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CN115096403A - 一种基于fbg温度传感器阵列的料位测量系统及方法 - Google Patents

一种基于fbg温度传感器阵列的料位测量系统及方法 Download PDF

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CN115096403A
CN115096403A CN202210549265.1A CN202210549265A CN115096403A CN 115096403 A CN115096403 A CN 115096403A CN 202210549265 A CN202210549265 A CN 202210549265A CN 115096403 A CN115096403 A CN 115096403A
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Wuhan Leishier Photoelectric Information Engineering Co ltd
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Wuhan Leishier Photoelectric Information Engineering Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统及方法。所述测量系统包括FBG解调仪、FBG温度传感器阵列和控制终端；通过FBG解调仪自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，阵列实时反射特征光谱信号，经光环形器传输至光电转换模块，再通过FPGA采集模块高速处理并绘制光谱数据，再通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的FBG测点的反射光中心波长，最后通过波长‑温度函数转化为温度值，然后将温度信息传输至控制终端进行信息处理，从而获得原料罐内精确的料位信息。本发明采用激光测量技术和光纤传感技术耦合，充分利用了激光直接测量参数和料位测量值之间线性化的反演关系，通过软件算法处理流程，可以快速实时、高精度实现料位精确测量。

Description

一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统及方法
技术领域
本发明涉及精密测量领域，具体涉及化工生产过程中一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统及方法。
背景技术
化工生产过程中原料罐中的料位高度精确的测量和表征对于整个生产流程起着非常重要的作用。当前常用的料位测量技术主要包括电极式料位计、超声波式料位计、重锤式料位计、微波式料位计和称重式料位计等。但是，化工生产设备具有高压、高温和高密度粉尘/蒸汽的特点，其内部的料位难以实现直接测量和表征，通常需要采用人工通过观察孔直接观测式方式，这个方法除了耗费人力，也难以实现准确的测量。为了改进优化化工生产过程中料位的精确监测，确保生产安全和产品的质量，采用一些适合于生产装置与现场环境新技术方式和算法将是十分重要和必要。
在先技术中，在专利号CN201911169252.6的发明专利《用于高温高压环境的光纤液位计及其制作方法》中，提出了一种可用于水冷反应堆核电站中稳压器、蒸发器的液位追踪，金属反应堆(钠冷、铅铋冷却反应堆)中液态金属液位、熔盐反应堆中熔盐液位测量，且安装角度不受限的光纤液位计及其制作方法，其主要是针对液位结构设计；北京化工大学控制工程专业的研究生吕剑飞于2013年5月20日发表的硕士学位论文《基于温度传感器阵列的料位测量仪的研制》中，设计和制作一款基于料位模型的嵌入式料位测量仪，但主要是针对闪蒸釜在进料状态下的料位测量；北京化工大学控制工程专业高明于2012年5月28日发表的硕士学位论文《基于多温度传感器的料位识别系统的开发》中，其方法主要是利用多温度传感器采集闪蒸釜中的各空间点的温度数据，通过对这些数据的分析处理在线实时识别闪蒸釜中的料位高度，但是整个处理方法过于复杂，需要的温度传感器测量点也非常的多，在一定程度提升了硬件成本。
发明内容
发明针对现有技术缺陷在于提供一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统及方法，该发明利用激光精密测量和光纤传感耐受高温高压应用环境的特点，在实现高温、高压和高密度粉尘/蒸汽环境下料位精确测量和表征同时，也可以实现远程光纤传输和遥测，可以解决适应于化工生产过程中生产装置与现场环境特点的料位精确测量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，包括FBG解调仪、FBG温度传感器阵列和控制终端；所述FBG温度传感器阵列伸入原料罐的原料中，并通过传导光缆与FBG解调仪信号连接，FBG温度传感器阵列用于对原料罐内沿阵列方向的温度场进行分布式测量，并将温度测量信号传导至FBG解调仪进行温度信号解调；
所述FBG解调仪自带宽带光源、光环形器、光电转换模块和FPGA采集模块；FBG解调仪通过自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，FBG温度传感器阵列实时反射特征光谱信号，经光环形器传输至光电转换模块，再通过FPGA采集模块高速处理并绘制光谱数据，并通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的FBG测点的反射光中心波长，再通过波长-温度函数转化为温度值，然后通过信号传输线与控制终端信号连接，并将温度信息传输至控制终端进行信息处理，从而获得原料罐内精确的料位信息；
所述控制终端接收FBG解调仪发送的温度信息进行存储、分析、统计后计算出某个时间段内每个FBG测点的温度平均差ΔT，根据所述温度平均差ΔT与预先设定的温度波动阈值得到该时间段的料位值。
本发明进一步的技术方案：其特征在于所述FBG解调仪通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的FBG测点的反射光中心波长的过程如下：先通过强度阈值判断，找到光谱强度高于阈值的所有离散强度最大点位置，然后以各个离散强度最大点为中心，左右选取合适宽度数据，从而截取一段离散点光谱，再采用离散高斯拟合算法，得到连续点光谱曲线
Figure BDA0003653937650000031
该曲线的峰值ymax对应的x位置即为每个FBG测点的中心波长λFBG。
本发明进一步的技术方案：所述FBG解调仪通过波长-温度函数转化为温度值的过程如下：将FBG测点的反射光中心波长代入到波长—温度拟合模型中获得各FBG测点在当前时刻tm的温度值T，所述波长—温度拟合模型如下：
Figure BDA0003653937650000032
其中λ0为温度测点在特征温度点对应的波长值，特征温度点取0℃或其它温度参考点值；λ取λFBG；a、b、c、d四个变量通过FBG温度传感器标定得到，即将FBG在各标准温度下的对应波长采用模型中的多项式拟合而得。
本发明进一步的技术方案：所述控制终端计算每个FBG测点某个时间段的温度平均差ΔT，得到该时间段的料位值的过程如下：采集n时间段内第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]，按照以下公式计算出第m个FBG测点的温度平均差ΔTm：
Figure BDA0003653937650000033
上述公式中：
Figure BDA0003653937650000034
为n时间段内第m个FBG测点的平均温度；
将计算的第m个FBG测点的温度平均差ΔTm与待测原料罐内设定的温度波动阈值T0进行比较，满足条件ΔTm≥T0时，第m个FBG测点所在高度视为n时间段内内料位值。
本发明进一步的技术方案：所述测量系统的原料罐的进料口和放料口分别留有流量监测接口，可插入流量计进行进料流量和出料流量监测；且流量计通过连接信号传输线将流量信息传输至控制终端。
本发明较优的技术方案：FBG温度传感器阵列采用用于高温高压环境的光纤液位计，其外壳为金属铠装管，内附两根或两根以上的测温光纤，测温光纤尾端与传导光缆连接。
本发明还提供了一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)通过FBG解调仪自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，阵列实时反射特征光谱信号，并传输回FBG解调仪的光解调模块，通过FPGA高速处理并绘制光谱，再通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的多个FBG测点在tm时刻对应的反射光中心波长λFBG；
(2)将步骤(1)中各FBG测点的反射光中心波长λFBG分别代入到波长——温度拟合模型中获得各FBG测点在当前时刻tm的温度值T，得到tm时刻的FBG测点温度分布数组[Tx]；所述波长——温度拟合模型如下:
Figure BDA0003653937650000041
其中λ0为温度测点在特征温度点对应的波长值，特征温度点取0℃或其它温度参考点值；λ取λFBG；a、b、c、d四个变量通过FBG温度传感器标定得到，即将FBG在各标准温度下的对应波长采用模型中的多项式拟合而得；
(3)取一段时间进行温度数据采样，记采样获得的温度值记录为二维温度数组[Tx,y]，其中x为FBG测点编号，y为采集时间序号；其中，二维数组[Tx,y]中第m行数据为第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]，第e列数据为第e采样时刻FBG温度传感器阵列空间的温度分布数组[Tx,e]；
(4)依据步骤(3)中FBG测点的温度随时间变化数组计算出n时间段内所有FBG测点的温度平均差，n时间段为步骤(3)中温度数据采集时间段内的某一段时间；其中第m个FBG测点的温度平均差ΔTm是根据第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]计算得到，计算公式如下：
Figure BDA0003653937650000051
上述公式中：
Figure BDA0003653937650000052
为n时间段内第m个FBG测点的平均温度；
(5)通过步骤(4)中计算的n时间段内每个FBG测点的温度平均差ΔT与待测原料罐内设定的温度波动阈值T0进行比较，并根据比较结果及确定该时间段内原料罐的料位值；具体过程如下：
若该时间段内第m个FBG测点的温度平均差满足条件ΔTm≥T0时，第m个FBG测点所在高度视为料位值；
若该时间段内所有的FBG测点的温度平均差ΔT均小于设定温度波动阈值T0，按照步骤(4)中的计算方法反复计算n时间段前后不同时间段内所有的FBG测点的温度平均差，直到找出满足ΔT≥T0的FBG测点，从而得到料位值，或者依据该原料罐的料位值与温度平均值对应表查得料位值。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(1)中通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得相应FBG测点对应的反射光中心波长λFBG的具体过程是先通过强度阈值判断，找到光谱强度高于阈值的所有离散强度最大点位置，然后以各个离散强度最大点为中心，左右选取合适宽度数据，从而截取一段离散点光谱，再采用离散高斯拟合算法，得到连续点光谱曲线：
Figure BDA0003653937650000061
该曲线的峰值ymax对应的x位置即为每个FBG测点的中心波长λFBG；采用同样方法找出每个FBG测点对应的中心波长，得到tm时刻的FBG温度传感器阵列的反射光中心波长数组。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(5)中料位值与温度平均值对应表是依据原料温度TH和所述步骤(5)中料位值与温度平均值对应表是依据原料温度TH和罐体平均温度
Figure BDA0003653937650000062
下式中m代表FBG温度传感器阵列的测点数量，h0,h1…hm-1,hm分别代表各FBG测点位于罐体内的高度，具体计算如下表：
Figure BDA0003653937650000063
本发明较优的技术方案：所述步骤(5)中通过比较温度波动阈值或查表方法初步确定料位值h后，还取初步确定的料位值h上下相邻FBG测点的温度值作差判断是否满足介质间温差Th+1-Th-1＞ΔTd，若满足则确定料位值h判断准确；其中Th+1表示料位值所对应FBG测点相邻的上一个测点温度，Th-1表示料位值所对应FBG测点相邻的下一个测点温度，Td表示阈值温差，其取值小于原料与空气两种介质的温差ΔT0，且大于温度波动阈值T0。
本发明在罐内的FBG温度传感器阵列可以罐内沿阵列方向的温度场进行分布式测量；在罐外FBG温度传感器阵列可以通过传导光缆将温度测量信号传导至FBG解调仪进行温度信号解调，然后通过信号传输总线将温度信息传输至控制终端进行信息算法处理，从而获得原料罐内精确的料位信息，为化工生产提供过程数据。控制终端的功能也包括信息报警、存储、分析、统计，以及加料和放料反馈控制等功能。本发明的重点是基于FBG温度传感器阵列的料位测量算法，通过FBG温度传感器阵列获得原料罐温度场的分布，然后通过数据预处理，通过相关软件算法获得稳定料位值，为原料罐的加料和放料提供决策，并且整个过程系统都会实时对料位值进行快速测量。
本发明中的算法基于申请单位于2019年申请的专利号CN201911169252.6，发明名称《用于高温高压环境的光纤液位计及其制作方法》的在先发明专利中高温高压环境的光纤液位计的结构，针对化工生产过程中生产装置与现场环境的特点设计而成。
本发明的具体判断依据为：因两种介质环境间存在较大温度差值ΔT0，故分界点两侧传感器测点所测温度值呈现跳变状态；记稳定状态下的FBG温度传感器阵列平均温度分布为
Figure BDA0003653937650000071
其各测点值为原料的温度或者罐内空气温度，即各FBG温度传感器测得的温度只有两种，原料的温度或者空气的温度，基于多传感器网络测量值叠加空间分布因素的影响具体表现为该温度值为二项分布
Figure BDA0003653937650000072
由于原料和空气的温度差值ΔT0较大，所以料位处于不同的高度时，整个FBG温度传感器阵列测得的温度平均值也不同，因此可对其采用平均温度法，以确定料位值。记当前状态下贮藏罐整体的平均温度为
Figure BDA0003653937650000081
预先计算参考分界面位点的不同引起的总体平均温度差值，汇总为温度料位对照表，对照表如下表所示，后续应用查表法确定温度
Figure BDA0003653937650000082
对应料位值h，即实时计算平均温度值，然后检索得到料位值。
因为料位值上下相邻测点应该分别处于空气和原料中，在初步确定料位值后，取料位值h上下相邻FBG测点的温度值作差判断，可以进一步确定料位值的准确度；此外，该方法确定的料位h应与前后时刻料位值进行比对观察变化趋势是否符合逻辑，即在某一时间段内罐体料位变化引起的原料体积变化，不应明显超出物料进出口原料净体积，在以上都确认无误后，该方法确定的料位值h方可采用。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明在硬件装置上采用激光测量技术和光纤传感技术耦合，既利用了激光测量技术高精度、高性价比的特点，又利用了光纤传感技术的全光电无源、耐腐蚀、耐高温高压、尺寸小便于集成贯穿，安全性高、能远程传输和测量等居多的特点；在软件算法上，充分利用了激光直接测量参数和料位测量值之间线性化的反演关系，通过软件算法处理流程，可以快速实时、高精度实现料位精确测量。此外，该结构耐环境适应性好、安装结构成熟、安全可靠系数高，远离现场恶劣环境，非常适合在化工生产过程中储料罐等极端环境下料位测量领域的应用。
附图说明
图1是本发明硬件结构示意图；
图中：1-原料罐，2-进料口，3-放料口，4-密封接口，5-原料面，6-传导光缆，7-FBG温度传感器阵列，8-FBG解调仪，9-信号传输总线，10-控制终端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例中的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，如图1所示，包括FBG解调仪8、FBG温度传感器阵列7和控制终端10；所述FBG温度传感器阵列7伸入原料罐1的原料5中，并通过传导光缆6与FBG解调仪8信号连接，FBG温度传感器阵列7用于对原料罐1内沿阵列方向的温度场进行分布式测量，并将温度测量信号传导至FBG解调仪8进行温度信号解调；所述FBG解调仪8通过信号传输线9与控制终端10信号连接，并将温度信息传输至控制终端10进行信息算法处理，从而获得原料罐1内精确的料位信息；所述控制终端10用于信息报警、存储、分析、统计。所述测量系统的原料罐1的进料口2和放料口3分别留有流量监测接口，在原料罐1的进料口2和放料口3分布插入流量计进行进料流量和出料流量监测，且两个位置的流量计通过连接信号传输线9将流量信息传输至控制终端10。实施例中的FBG温度传感器阵列7采用用于高温高压环境的光纤液位计，其外壳为金属铠装管，内附两根或两根以上的测温光纤，测温光纤尾端与传导光缆6连接。
实施例中的FBG温度传感器阵列7采用专利号CN201911169252.6的中公开的FBG温度传感器阵列，具体包括金属铠装管、绝缘导热芯、耐高温电热丝、一根或两根或两根以上的测温光纤和尾端封头，金属铠装管为一端封闭另一端敞开的中空金属管，其内部装填有绝缘导热芯，其开口端通过尾端封头密封，并在尾端封头的中部对应位置开设有电热丝和光纤穿孔；在绝缘导热芯内设有中心电热丝通孔和环绕在中心电热丝通孔四周的一个或两个或两个以上测温光纤通道，所述耐高温电热丝位于中心电热丝通孔内，两根或两根以上的测温光纤置于对应的测温光纤通道内，封装好的传感器其接头从尾端封头引出并与传导光缆连接。
所述FBG解调仪8自带宽带光源，光环形器，光电转换和FPGA采集模块；FBG解调仪通过自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，阵列实时反射特征光谱信号，经光环形器传输至光电转换模块，再通过FPGA采集模块高速处理并绘制光谱数据，并通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的FBG测点的反射光中心波长，再通过波长-温度函数转化为温度值，然后通过信号传输线9与控制终端10信号连接，并将信息传输至控制终端10进行信息处理，从而获得原料罐1内精确的料位信息；其处理过程如下：
通过FBG解调仪自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，阵列实时反射特征光谱信号，并传输回FBG解调仪的光解调模块，通过FPGA高速处理并绘制光谱，再通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的多个FBG测点在tm时刻对应的反射光中心波长λFBG；将上述各FBG测点的反射光中心波长λFBG分别代入到波长——温度拟合模型中获得各FBG测点在当前时刻tm的温度值T，得到tm时刻的FBG测点温度分布数组[Tx]；所述波长——温度拟合模型如下:
Figure BDA0003653937650000101
其中λ0为温度测点在特征温度点对应的波长值，特征温度点取0℃或其它温度参考点值；λ取λFBG；a、b、c、d四个变量通过FBG温度传感器标定得到，即将FBG在各标准温度下的对应波长采用模型中的多项式拟合而得。
实施例中的控制终端10接收FBG解调仪8发送的温度信息用于信息报警、存储、分析、统计；依据上述二维温度数组[Tx,y]和计算方法得到的每一个时间段内的料位值，即通过FBG解调仪实时获取FBG温度传感器阵列的温度数据，可实时得到原料罐内的料位值和料位变化情况。其具体过程如下：取一段时间进行温度数据采样，记采样获得的温度值记录为二维温度数组[Tx,y]，其中x为FBG测点编号，y为采集时间序号；其中，二维数组[Tx,y]中第m行数据为第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]，第e列数据为第e采样时刻FBG温度传感器阵列空间的温度分布数组[Tx,e]；依据测点的温度变化数组[Tm,y]，计算该n时间段内第m个FBG测点的温度平均差
Figure BDA0003653937650000111
其中
Figure BDA0003653937650000112
为n时间段内第m个FBG测点的平均温度；将计算的第m个FBG测点的温度平均差ΔTm与待测原料罐内设定的温度波动阈值T0进行比较；温度波动阈值T0为系统参数，该参数的设定与进出口物料温度和原料罐的保温特性等密切相关，一般原料罐的保温特性好则该波动阈值小，该值通常采用物料系统试运行过程中温度测得。
若第m个FBG测点的温度平均差满足条件ΔTm＜T0时，则说明该测点在该时间段内处于温度稳定状态，即表示该测点位于物料内或空气中，也就是该FBG温度测点处于料位值以下或以上的位置；然后通过比较其平均温度
Figure BDA0003653937650000113
与物料实际温度差值，若小于系统参数T0，则说明该FBG温度测点处于料位值以下；若大于系统参数T0，则说明该FBG温度测点处于料位值以上；
若第m个FBG测点的温度平均差满足条件ΔTm≥T0时，则说明该测点在该n时间段内处于温度变化状态，即可确定当前测点位于物料与空气分界面处，当前测点所在高度可视为料位值。
采用同样的方法计算该n时间段内所有的FBG测点的温度平均差，并与系统参数T0进行比较，得到该n时间段内物料处于的FBG测点位置；若在n时间段内所有的FBG测点的温度平均差均小于设定温度波动阈值，则说明该时间段内料位值未发生变化，此时可通过计算n时间段前后不同时间段，找出料位变化时刻，从而得到料位值，或者依据待测原料罐的料位值与温度平均值对应表查表得到料位值；若在n时间段内某一FBG测点的温度平均差大于设定温度波动阈值，则说明n时间段内的料位值在该测点位置，且仅有一个FBG测点的温度平均差是大于系统温度波动阈值的，即物料与空气分界面的临界点是唯一确定值。
所述料位值与温度平均值对应表是依据原料温度TH和空气温度TL值，通过模拟计算的方法预先得到罐内原料处于各FBG测点时的温度平均值，即得到料位值与温度平均值对应表，在实际测试中，仅需要实时计算FBG温度传感器阵列的温度得到罐体平均温度
Figure BDA0003653937650000121
然后检索对应表，便可从而实时获得料位值h；其料位值h与罐体平均温度
Figure BDA0003653937650000122
对应表的计算如下表：
罐体平均温度(T) 料位高度(h)
T<sub>L</sub> h<sub>0</sub>
(T<sub>L</sub>*(m-1)+T<sub>H</sub>)/m h<sub>1</sub>
(T<sub>L</sub>*(m-2)+T<sub>H</sub>*2)/m h<sub>2</sub>
…
(T<sub>L</sub>+T<sub>H</sub>*(m-1))/m h<sub>m-1</sub>
T<sub>H</sub> h<sub>m</sub>
其具体判断依据为：因两种介质环境间存在较大温度差值ΔT0，故分界点两侧传感器测点所测温度值呈现跳变状态；记稳定状态下的FBG温度传感器阵列平均温度分布为
Figure BDA0003653937650000123
其各测点值为原料的温度或者罐内空气温度，即各FBG温度传感器测得的温度只有两种，原料的温度或者空气的温度，基于多传感器网络测量值叠加空间分布因素的影响具体表现为该温度值为二项分布
Figure BDA0003653937650000131
由于原料和空气的温度差值ΔT0较大，所以料位处于不同的高度时，整个FBG温度传感器阵列测得的罐体温度平均值也不同，因此可对其采用平均温度法，以确定料位值。记当前状态下贮藏罐整体的平均温度为
Figure BDA0003653937650000132
预先计算参考分界面位点的不同引起的总体平均温度差值，汇总为温度料位对照表，对照表如下表所示，后续应用查表法确定温度
Figure BDA0003653937650000133
对应料位值h，即实时计算平均温度值，然后检索得到料位值。
通过上述比较温度波动阈值或查表方法初步确定料位值h后，还应取初步确定的料位值h上下相邻FBG测点的温度值作差判断是否满足介质间温差Th+1-Th＞ΔTd，其中阈值Td取值小于料温与空气的温差ΔT0，且大于温度波动阈值T0。此外，该方法确定的料位h应与前后时刻料位值进行比对观察变化趋势是否符合逻辑，即在某一时间段内罐体料位变化引起的原料体积变化，不应明显超出物料进出口原料净体积，在以上都确认无误后，该方法确定的料位值h方可采用。
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，实施例中光纤光栅温度传感器7选用6个FBG测点的光纤光栅温度传感器阵列垂直安装于罐体内，每个FBG测点间隔50mm，则各FBG测点在罐体内高度依次为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm；FBG采用飞秒激光逐点直写技术制作；光纤光栅高温传感器2采用外径0.8mm不锈钢管封装，内部充有保护性气体，不锈钢管封装长度为2.5m；光纤解调仪采用光谱采样范围1510～1595nm、波长精度±2pm的光纤光栅解调仪，可对6测点的光纤光栅高温传感器7的波长信号进行实时测量。实施例的料位测量方法，其流程主要包括以下步骤：
步骤1：通过FBG解调仪8自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列7，阵列实时反射特征光谱信号，并传输回FBG解调仪8，绘制光谱，再通过仪器自带的光谱寻峰算法解析获得6个温度测点对应的反射光中心波长1520nm、1530nm、1540nm、1550nm、1560nm、1570nm。
步骤2：将步骤1中测点的反射光中心波长λ代入到波长——温度拟合模型中获得测点当前时刻的温度值T；具体模型如下:
Figure BDA0003653937650000141
其中λ0为温度测点在20℃对应的波长值，a、b、c、d四个变量通过三次多项式拟合而得。由此得到6个温度测点的温度值为[80,80,80,30,30,30]。
步骤3：多次重复测量6个温度测点的中心波长λ，并换算成温度值，形成二维温度数组如下所示：
[80,80,80,80,80,80,80,80,80,80；
80,80,80,80,80,80,80,80,80,80；
80,80,80,80,80,80,80,80,80,80；
30,30,30,30,30,30,30,30,30,30；
30,30,30,30,30,30,30,30,30,30；
30,30,30,30,30,30,30,30,30,30]
步骤4：依据步骤3的二维温度数组，可知各测点温度相对稳定，并通过公式
Figure BDA0003653937650000142
计算样本平均差，依次为：
(|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|)/10＝0
(|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|)/10＝0
(|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|+|80-80|)/10＝0
(|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|)/10＝0
(|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|)/10＝0
(|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|+|30-30|)/10＝0
设定温度波动阈值T0为5℃，由以上计算6次所有的FBG测点的温度平均差均小于5℃，可知罐体料位值未发生变化，因此需计算FBG温度传感器阵列的温度平均值，然后检索料位值与温度平均值对应表，从而确定料位与空气分界面所处位置；
依据原料温度80℃和空气温度30℃，通过模拟计算的方法，预先得到罐内原料处于各FBG测点时的温度平均值，即得到料位值与温度平均值对应表，如下：
罐体平均温度(℃) 料位高度(mm)
30*6/6＝30 0
(30*5+80)/6＝38.3 50
(30*4+80*2)/6＝46.7 100
(30*3+80*3)/6＝55 150
(30*2+80*4)/6＝63.3 200
(30+80*5)/6＝71.7 250
80*6/6＝80 300
步骤5：依据二维温度数组分布可知罐体温度分布从下往上依次为[80,80,80,30,30,30]；此刻实测罐体温度平均值为55，由此查表可知当前料位高度值对应为150mm，即在测点3处。
步骤6：重复步骤1-步骤5再次确认料位高度值是否与测点3相接，如果是则符合数据波动逻辑可以采用，否则不采纳此次测量数据。
本发明公开了基于FBG温度传感器阵列的料位测量算法，其原理是依据罐内各测点温度值变换趋势及其整体分布，采用激光测量技术和光纤传感技术耦合，既利用了激光测量技术高精度、高性价比的特点，又利用了光纤传感技术的全光电无源、耐腐蚀、耐高温高压、尺寸小便于集成贯穿，安全性高、能远程传输和测量等居多的特点；在软件算法上，充分利用了激光直接测量参数和料位测量值之间线性化的反演关系，通过软件算法处理流程，可以快速实时、高精度实现料位精确测量。此外，该结构耐环境适应性好、安装结构成熟、安全可靠系数高，远离现场恶劣环境，非常适合在化工生产过程中储料罐等极端环境下料位测量领域的应用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，其特征在于：所述测量系统包括FBG解调仪(8)、FBG温度传感器阵列(7)和控制终端(10)；所述FBG温度传感器阵列(7)伸入原料罐(1)的原料(5)中，并通过传导光缆(6)与FBG解调仪(8)信号连接，FBG温度传感器阵列(7)用于对原料罐(1)内沿阵列方向的温度场进行分布式测量，并将温度测量信号传导至FBG解调仪(8)进行温度信号解调；
所述FBG解调仪(8)自带宽带光源、光环形器、光电转换和FPGA采集模块；FBG解调仪通过自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，阵列实时反射特征光谱信号，经光环形器传输至光电转换模块，再通过FPGA采集模块高速处理并绘制光谱数据，并通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的FBG测点的反射光中心波长，再通过波长-温度函数转化为温度值，然后通过信号传输线(9)与控制终端(10)信号连接，并将温度信息传输至控制终端(10)进行信息处理，从而获得原料罐(1)内精确的料位信息；
所述控制终端(10)接收FBG解调仪(8)发送的温度信息进行存储、分析、统计后计算出某个时间段内每个FBG测点的温度平均差ΔT，根据所述温度平均差ΔT与预先设定的温度波动阈值得到该时间段的料位值。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，其特征在于所述FBG解调仪(8)通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的FBG测点的反射光中心波长的过程如下：先通过强度阈值判断，找到光谱强度高于阈值的所有离散强度最大点位置，然后以各个离散强度最大点为中心，左右选取合适宽度数据，从而截取一段离散点光谱，再采用离散高斯拟合算法，得到连续点光谱曲线
Figure FDA0003653937640000021
该曲线的峰值ymax对应的x位置即为每个FBG测点的中心波长λFBG。
3.根据权利要求1所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，其特征在于所述FBG解调仪(8)通过波长-温度函数转化为温度值的过程如下：将FBG测点的反射光中心波长代入到波长—温度拟合模型中获得各FBG测点在当前时刻tm的温度值T，所述波长—温度拟合模型如下：
Figure FDA0003653937640000022
其中λ0为温度测点在特征温度点对应的波长值，特征温度点取0℃或其它温度参考点值；λ取λFBG；a、b、c、d四个变量通过FBG温度传感器标定得到，即将FBG在各标准温度下的对应波长采用模型中的多项式拟合而得。
4.根据权利要求1所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，其特征在于所述控制终端(10)计算每个FBG测点某个时间段的温度平均差ΔT，得到该时间段的料位值的过程如下：采集n时间段内第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]，按照以下公式计算出第m个FBG测点的温度平均差ΔTm：
Figure FDA0003653937640000023
上述公式中：
Figure FDA0003653937640000024
为n时间段内第m个FBG测点的平均温度；
将计算的第m个FBG测点的温度平均差ΔTm与待测原料罐内设定的温度波动阈值T0进行比较，满足条件ΔTm≥T0时，第m个FBG测点所在高度视为n时间段内内料位值。
5.根据权利要求1所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，其特征在于：所述测量系统的原料罐(1)的进料口(2)和放料口(3)分别留有流量监测接口，可插入流量计进行进料流量和出料流量监测；且流量计通过连接信号传输线(9)将流量信息传输至控制终端(10)。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量系统，其特征在于：FBG温度传感器阵列(7)采用用于高温高压环境的光纤液位计，其外壳为金属铠装管，内附两根或两根以上的测温光纤，测温光纤尾端与传导光缆(6)连接。
7.一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)通过FBG解调仪自带的宽带光源发射光信号至FBG温度传感器阵列，阵列实时反射特征光谱信号，并传输回FBG解调仪的光解调模块，通过FPGA高速处理并绘制光谱，再通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得的多个FBG测点在tm时刻对应的反射光中心波长λFBG；
(2)将步骤(1)中各FBG测点的反射光中心波长λFBG分别代入到波长——温度拟合模型中获得各FBG测点在当前时刻tm的温度值T，得到tm时刻的FBG测点温度分布数组[Tx]；所述波长——温度拟合模型如下：
Figure FDA0003653937640000031
其中λ0为温度测点在特征温度点对应的波长值，特征温度点取0℃或其它温度参考点值；λ取λFBG；a、b、c、d四个变量通过FBG温度传感器标定得到，即将FBG在各标准温度下的对应波长采用模型中的多项式拟合而得；
(3)取一段时间进行温度数据采样，记采样获得的温度值记录为二维温度数组[Tx,y]，其中x为FBG测点编号，y为采集时间序号；其中，二维数组[Tx,y]中第m行数据为第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]，第e列数据为第e采样时刻FBG温度传感器阵列空间的温度分布数组[Tx,e]；
(4)依据步骤(3)中FBG测点的温度随时间变化数组计算出n时间段内所有FBG测点的温度平均差，n时间段为步骤(3)中温度数据采集时间段内的某一段时间；其中第m个FBG测点的温度平均差ΔTm是根据第m个FBG测点的温度随时间变化数组[Tm,y]计算得到，计算公式如下：
Figure FDA0003653937640000041
上述公式中：
Figure FDA0003653937640000042
为n时间段内第m个FBG测点的平均温度；
(5)通过步骤(4)中计算的n时间段内每个FBG测点的温度平均差ΔT与待测原料罐内设定的温度波动阈值T0进行比较，并根据比较结果确定该时间段内原料罐的料位值；具体过程如下：
若该时间段内第m个FBG测点的温度平均差满足条件ΔTm≥T0时，第m个FBG测点所在高度视为料位值；
若该时间段内所有的FBG测点的温度平均差ΔT均小于设定温度波动阈值T0，按照步骤(4)中的计算方法反复计算n时间段前后不同时间段内所有的FBG测点的温度平均差，直到找出满足ΔT≥T0的FBG测点，从而得到料位值，或者依据该原料罐的料位值与温度平均值对应表查得料位值。
8.根据权利要求7所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过离散点高斯拟合寻峰算法解析获得相应FBG测点对应的反射光中心波长λFBG的具体过程是先通过强度阈值判断，找到光谱强度高于阈值的所有离散强度最大点位置，然后以各个离散强度最大点为中心，左右选取合适宽度数据，从而截取一段离散点光谱，再采用离散高斯拟合算法，得到连续点光谱曲线：
Figure FDA0003653937640000043
该曲线的峰值ymax对应的x位置即为每个FBG测点的中心波长λFBG；采用同样方法找出每个FBG测点对应的中心波长，得到tm时刻的FBG温度传感器阵列的反射光中心波长数组。
9.根据权利要求7所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中料位值与温度平均值对应表是依据原料温度TH和罐体平均温度
Figure FDA0003653937640000051
下式中m代表FBG温度传感器阵列的测点数量，h0,h1…hm-1,hm分别代表各FBG测点位于罐体内的高度，具体计算如下表：
Figure FDA0003653937640000052
10.根据权利要求7所述的一种基于FBG温度传感器阵列的料位测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中通过比较温度波动阈值或查表方法初步确定料位值h后，还取初步确定的料位值h上下相邻FBG测点的温度值作差判断是否满足介质间温差|Th+1-Th-1|＞ΔTd，若满足则确定料位值h判断准确；其中Th+1表示料位值所对应FBG测点相邻的上一个测点温度，Th-1表示料位值所对应FBG测点相邻的下一个测点温度，Td表示阈值温差，其取值小于原料与空气两种介质的温差ΔT0，且大于温度波动阈值T0。
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