专利名称：一种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统及方法
技术领域：
本发明涉及エ业过程控制领域，是ー种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统及方法。
背景技术：
间歇搅拌加热装置在エ业中常用干物料的气液相分离，在过程控制领域有着广泛的应用。间歇搅拌装置由于其效率高、产量大、能耗低、可靠性高等优点而得到了广泛的应用，常被应用于催化剂生产、水泥制造与浙青制造等方面。料位识别对于间歇搅拌加热装置有着重要的意义，正确地识别装置料位，可以防止在进料エ况下，料位过高而溢出。防止在加热エ况下，料位过低而蒸干的事故发生。由于 现场情况与装置的不同需求，开发适合于生产装置与现场环境的料位检测方法非常重要。对于料位检测，常规的方法主要有以压カ传感器等为代表的接触式识别方法与以超声波，激光，电容式传感器为代表的非接触式识别方法。基于压カ传感器的料位识别方法是利用某些可以将压カ信号转化为电流/电压信号的器件，来对装置中压カ信号进行监控，而对于装置内部料位来讲，越向下压カ越大，通过得到的压カ信号来识别装置内部的料位信息。这种方法的优点是占地小，信号明确，精度较高。但是由于是接触式识别方法，对装置内物料要求较高，检测用毛细管易堵塞。基于超声波的料位识别技术(_军.超声波传感器在固体料位检测中的应用.传感器世界，2002，2 16-19)利用了超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点而设计开发的。音波发射头能发射一束強烈音波脉冲，当此音波到达物料表面时会有反射波传回发射头，此反射波经由发射头转换成电气信号，然后被送到超音波检测器，由检测器计算音波反射传送时间，再转换成料位或距离。它具有易安装维护、成本效率高，并且能通过模拟或数字接ロ提供快速便捷的料位測量。但是占地较大，成本较高。基于激光测距的物料识别技术(常凤筠，崔旭东.非接触式激光料位检测系统的设计.计量技木，2008,3:13-15):是利用测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，使它成为距离检测的主要手段。它可用于危险场所非接触物位測量，測量所有液体和固体的物位，測量精度高，传感器与物料不直接，激光不受光线、物料的影响。但是与超声波料位识别方法相似，需要较大的场地安装激光发送与接收装置，成本也较高。基于电容式传感器的料位识别技术(曲春英，陈颖.实用型料位检测电容传感器的设计.电子兀器件应用，2010,12 :36-38):—般米用圆筒式电容传感器,常用于松散型颗粒状物料和粉料状物料的检测，利用固体与气体具有不同的介电常数，因此可以通过測量外电极与内电极的电容信号来识别料位高度。具有分辨率高、体积小、抗干扰能力強，动态响应快等优点。但是由于需要在装置内部加内电极，对于有搅拌装置的情况就不太适合，并且通常仅适用于对固体的料位检测
发明内容
在实际生产操作现场，由于非接触式料位识别方法常占地较大且成本较高。而对于基于压カ传感器的料位识别方法，有时由于装置内部需要压カ保持恒定状态，而且压カ传感器需要与物料相接触，当物料具有强腐蚀性时，会大大缩短压カ传感器使用寿命。本发明提出了一种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统及方法，可以实时地识别出料位的变化。对于稳定的热传导，有如下公式
ATQ = kA—(I)
d
其中Q为单位时间内传导的热量，k为导热系数，A为传热面积，AT为温度差，d为热流的距离。热传导率k是单ー材料的固有特性，描述材料的导热能力。这ー特性与材料的大小、形状或者方位无关。对非単一材料像那些带玻璃丝网或聚合物膜加固物材料，可用相对热传导率进行描述，因为这些材料的热传导率取决于不同材料层的相对厚度和它们相对于热流的方位。另ー个材料固有的热特性是材料的热阻R，由式(2)来表示R =(2)这ー特性是对单位厚度材料阻止热量流动的度量。由式(I)、(2)，整理可得R = -(3)
k式(3)说明对于单ー材料，热阻和材料的厚度成正比。对非单一材料，热阻通常随材料厚度的増加而加大，但是可能不是线性关系。热传导率和热阻描述了一旦热量进入某种材料后，它在该材料中的传输，由于实际表面不会是完全的平直和光滑，因此在两个表面的接触面上也能产生对热流的阻力。实际接触出现在高点，而在凹部留下充满空气的空隙，气隙阻碍热量流动，并且迫使更多的热量通过接触点流动。这种结构阻カ是ー种表面接触阻力，在所有接触表面上可以是ー个系数。ー种材料的热阻抗Θ，定义为代表其热阻カ和与接触表面之间的接触阻力之和，见式⑷Θ = R 材料+R 接触(4)表面平直度、表面粗糙度、紧固压力、材料厚度和压缩模数是对接触阻力的主要影响，由于这些表面状况能随实际应用情况而改变，所以ー种材料的热阻抗也将取决于其应用情况。金属的k值最大，非金属次之，液体的k较小，气体的k最小，常见的k值可从手册中(刘光启，马连湘，邢志有.化工物性算图手册.化学エ业出版社，2002)查得。气体的k值最小，是良好的绝热体，有利于保温，绝热。液体与气体的热传导率主要与密度有夫。常温常压下，水的热传导系数为O. 54w/m. k，而空气的热传导系数仅为O. 023w/m. k，两者相差了 20倍，因此可以通过分析装置内各测温点的温度变化趋势来判断液体与气体的分界点，即为料位高度。由以上原理可知，当装置处于进料阶段与进料后内部温度尚未稳定的阶段时，由于进料温度一般比装置内液体温度低较多，会发生热对流现象，料位附近温度将比其他点温度低ー些，而料位上方的气体由于与进料接触时间较短，温度下降较少。此时装置内部的温度特征为料位处温度与周围温度相比要低很多，因此此时可根据各相邻测温点温度差来判断料位所在区间，料位所在的区间的温度差会较大。当装置内部处于稳定状态，如升温阶段与停蒸汽的情况下，此时由于整个装置从上到下各测温点处于稳定状态，各测温点温度差别不大，下方的液体与上方的气体处于相同的加热或自然冷却的情况下，由于液体的热传导率比气体的热传导率大得多，当在相同
的温度条件下，由公式(3)可得，热阻A =こ代表着热量在単位距离内阻止热量流动的度
量，热阻R是与热传导率k成反比的，因此气体的热阻远大于液体的热阻，即气体中的热量传播会更加有难度，因此在实际加热装置中，在相同的加热条件下，上方的气体的升温会比下方的液体慢，同时由于加热过程伴随着汽化吸热反应，在料位附近温度会有所降低，此时装置内料位高度处的温度特征为上方气体与下方液体的温度都比料位处温度略高，因此可以通过判断温度的拐点来识别料位所在的区间。本发明的关键点在于对间歇加热装置的各个エ况进行区分，并识别料位所在区 间。通过对各测温点的温度和进行区分，当温度和下降较大时为进料过程，当温度和缓慢上升时为升温过程，当温度缓慢下降或变化不大时为停蒸汽的情況。当进料过程与升温过程中温度变化剧烈的情况下，由于液位附近与进料直接接触，温度较低，因此取相邻测温点温度差距最大的区间为料位所在区间。当升温过程与停蒸汽的情况下，各测温点之间温度差较小，由于液体与气体的导热系数的不同，对反应器内进行持续加热的过程中，气体的温度的变化率比液体的要慢得多，对各个检测点的温度曲线进行分析，由于进料温度低于装置内物料温度，进料时装置内下半部分的液体温度变化比上半部分的气体温度下降快的多，而气体变化比较缓慢，因此料位附近的温差应该是最大值。当反应器内趋于稳定后，随着温度的逐步升高，液体中不同沸点的成分依次蒸发发生汽化反应，而汽化过程吸热，因此在料位附近的温度应该较低，测温点从上到下依次判断温度差值，找到温度的局部极小点即为大概料位区间。此外，当料位降到最低测温点I以下时，需要提供低料位报警，此时由于料位降到测温点I时，料位附近由于汽化过程温度较低，测温点I较测温点2的温度要低一些，而当料位高于I时，由于加热过程中，气液体导热率的差别，下方液体部分温度比上方气体部分温度要高ー些，因此测温点从下往上应呈现逐步下降的总体趋势，测温点I的温度较测温点2要高ー些。因此通过判断测温点2与I的关系，当测温点2大于I吋，即料位高度应该处于测温点I附近或下方。通过以上的步骤与原理分析采集得到的温度值，井分别提取其对应的特征值，以达到实时识别装置料位的目的。本发明采用的技术方案是一种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统，包括装置现场的数据采集与传输、计算机上对现场数据的处理以及对处理结果的显示与存储I、数据采集在间歇搅拌装置插入温度计包护套管，温度计处于套管内，套管朝轴向斜插；温度计各点从下至上平均分布，第I点在釜的最底部，第η点在釜的最上部，平均间隔距离约为し温度计的钼电阻的供电采用恒流源供电，η路钼电阻的输出信号分别经过差分放大后，经模拟多路开关，送入A/D转换器进行循环采样，并通过变送器转换成温度信号并送入处理器；2、数据处理对各个测温点上的采样值进行数字滤波，采用滑动平均滤波法去除噪声信号。通过对每个时刻各个釆样点上温度值进行处理，即
T{kJ) = ^4(50(^ -\) + mJ)，其中 A (50 (k_l) +m，i)表不第 i 个米样点 50 (k_l) +m 时刻的
m=i
温度值，然后依据气体与液体导热率的不同以及实际生产过程中的生产过程温度特点对各测温点温度进行分析，得到料位高度所在的区间；3、显示与存储在本地液晶显示的同时，通过RS-485总线，传输到监控计算机，进行实时的液位显示和数据存储。—种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别方法，间歇搅拌加热装置的生产过程包括进料部分，升温部分与出料部分。识别方法包括以下步骤I、标定测温点代表的大概料位高度根据现场标定結果，分别对最高的测温点与最低的测温点所对应的料位高度进行标定。并以此对中间的各个点所处的大概料位高度进 行标定，以方便后面的比较与测量；2、定义η个测量点从下到上分别为A(t，I)，L，A(t，n), t代表t时刻，对得到的測量值采用滑动平均滤波的方法来去除測量时的噪声及温度抖动，滑动平均滤波为线性滤波方法，可以在适当的小区间上对采样数据进行平滑和滤波，可以很好的消除温度測量中所存在的噪声信号带来的影响。滤波后得到的值为T(k，l)，L，T(k，n), T(k，i)表示
50(k-l)+l 50k时刻的经均值滤波后的温度值，S卩= 火50び-1)+ O。每50个
m=i
点取均值，由于A为3秒取一个值，因此T的循环采样区间为150秒滑动求取均值。取dT(k，i) = T(k，i+l)-T(k, i)，i = I η-l。得到的dT为各时刻相邻测量点的温度差；3、间歇搅拌加热装置中分为进料过程、升温过程、出料过程，以及当装置停加热停蒸汽的过程。在进料过程中，由于加的物料温度与装置内部温度有较大的温差，因此在进料过程时，装置内部温度会有较大的下降。此时可以通过分析sum(k) = T(k, 1)+L+T(k, η),当sym(k)较前ー时刻有较大的下降时，判断为进料过程。在进料过程中液面部分与进料最先接触，温度下降最明显，与周围测温点的温度差也最大，因此此时可以通过判断相邻测温点温度差值的大小来判断料位高度，相邻测温点温度差值最大的区间即为料位高度所在区间；4、当系统还没处于稳定状态吋，即当处于开始进料的状态到进料后一段时间(装置内温度没有稳定，即温度变化率较大时)内，液体的温度与气体的温度会存在较大的差值，可以通过找到差值最大的点对应的料位即为识别的料位；5、当装置内部进入稳定状态，此时内部各测温点温差较小，由于液体的热传导率比气体的要大得多，因此相同的加热条件下，气体阻止热量对流的能力会大得多，装置内部下方液体的温度会比上方的气体温度高ー些，同时由于料位附近存在着汽化吸热过程，在料位附近温度会低ー些，因此在料位附近的温度会出现ー个拐点，此时判断料位高度的方法是首先通过从之前进料过程时记录的料位最高高度m，然后自m到最下方的I依次判断温度差dT(k，m)，L，dT(k，I)，当出现dT(k，s) < O时，s对应的料位即为识别的料位，然后判断dT(k，s)与dT(k，s+1)的绝对值大小，取绝对值大的为识别的料位；6、求出k时刻点dT(k，I)，L，dT(k，η)的最大值Cl (k)，设定阈值X，当Cl (k)小于X时，表明釜内温度趋于稳定，用步骤2得到的结果作为料位高度，当Cl (k)大于X时，料位点取步骤I所得到的点作为料位高度。此时可以得到一系列由I n-ι组成的数据，I η-l分别代表料位在测量点I 2，2 3，L，η-l η之间；7、在出料过程吋，需要及时判断料位是否过低，即低于最低测温点，这种情况与加热过程中的料位过低情况一祥。当料位逐步下降至测温点I以下时，料位附近温度较低，因此测温点2比测温点I的温度会高ー些，而当料位高于I吋，由于加热过程中，气液体导热率的差别，下方液体部分温度比上方气体部分温度要高ー些，因此测温点从下往上应呈现逐步下降的总体趋势，测温点I的温度较测温点2要高ー些。此时通过判断dT(k，I)是否大于O来判断料位过低，当dT(k，I) > O即说明此时料位达到或低于测温点1，需要及时进行加料或停蒸汽等操作。本发明的技术构思为针对间歇搅拌加热装置在某些特定场合下，常规的识别料位的方法无法实现或者实现效果不好时，提出了采用基于温度的方法来识别装置的料位高度。由于气体与液体的热传导系数差别较大，在相同的加热条件下，气体的温度变化远低于液体的温度变化。因此本发明基于此对料位进行识别，当在加热过程中，液体温度变化快， 气体温度变化慢，此时根据各测量点的温度变化率来识别料位的高度。而在进料过程中，由于加入物料温度较反应釜内温度低，因此此时根据温度变化值最大的测温点即为料位所在高度附近。当出料阶段时，当液位处于最下方测温点以下时，各测温点所处的都为气体，气体温度从下到上应该是逐步上升，即可以此作为判断料位是否低于最低测温点，当低于最低测温时时则应该低料位报警，防止烧干的情况发生。本发明的效果主要表现在所提出的基于温度检测的料位在线识别方法容易实现，占地小，不受现场空间与装置压カ的约束，不受物料类型限制，可广泛地应用于エ业装置的料位识别，达到实时监控物料料位的效果，从而提高装置的操作安全性。
图I是本发明所提出的间歇搅拌加热装置的料位识别系统的硬件结构图。I为内含温度传感器的套管，斜向插入间歇搅拌加热装置中，处于搅拌装置的上方。2为钼电阻，利用其阻值随温度变化的特性来采集阻值信号，并通过处理放大，最終输出温度信号。3为装置上的料位液晶显示器，实时显示料位高度及历史趋势。4为微处理器，处理采集得到的温度信号并输出处理得到的料位信息。5为监控计算机，将微处理器处理得到的料位信息传输到监控计算机上，方便远程监控料位信息。图2是实施例I的间歇搅拌加热装置，闪蒸釜外形图。6为进料ロ，4个进料ロ分别对应于四种不同的进料。7为气体出料ロ，加热装置中蒸出的气体由7 ロ排出。8为液体的出料ロ。9为氮气的进料ロ，用于维持装置内压カ稳定。10为插入的内含钼电阻的套管。11为搅拌装置。图3是本发明所提出的基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统的软件流程图。图4为实施例一所识别得到的料位曲线。图中*点为车间工人通过闪蒸釜上方观察孔观察得到的料位大概高度。图5为实施例一中与图4中料位曲线所对应的自温度传感器所得到的温度曲线。图6为实施例一中与图5中温度曲线经滑动平均滤波后得到的温度曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步描述。本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。实施例I将本发明应用于间歇搅拌加热生产装置。參照图I、图2，一种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统，包括温度变送器，微处理器，料位显示液晶屏，监控计算机。钼电阻的供电采用恒流源供电，10路钼电阻的输出信号分别经过差分放大后，经模拟多路开关，送入A/D转换器进行循环采样。10路采样结果转换成温度信号，输入液位计算软测量模型，转换成液位信号输出，在本地液晶显示的同时，通过RS-485总线，传输到监控计算机，进行实时液位显示和数据存储。现场仪表按本质安全型仪表进行设计，防爆等级
上ロ距离釜底为2387mm，釜直径为1600mm，现在温度计包护套管相关參数朝轴向斜插，和垂直距离为12°，和平面为78°，温度计为斜插深度1900mm ;温度计各点从下至上平均分布，第一点在釜的最底部，第十点在釜的最上部，平均间隔距离约为200mm。闪蒸釜的尽量方式为从上往下进料，进料ロ位于风头处，温度计开ロ处即位于风头处，在釜的上方。根据现场标定結果，测温点7-8为4000L左右，测温点1_2为2000L左右，一般加料是加到4000L，而测温点10与通风ロ比较近，且温度计上方没有密封，有空气影响，因此将测温点10的温度剔除掉，用剩下的9个点来做实验，效果比较理想。对各测量点所得的温度值进行分析处理后，分别于进料状态，加热状态，料位过低状态进行料位的识别。由图5的温度曲线可以清楚看到闪蒸釜内的几个重要过程(I)进料过程(10:45-11:00,13:35-13:50)。此时釜内温度的特点是各点温度急速下降，处于液体中的测温点的下降速度要快于处于气体中的测温点的下降速度。因此此时对料位高度的识别是首先用所有点的温度加和，为了避免温度的扰动，取当温度和下降超过I度时断定为总体温度下降，开始进料。然后由于料位处与进料最先接触，温度下降最快的点即为当前料位值附近，此时将经过滑动平均滤波后的各点温度值求相邻点的温差，由于料位处直接最先与进料接触，温度变化最大，因此相邻点温差最大的区间即为料位所在区域。识别得到的料位曲线如图4所示，由曲线可以看到进料时料位较快的由低料位上升到高料位，趋势与实际过程相符。(2)加热过程(11:00-13:35)。在这段时间内分为两部分，第一部分为进料结束后一段时间，此时总体温度仍然呈下降趋势，此时首先判断整体温度和是上升还是下降，当是下降吋，然后仍然可以用进料过程的判别方法，利用相邻点温差的最大值来识别料位高度。第二部分为釜内总体温度开始稳定上升阶段，此时由于釜内温度已经基本稳定，各测温点温度差差距较小，使用相邻点温度差判断料位并不准确，利用液体比气体的热传导率高的特性，液体部分的温度变化应该比气体快，同时料位附近由于有汽化反应发生，汽化吸热，料位附近温度较低，此时各测温点从上到下判断温度的最小值即为料位附近。加热过程釜内温度逐渐升高，随着温度依次达到釜内物料的沸点，釜内的混合物料依次汽化，釜内料位逐渐下降。由图4可看出所识别得到的料位高度逐步下降，与实际过程趋势相符。(3)料位过低(13:25-13:30)。当处于加热过程中，需要预防料位过低导致蒸干现象发生。因此在判断温度上升为加热过程后，需要首先判断是否料位过低，在本实验中13:25-13:30这ー时间段料位降到了 I. 7处，即最下方的测温点。此时表示料位在I. 7附近或低于I. 7，当料位显示在最下方的测温点吋，需要及时判断是否加料或者停止加热，否则容易蒸干出现事故。此时操作エ现场查看的料位高度也为I. 7附近，需要进行加料，因此本发明提出的方法能有效的及时判断料位过低状况，提醒操作エ进行加料等操作。图4中曲线所示为软件依据温度曲线得到的料位高度曲线，图4中‘*’点指示的为操作人员估计得到的大致料位的时间与料位高度。对比图4中曲线与点可得测得料 位与实际大概料位趋势一致，高度也可以较准确的识别出来，效果较好，达到了生产要求。
权利要求
1.一种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统，包括与装置连接的温度传感器，温度变送器，微处理器，料位显示液晶屏，监控计算机，其特征在于 (1)温度传感器由一排等距离分布的钼电阻组成，利用钼电阻的阻值随温度线性变化的特性，将钼电阻的阻值信号传送给温度变送器； (2)温度变送器将温度传感器采集到的阻值信号经过差分放大转换为温度信号并传送至微处理器； (3)微处理器接收来自温度变送器得到的温度信号，并经过A/D转换器转换为数字信号，基于气液物质的热传导率不同以及加热装置内部物理过程的特点，实时识别料位的高度； (4)料位显示液晶屏用于接收微处理器处理得到的料位信号，并实时显示在现场的液晶屏上，方便操作工现场了解装置内部料位高度情况； (5)监控计算机与微处理器用RS-485总线连接，用于在监控室实时监控料位高度及人工验证，显示及存储实时及历史趋势，并可在监控计算机上对温度传感器安装位置及间歇搅拌加热装置的几何参数进行设定与修改。
2.一种用于权利要求I所述的间歇搅拌加热装置的料位在线识别方法，其特征在于所述的在线识别方法包括以下步骤 (1)利用温度传感器从间歇搅拌加热装置中采集一系列等距离分布的实时温度检测数据，并通过RS-485发送至微处理器中； (2)利用气液物质的热传导率不同的特性，对温度数据进行分析识别料位高度； (3)将识别得到的料位高度进行记录与显示及人工验证，并对温度传感器安装位置及间歇搅拌加热装置的几何参数进行设定与修改。
3.如权利2所述的间歇搅拌加热装置的料位在线识别方法，其特征在于 (1)标定测温点代表的料位高度根据温度传感器安装位置及间歇搅拌加热装置的几何参数，分别对最高的测温点与最低的测温点所对应的料位高度进行标定，并以此对中间的各个点所处的料位闻度进行标定； (2)当装置内部处于稳定状态，整个装置从上到下各测温点处于稳定状态，各测温点温度差别不大，下方的液体与上方的气体处于相同的加热或自然冷却的情况下，由于液体的热传导率比气体的热传导率大得多，当在相同的温度条件下，热阻= f代表着在单位厚度 K材料内阻止热量流动的度量，热阻R是与热传导率k成反比的，因此气体的热阻远大于液体的热阻，即气体中的热量传播会更加有难度，因此在实际加热装置中，在相同的加热条件下，上方的气体的升温会比下方的液体慢，同时由于加热过程伴随着汽化吸热反应，在料位附近温度会有所降低，此时装置内料位高度处的温度特征为上方气体与下方液体的温度都比料位处温度略高，因此可以通过判断温度的拐点来识别料位所在的区间； (3)定义η个测量点从下到上分别为A(t，I)，L，A(t，η)，t代表t时刻，对得到的测量值采用滑动平均滤波的方法来去除测量时的噪声及温度抖动，滑动平均滤波为线性滤波方法，可以在适当的小区间上对采样数据进行平滑和滤波，可以很好的消除温度测量中所存在的噪声信号带来的影响，滤波后得到的值为T (k，I)，L，T (k，η)，T (k，i)表示50 (k_l) +1 50k时刻的经均值滤波后的温度值，即
全文摘要
一种基于温度检测的间歇搅拌加热装置的料位在线识别系统，包括与间歇搅拌加热装置相连的温度传感器，温度变送器，微处理器，料位显示液晶屏及监控计算机。所述的监控计算机包括数据采集模块、温度校验模块、料位识别模块、数据显示及存储模块，以及提供了一种利用采集得到的各测温点的温度数据，基于气液相物质热传导率的不同来识别间歇搅拌加热装置的料位的方法。本发明提供一种针对间歇搅拌加热装置的，基于温度检测的利用温度信号对装置中料位高度进行在线识别的系统及方法。
文档编号G01F23/22GK102829840SQ20111016104
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者赵众, 胡川, 刘志立 申请人:北京化工大学