显示屏幕1、控制盒2和衔接槽9，显示屏幕1通过视频输出线路17与控制盒2进行连接，衔接槽9焊接在控制盒2一侧，控制盒2通过衔接槽9与移动支架进行紧固连接。
控制盒2另一侧设有温度计5和显示屏幕1，控制盒2内部设有红外热成像相机3、距离探测相机4、控制器6以及电池8，红外热成像相机3和距离探测相机4的镜头伸出控制盒2；控制器6与红外热成像相机3、距离探测相机4以及温度计5通过内部数据线路20连接，电池8通过内部供电电源线18与控制器6连接，电源接口7连接控制器6并通过内部供电电源线18对电池8进行充电，控制器6通过视频输出线路17与显示屏幕1连接。红外热成像相机3将拍摄到的发酵堆表面图像中每个像素点的温度，获取表征发酵堆表面温度分布图像；距离探测相机4通过对发酵堆表面图像进行测量，得到发酵堆表面与距离探测相机4的距离信息；温度计5用来获取测量装置周围的环境温度；控制器6将红外热成像相机3获取的温度分布图像和距离探测相机4获取的距离信息进行匹配，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，由轮廓温度图上每个像素点的温度与距离信息，进行发酵堆表面温度的修正以及内部温度估计值的预测，最后将处理出的结果和合成图像发送到显示屏幕1上。
一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置的工作原理为：红外热成像相机3将获取的发酵堆表面温度分布图像上传至控制器6，控制器6将温度分布图像与距离探测相机4 拍摄并上传的距离信息进行匹配，匹配完毕后对图像进行语义分割，提取含有像素信息、温度信息和距离信息的发酵堆表面三维轮廓，然后将提取的三维轮廓温度进行距离影响修正，修正完成后结合环境温度，再根据热平衡原理对发酵堆内部温度估计值进行预测。
上述发酵堆表面温度修正与发酵堆内部温度估计值的预测，具体为：
步骤(1)，发酵堆表面温度的距离影响修正
红外热成像相机3测量m组温度值T、距离探测相机4测量n组距离值L、高精度温度计测量m×n组发酵堆表面的真实温度值T′，并将其组成集合{Ti，Lj，T′ij}(i＝0，...，m，j＝0，...， n)，构建以T′为元素的m行n列矩阵A，并进行奇异分解：
其中，U、V均为正交矩阵，I为奇异矩阵，取U、V中前b项列元素构成m维向量 uk＝((uk)1,...,(uk)i)和n维向量vk＝((vk)1,...,(vk)j)，k＝0，...，b(b为整数)；组建坐标(Ti,(uk)i)和 (Lj,(vk)j)，将上述坐标通过插值法，构建出函数uk(T)和vk(L)，将式(1)进行进一步变换：
其中：σk是奇异矩阵I的元素；将矩阵A中的元素单独表示，即为：
再将函数uk(T)和vk(L)带入公式(3)，得：
此时T′(T,L)为修正后的温度值。
步骤(2)，堆料内部传递给堆料表层的热量计算
发酵堆表层的热平衡公式为：
Q表层总＝Q反应热+Q传递-Q损失 (5)
Q传递＝Q表层总-Q反应热+Q损失 (6)
其中：Q表层总是发酵堆表层部分热量，Q反应热是发酵堆自身产生的热量，Q传递是发酵堆内部传递给表层的热量，Q损失是发酵堆表层与空气进行热交换损失的热量；各环节热量表达式为：
其中：m表层是发酵堆表层的总质量，c是发酵堆的比热容，T′(t)是t时刻修正后的发酵堆表层的温度，t是时间，ρ是发酵堆堆料密度，V表层是发酵堆表层部分体积总量，D是发酵堆槽长度，W是发酵堆槽宽，H表层是发酵堆表层部分厚度。
根据生物降解动力学方程，发酵堆自身产生的热量可表示为：
Q反应热＝H∫wBVS(t)dt (8)
其中：wBVS(t)是发酵堆表层有机质含量，H是生化反应热，发酵堆表层有机基质含量随着发酵过程呈降低趋势，可用logistic方程表示为：
其中：wend是发酵结束后表层部分有机质含量值，w0是发酵前表层有机质含量值，k0和 k1是固定参数，将其余参数(wBVS(t)、wend、w0和t)带入式(9)得到。
根据热传递方程，损失的热量可表示为：
Q损失＝KA1∫(T'(t)-T环境(t))dt (10)
其中：K是空气的导热系数，A1为传热面积，T环境(t)是t时刻的环境温度值。
根据公式(6)-(10)，即可计算出堆料内部传递给堆料表层的热量Q传递。
步骤(3)，堆料内部温度的估算
发酵堆内部热平衡公式：
Q内部总＝Q内反应热-Q传递 (11)
其中：Q内部总是发酵堆内部总热量，Q内反应热是发酵堆内部自身产生的热量。
发酵堆内部总热量可表示为：
其中：m内部是发酵堆表层的总质量，T内部(t)是t时刻发酵堆表层的温度，V内部是发酵堆内部体积总量，H内部是发酵堆内部厚度。
发酵堆内部自身产生的热量可表示为：
Q内反应热＝H∫w内部BVS(t)dt (13)
其中：w内部BVS(t)是发酵堆内部有机质含量值，w内部end是发酵结束后内部有机质含量值， w内部0是发酵前内部有机质含量值，k2和k3是固定参数，由其余参数(w内部end、w内部0、w内部BVS(t)和t)带入公式(14)求得。
将公式(6)代入公式(11)，得到：
Q内部总＝Q内反应热-(Q表层总-Q反应热+Q损失) (15)
将各环节热量表达式带入公式(14)，可得：
将式(16)进行离散化，得到：
m内部c∑T内部(s)＝H∑w内部BVS(s)-(m表层c∑T'(s)-H∑wBVS(s)+KA1∑(T'(s)-T环境(s)))(17)
对公式(17)变形，
可得：
其中，s为0到无穷大的整数，T内部(s)即为红外热成像相机3第s次采样时发酵堆内部温度的估计值。
实施例1
本实例为本发明基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置面向堆垛式发酵堆12的自走式检测方式。如图3所示，堆置发酵内部温度测量装置的整体结构为控制盒2、自走式安装支架10、自走式移动支架11和滚轮19，控制盒2的安装方式为：相机镜头面对堆垛式发酵堆12的表面，控制盒2与自走式安装支架10进行连接固定，自走式安装支架10通过可上下调节的伸缩杆与自走式移动支架11进行连接，自走式移动支架11底部配备可移动的滚轮19；该装置工作方式为：滚轮19带动装置沿着堆垛式发酵堆12侧边进行直线运动，并使控制盒2上的相机镜头始终面向堆垛式发酵堆12的顶部，控制盒2在跟随自走式移动支架11 运动的过程中，不断获取堆垛式发酵堆12表面分布图像和发酵堆与距离探测相机4的距离，并进行发酵堆内部温度估计。
实施例2
本实例为本发明基于红外测温的堆置发酵内部温度测量装置面向槽堆式发酵堆16的悬架式检测方式。如图4所示，堆置发酵内部温度测量装置的整体结构为控制盒2、悬挂式安装支架15、悬挂式移动支架13和悬架14，控制盒2的安方式为：相机镜头面对槽堆式发酵堆16，控制盒2并与悬挂式安装支架15进行连接固定，悬挂式移动支架13下方与悬挂式安装支架15进行连接，悬挂式移动支架13顶部配备凹槽型滑轮21，凹槽型滑轮21在悬架14 上可移动，挂式移动支架13顶部设有电机22，齿轮23设置在凹槽型滑轮21的转轴上，电机22输出轴上的齿轮与齿轮23啮合；该装置工作方式为：电机22通过齿轮23带动凹槽型滑轮21，使凹槽型滑轮21沿着悬架14直线运动，同时控制盒2上的相机镜头需始终面向槽堆式发酵堆16堆槽的顶部，控制盒2在跟随悬挂式安装支架15运动的过程中，不断获取槽堆式发酵堆16表面分布图像和发酵堆与距离探测相机4的距离，并进行发酵堆内部温度估计。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于红外测温的堆置发酵内部温度测量方法，其特征在于，控制器(6)将发酵堆表面温度分布图像、发酵堆表面与距离探测相机(4)的距离信息进行匹配，匹配完毕后对图像进行语义分割，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，进行发酵堆表面温度的修正以及发酵堆内部温度估计值的预测。
2.根据权利要求1所述的堆置发酵内部温度测量方法，其特征在于，所述发酵堆表面温度的距离影响修正，具体为：建立修正温度与测量温度、测量距离的关系模型，如下：
其中，T′(T,L)为修正后的温度值，T为测量的温度值，L为发酵堆表面与距离探测相机(4)的距离，σk是奇异矩阵的元素，uk(T)为向量uk中的元素关于T的函数，vk(L)为向量vk中的元素关于L的函数，b为整数。
3.根据权利要求1所述的堆置发酵内部温度测量方法，其特征在于，所述发酵堆内部温度估计值的预测，利用如下关系模型：
其中，H是生化反应热，w内部BVS(s)是发酵堆内部有机质含量值，m表层是发酵堆表层的总质量，c是发酵堆的比热容，T′(s)是s时刻修正后的发酵堆表层的温度，wBVS(s)是发酵堆表层有机质含量，K是空气的导热系数，A1为传热面积，T环境(s)是s时刻的环境温度值，m内部是发酵堆表层的总质量，T内部(s)即为红外热成像相机(3)第s次采样时发酵堆内部温度的估计值。
4.一种实现权利要求1-3所述的堆置发酵内部温度测量方法的测量装置，其特征在于，包括显示屏幕(1)、控制盒(2)和衔接槽(9)，显示屏幕(1)设置在控制盒(2)一侧，衔接槽(9)焊接在控制盒(2)另一侧，控制盒(2)通过衔接槽(9)与移动支架进行固连；所述控制盒(2)内部设有红外热成像相机(3)、距离探测相机(4)和控制器(6)，红外热成像相机(3)和距离探测相机(4)均与控制器(6)连接；控制器(6)将红外热成像相机(3)获取的温度分布图像和距离探测相机(4)获取的距离信息进行匹配，提取发酵堆表面三维轮廓温度图，进行发酵堆表面温度的修正以及内部温度估计值的预测。
5.根据权利要求4所述的堆置发酵内部温度测量装置，其特征在于，所述移动支架包括自走式移动支架(11)和悬挂式移动支架(13)。
6.根据权利要求5所述的堆置发酵内部温度测量装置，其特征在于，所述控制盒(2)通过衔接槽(9)固定在自走式安装支架(10)上，自走式安装支架(10)通过伸缩杆与自走式移动支架(11)连接，自走式移动支架(11)底部设有滚轮(19)；所述控制盒(2)上的相机镜头面向堆垛式发酵堆(12)的顶部。
7.根据权利要求5所述的堆置发酵内部温度测量装置，其特征在于，所述控制盒(2)通过衔接槽(9)固定在悬挂式安装支架(15)上，悬挂式安装支架(15)连接在悬挂式移动支架(13)下方，悬挂式移动支架(13)顶部设有的凹槽型滑轮(21)与悬架(14)配合，挂式移动支架(13)顶部还设有电机(22)，电机(22)输出轴上的齿轮与设置在凹槽型滑轮(21)转轴上的齿轮(23)啮合；所述控制盒(2)上的相机镜头面向堆垛式发酵堆(12)的顶部。
8.根据权利要求4所述的堆置发酵内部温度测量装置，其特征在于，所述控制盒(2)内部还设有电池(8)，电池(8)与控制器(6)连接，控制器(6)还与电源接口(7)连接。
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