CN115727920A - 一种正弦波加热激励的物料侵限监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种正弦波加热激励的物料侵限监测装置，包括测控系统和探测元件，探测元件包括外壳(1)和隔离器(5)构成一个充满气体的空腔(2)、温度传感器(3)；空腔内安装了温度传感器(3)；空腔内还安装了电加热器(4)；测控系统包括程控电源(6)、数据采集处理器(7)和电加热器，输出功率在0～P_max之间按正弦波变化的程控电源输出到电加热器向电加热器供电；数据采集处理器与温度传感器连接，实时采集并处理温度传感器的温度信号。人机界面与程控电源和数据采集处理器通过通信接口连接，协调控制程控电源的峰值电压和正弦波周期以及数据采集处理器的采样间隔和数据处理过程并同时作为人机交互接口和显示侵限报警信息。

Description

一种正弦波加热激励的物料侵限监测方法和装置

技术领域

本发明是针对气体环境中固体或液体物料侵限监测的方法和装置，特别适合于高温环境条件下的固体物料侵限监测，例如在电站锅炉烟道中的高温环境下积灰的侵限和报警。该方法也适用于常规条件下固体或液体物料的侵限监测。

背景技术

常见的物料侵限监测报警原理有基于敏感元件受力与物位的关系如液体的静压、基于距离与物位的关系物位与传感器的距离以及基于可测物理量与物位的关系如光或射线穿透强度等。然而，在高温和腐蚀条件下，很多常规方法会由于传感器元件或仪器本身不足以耐高温和耐腐蚀，难以通过控温或防腐措施解决长期在线监测的问题或者这些技术措施的代价不可以接受。

目前还没有公认稳定可靠的方法和装置能够用于高温条件下的物料侵限在线监测。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种根据正弦波加热激励而产生的传感元件温度响应实现物料侵限在线监测的方法和装置。

本发明的技术方案：一种正弦波加热激励的物料侵限监测装置，包括测控系统和探测元件，探测元件包括外壳1和隔离器5构成一个充满气体的空腔2、温度传感器3；空腔2内安装了温度传感器3；空腔2内还安装了电加热器4；测控系统包括程控电源6、数据采集处理器7和电加热器，输出功率在0～P_max之间按正弦波变化的程控电源6输出到电加热器4向电加热器4供电；数据采集处理器7与温度传感器3连接，实时采集并处理温度传感器3的温度信号。

本发明提出的物料侵限传感器由轻质保护套管和具有气密和隔热性能的隔离器构成的充满气体的空腔、空腔内部的电加热器和空腔内部的温度传感器组成。其中的电加热器采用功率按照某个周期为T的正弦波电源供电，对空腔中的气体进行周期性加热，温度传感器用于测量空腔内的气体的温度。物料侵限传感器布置在被测物料存放空间内物料可能到达的侵限位置上，物料没有侵限时，物料侵限传感器处于空间的气体环境内，而物料达到侵限位置时，物料侵限传感器被物料所包围。

根据热力学和传热学理论，空腔内气体的温度随时间τ的变化规律，t(τ)，与加热功率P、空腔的体积V、气体的密度ρ和比热c、物料侵限传感器空腔的内表面积A以及按照内表面及计算的与气体环境的等效传热系数K之间的关系为

若加热功率为

则加热器启动的过渡过程结束后，可计算出物料侵限传感器空腔内气体的温度变化规律为

在一个周期内的均值为

在一个周期内的均方根偏差为

当

远小于hA时可以通过增大正弦波电源的周期T和减小空腔的体积V来实现

而根据传热学理论，

恰好是空腔内气体向外传热的等效热阻。

当物料侵限传感器未被物料侵入时，空腔内气体向外传热的等效热阻为

对应的空腔内气体温度变化的均方根偏差为σ₀。当物料侵限传感器被物料侵入时，空腔内气

急剧增大到

相应地，根据式5 可知，空腔内气体温度变化的均方根偏差也将随之从

急剧增加到

因此，可以根据此时该传感单元温度变化的均方根偏差σ在一段时间内是否发生急剧变化判定物料是否侵限。

在实际应用中，采集到的温度是离散的，因此在计算平均值和均方根偏差时，采用的是数值积分方法。若在一个正弦波周期内采集到N个温度数据，则平均温度为

均方根偏差

本发明是针对物位测量的一个方法，通过周期性加热激励，从传感器的温度变化判定外界的散热条件，进而感知传感器是否被物料所覆盖此时散热条件变差。理论模型显示，传感器温度变化的均方根偏差与传感器向外散热的热阻成正比。

本发明所述的一种正弦波加热激励的物料侵限监测装置，其探测元件的特征在于，由外壳1和隔离器5构成一个充满气体的空腔2；空腔2内安装了温度传感器3通过其第一引出线31和第二引出线32通过隔离器5引出；空腔2内还安装了电加热器4，其第一引出线41和第二引出线42通过隔离器5引出；其测控系统的特征在于，输出功率在0～P_max之间按正弦波变化的程控电源6与电加热器4的第一引出线41和第二引出线42连接，向电加热器4供电；数据采集处理器7与温度传感器3的第一引出线31和第二引出线32连接，实时采集并处理温度传感器3的温度信号；人机界面8分别与程控电源6和数据采集处理器7通过通信接口连接，协调控制程控电源6的峰值电压和正弦波周期以及数据采集处理器7的采样间隔和数据处理过程并同时作为人机交互接口和显示侵限报警信息；程控电源6、数据采集处理器7和人机界面8采用AC/DC电源适配器 9供电。

本发明所述的一种正弦波加热激励的物料侵限监测方法在上述装置上实现，包括下列步骤：

1将包括外壳1、空腔2、温度传感器3、电加热器4和隔离器5构成的探测元件置于探测物料侵限的空间内需要判定侵限的位置上，并通过温度传感器3的第一引出线31 和第二引出线32与数据采集处理器7连接、通过电加热器4的第一引出线41和第二引出线42与程控电源6连接；将人机界面8分别与程控电源6和数据采集处理器7通过通信接口连接，用AC/DC电源适配器9向程控电源6、数据采集处理器7和人机界面8 供电。

2上电启动后，通过人机界面8设定程控电源6的峰值电压P_max和正弦波周期T；设定数据采集处理器7每个周期内的温度采样数目N相应的采样时间间隔Δτ＝T/N；对设定程控电源6和数据采集处理器7发出同步启动命令，开始向电加热器4供电并由数据采集处理器7开始温度数据采集和处理。

3程控电源6按照预先设定的峰值电压P_max和正弦波周期T持续工作。

4数据采集处理器7在每个正弦波周期内按照设定的时间间隔Δτ＝T/N依次采集温度数据t_i，i＝1,2,……,N，当总采样数达到N时，分别按照式6和式7计算温度的平均值和均方根偏差，并将得到的均方根偏差σ保存一个正弦波周期或被人机界面8读取。

5人机界面8在每个正弦波周期T内，至少从数据采集处理器7内读取一次均方根偏差σ_j的值，并与前次的值σ_j-1相比较，当σ_j-σ_j-1＞Δσ_min时，发出侵限报警提示信息。

有益效果：本发明提出的一种正弦波加热激励的物料侵限监测方法和装置,探测原理清晰，探测元件结构简单，从测量数据获得的结果能直观反映物料侵限；通过选择合适的材质制造探测元件，可以应用与探测恶劣环境中的物料侵限，如高温和腐蚀环境；装置制造成本低廉，器材易得。

附图说明

图1是本发明的装置原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明进行进一步说明。

图中所示，1-外壳2-空腔3-温度传感器31-温度传感器第一引出线32- 温度传感器第二引出线4-电加热器41-电加热器第一引出线42-加热器第二引出线5-隔离器6–程控正弦波电源7-温度采集处理器8-人机界面9-AC/DC 电源适配器；

典型的系统实施方案之一如图1所示，采用铝合金制作外壳1和胶木制作的隔离器5构成一个充满空气的空腔2，其典型尺寸为φ15×20mm，壁厚1mm；空腔2内安装的温度传感器3采用PJ-50型NTC热敏电阻温度传感器，其第一引出线31和第二引出线32 用低电阻护套铜线制作，空腔2内的电加热器4采用电阻率稳定的6J40薄膜蚀刻制作，其典型电阻值为2-8Ω，其第一引出线41和第二引出线42用低电阻的护套铜线制作。程控正弦波电源6可以在普通程控直流电源如LX-HRNDVKJ10，RS-485串口控制的程控电源的基础上，采用stm32单片机控制MOSFET半桥按照SPWM调制算法实现，其典型峰值电压为5-12VDC，典型峰值功率为5-14W,同时实现与普通程控电源和人机界面8的 RS-485通信接口；数据采集处理器7可采用stm32单片机的片上ADC实现采集空腔2 内的温度采集、并进行方差计算，同时实现RS-485通信接口；人机界面8采用具有双 RS-485接口的Samkoon-EA070A触摸屏编程实现，AC/DC电源适配器9采用明纬 220VAC/24VDC开关电源。该方案适用于200℃以下的惰性环境。

典型的系统实施方案之二如图1所示，采用不锈钢制作外壳1和陶瓷制作的隔离器5构成一个充满空气的空腔2，其典型尺寸为φ15×20mm，壁厚1mm；空腔2内安装的温度传感器3采用K型热电偶制作，其第一引出线31和第二引出线32用K偶补偿线制造；空腔2内的电加热器4采用高电阻率的镍铬合金丝制造，其典型电阻值为5-10Ω，其第一引出线41和第二引出线42用低电阻的护套铜线制作。程控正弦波电源6可以在普通程控直流电源如LX-HRNDVKJ10，RS-485串口控制的程控电源的基础上，采用51单片机控制MOSFET半桥按照SPWM调制算法实现，其典型峰值电压为8-12VDC，典型峰值功率为12-14W,同时实现与普通程控电源和人机界面8的RS-485通信接口；数据采集处理器 7可采用51单片机控制MAX6675芯片采集空腔2的温度、并进行方差计算，同时实现 RS-485通信接口；人机界面8采用具有双RS-485接口的MCGS-TPC7062触摸屏编程实现， AC/DC电源适配器9采用鸿海220VAC/24VDC开关电源。该方案适用于600℃的以下惰性环境。

测控系统：输出功率在0～P_max之间按正弦波变化的程控电源6与电加热器4的第一引出线41和第二引出线42连接，向电加热器4供电；数据采集处理器7与温度传感器 3的第一引出线31和第二引出线32连接，实时采集并处理温度传感器3的温度信号；人机界面8分别与程控电源6和数据采集处理器7通过通信接口连接，协调控制程控电源6的峰值电压和正弦波周期以及数据采集处理器7的采样间隔和数据处理过程并同时作为人机交互接口和显示侵限报警信息；程控电源6、数据采集处理器7和人机界面8 采用AC/DC电源适配器9供电。

典型的系统实施方案之三如图1所示，采用刚玉制作外壳1和刚玉制作的隔离器5构成一个充满空气的空腔2，其典型尺寸为φ20×30mm，壁厚2mm；空腔2内安装的温度传感器3采用S型热电偶制作，其第一引出线31和第二引出线32用S偶补偿线制造；空腔2内的电加热器4采用高电阻率的钨铼合金丝制造，其典型电阻值为10-15Ω，其第一引出线41和第二引出线42用低电阻的护套铜线制作。程控正弦波电源6可以在普通程控直流电源如DPH8920，RS-485串口控制的程控电源的基础上，采用51单片机控制MOSFET半桥按照SPWM调制算法实现，其典型峰值电压为12-20VDC，典型峰值功率为14-30W,同时实现与普通程控电源和人机界面8的RS-485通信接口；数据采集处理器 7可采用51单片机控制MAX31855S芯片采集空腔2的温度、并进行方差计算，同时实现 RS-485通信接口；人机界面8采用具有双RS-485接口的Winview-TK8071触摸屏编程实现，AC/DC电源适配器9采用昂鼎220VAC/24VDC开关电源。该方案适用于1400℃的以下腐蚀或腐蚀环境。

在使用本发明的装置测量过程中，按照包括下列步骤：

1.将包括外壳1、空腔2、温度传感器3、电加热器4和隔离器5构成的探测元件置于探测物料侵限的空间内需要判定侵限的位置上，并通过温度传感器3的第一引出线31 和第二引出线32与数据采集处理器7连接、通过电加热器4的第一引出线41和第二引出线42与程控电源6连接；将人机界面8分别与程控电源6和数据采集处理器7通过通信接口连接，用AC/DC电源适配器9向程控电源6、数据采集处理器7和人机界面8 供电。

2.上电启动后，通过人机界面8设定程控电源6的峰值电压P_max和正弦波周期T，典型时间为50-200s；设定数据采集处理器7每个周期内的温度采样数目N相应的采样时间间隔Δτ＝T/N，典型值为25-100；对设定程控电源6和数据采集处理器7发出同步启动命令，开始向电加热器4供电并由数据采集处理器7开始温度数据采集和处理。

3.程控电源6按照预先设定的峰值电压P_max和正弦波周期T持续工作。

4.数据采集处理器7在每个正弦波周期内按照设定的时间间隔Δτ＝T/N依次采集温度数据t_i，i＝1,2,……,N，当总采样数达到N时，分别按照式6和式7计算温度的平均值和均方根偏差，并将得到的均方根偏差σ保存一个正弦波周期或被人机界面8读取。

5.人机界面8在每个正弦波周期T内，至少从数据采集处理器7内读取一次均方根偏差σ_j的值，并与前次的值σ_j-1相比较，当σ_j-σ_j-1＞Δσ_min时，发出侵限报警提示信息。

Claims (3)

1.一种正弦波加热激励的物料侵限监测装置，其特征在于，包括测控系统和探测元件，探测元件包括外壳(1)和隔离器(5)构成一个充满气体的空腔(2)、温度传感器(3)；空腔(2)内安装了温度传感器(3)；空腔(2)内还安装了电加热器(4)；测控系统包括程控电源(6)、数据采集处理器(7)和电加热器，输出功率在0～P_max之间按正弦波变化的程控电源(6)输出到电加热器(4)向电加热器(4)供电；数据采集处理器(7)与温度传感器(3)连接，实时采集并处理温度传感器(3)的温度信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，电加热器采用功率按照某个周期为T的正弦波电源供电，对空腔中的气体进行周期性加热，温度传感器用于测量空腔内的气体的温度；物料侵限传感器布置在被测物料存放空间内物料能到达的侵限位置上。

3.根据权利要求1所述的装置实现正弦波加热激励的物料侵限监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将正弦波加热激励的物料侵限监测装置探测元件置于探测物料侵限的空间内需要判定侵限的位置上，并通过温度传感器(3)与数据采集处理器(7)连接、通过电加热器(4)与程控电源(6)连接；将程控电源(6)和数据采集处理器(7)通过通信接口连接，用AC/DC电源适配器(9)向程控电源(6)、数据采集处理器(7)供电；

2)上电启动后，通过设定程控电源(6)的峰值电压P_max和正弦波周期T；设定数据采集处理器(7)每个周期内的温度采样数目N(相应的采样时间间隔Δτ＝T/N)；对设定程控电源(6)和数据采集处理器(7)发出同步启动命令，开始向电加热器(4)供电并由数据采集处理器(7)开始温度数据采集和处理；

3)程控电源(6)按照预先设定的峰值电压P_max和正弦波周期T持续工作；

4)数据采集处理器(7)在每个正弦波周期内按照设定的时间间隔Δτ＝T/N依次采集温度数据t_i，

当总采样数达到N时，按照

计算温度的平均值，按照

计算温度的均方根偏差，并将得到的均方根偏差σ保存一个正弦波周期；

5)在每个正弦波周期T内，至少从数据采集处理器内读取一次均方根偏差σ_j的值，并与前次的值σ_j-1相比较，当σ_j-σ_j-1＞Δσ_min时，发出侵限报警提示信息。

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