塔式光聚熱熔融鹽液位激光差分檢測(cè)技術(shù)研究

徐衛(wèi)兵，趙 偉，王 曉，閆慧民

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.太陽能利用工程技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

太陽能熱發(fā)電是太陽能高效利用的一個(gè)重要方向。其中，塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)因其高聚光比、高工作效率和易于儲(chǔ)能的特點(diǎn)[1-3]，在新能源發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。雙罐式熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和交換的功能[4]。太陽能吸熱器通過加熱冷罐中的熔融鹽并將其儲(chǔ)存進(jìn)熱罐完成儲(chǔ)能[5]。熱交換器通過抽取熱罐中熔融鹽產(chǎn)生蒸汽發(fā)電后將冷熔融鹽回流至冷罐完成能量釋放[6-7]。

通過精確測(cè)量密閉的冷熱罐內(nèi)熔融鹽液位，能間接反映儲(chǔ)能情況。由于熔融鹽儲(chǔ)罐尺寸約為直徑40 m、高10 m，要求測(cè)量精度達(dá)到1 mm。然而由于冷鹽罐的溫度為230 ℃左右，而熱鹽罐的溫度高達(dá)650 ℃以上，熔融鹽儲(chǔ)熱罐內(nèi)是屬于高溫、高壓及密閉的環(huán)境，采用傳感器液位測(cè)量技術(shù)[8]時(shí)，接觸高溫液面易導(dǎo)致?lián)p壞，并且密閉環(huán)境下不易操作。非接觸式的液位測(cè)量技術(shù)，如超聲波液位測(cè)量技術(shù)[9]、雷達(dá)液位測(cè)量技術(shù)[10]等，在熔融鹽儲(chǔ)熱罐復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境下，也均無法長(zhǎng)期準(zhǔn)確地測(cè)量熔融鹽液位值。為此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于光學(xué)三角法理論的熔融鹽液位測(cè)量裝置，該裝置在罐外加以抗高溫高壓的高透射裝置，不受溫度、壓力環(huán)境因素的影響。同時(shí)，針對(duì)熔融鹽快速出入儲(chǔ)熱罐產(chǎn)生的液面晃動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了雙激光線檢測(cè)法，有效削弱了液面晃動(dòng)對(duì)液位測(cè)量造成的影響。

1 高溫熔融鹽液位測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

1.1 單激光測(cè)量裝置

基于單激光液面的測(cè)量裝置采用光學(xué)三角法原理。依據(jù)激光器的發(fā)射位置，光學(xué)三角法分為直射式與斜射式[11]，本文就斜射式三角測(cè)量法進(jìn)行說明。如圖1所示，激光發(fā)射器安裝在罐頂一側(cè)，激光器發(fā)射的激光束通過會(huì)聚透鏡照射到液面上，在液面上形成一個(gè)光斑。當(dāng)液面位置有所變化時(shí)，激光束在液面上形成的光斑位置也會(huì)隨之有規(guī)律變化。圖像采集器安裝在罐頂正上方，圖像采集器采集到光斑圖像，通過圖像處理算法獲取光斑位置信息。然后再根據(jù)激光光源位置、圖像采集器位置與光斑位置的幾何關(guān)系模型，獲得液位的實(shí)際測(cè)量高度。

圖1 單激光液位測(cè)量裝置安裝示意圖

由于液面會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，本文的激光發(fā)射器選用一字型激光器，當(dāng)液面波動(dòng)時(shí)，一字型激光器的激光線總有部分平整，避免了采用點(diǎn)激光而帶來的信號(hào)不連續(xù)問題[12,13]。液位圖像的采集通過帶鏡頭的CMOS攝像頭完成。如前文提到，由于罐內(nèi)高溫高壓的內(nèi)部環(huán)境，而將激光裝置與攝像頭裝置安裝在罐外，且激光裝置與攝像頭裝置加以抗高溫高壓的高透射裝置[14]，保證其能正常運(yùn)行。

1.2 單激光測(cè)量裝置光路圖模型建立

本文根據(jù)實(shí)際情況對(duì)光學(xué)三角法公式作了進(jìn)一步整理。如圖1所示，罐體高為H，罐內(nèi)熔融鹽液位為h。一字型激光器安裝在罐頂一側(cè)，入射點(diǎn)為L(zhǎng)，并且入射角與罐體水平夾角為α。CMOS攝像頭安裝在罐頂正上方O點(diǎn)，攝像頭鏡頭焦距為f，攝像頭光軸與液面的垂直投影為P。R為L(zhǎng)點(diǎn)到光軸的距離。N為激光源在液面上投射的激光線，且到光軸的距離為y，A為激光線N在感光元件中的成像位置，AO=x。由圖1有如下公式：

可得關(guān)系：

推導(dǎo)出來的公式（4）即為斜射式單激光熔融鹽液位測(cè)量計(jì)算方式。其中，H已知，x為CMOS采集到的圖像中成像的激光線與中心點(diǎn)像素的直線距離，該值可以通過圖像處理算法獲取，本文在實(shí)際過程中采用的是圖像像素的加權(quán)平均值法。公式中α、R、f三個(gè)參數(shù)為安裝參數(shù)，為了使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，需要消除安裝參數(shù)帶來的系統(tǒng)誤差，本文使用最小二乘法對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，具體如下，假定激光線成像于圖像原點(diǎn)右側(cè)，令：

上式可以表示為：

根據(jù)最小二乘法的標(biāo)定公式可得：

測(cè)得n組觀測(cè)數(shù)據(jù)[xi,yi]（激光線位置以及液面高度），根據(jù)式（7）、式（8）便可得出b和k的值。b、k的值需要在液面保持平靜的狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定，公式（4）可改寫為：

1.3 雙激光檢測(cè)法

根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)熔融鹽高速出入罐體時(shí)，熔融鹽液面會(huì)產(chǎn)生劇烈的晃動(dòng)情況。單激光液面測(cè)量在此種情況下誤差較大。因此，為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本文在罐體的另一側(cè)同樣放置了一個(gè)激光發(fā)射器，如圖2所示；用罐體正上方的攝像頭同時(shí)捕捉雙激光線，捕捉到的雙激光線示意圖如圖3所示。

圖2 雙激光線液位檢測(cè)裝置示意圖

圖3 雙激光線示意圖

雙激光液位檢測(cè)計(jì)算方法與單激光液位測(cè)量計(jì)算方法類似，同樣通過采集圖像像素的加權(quán)平均值法獲取激光線1與激光線2在采集圖像中的位置x1和x2，再分別代入公式（9）計(jì)算出液位值h1和h2，最后求h1和h2的平均值來計(jì)算更精準(zhǔn)的液位高度，公式如下：

雙激光檢測(cè)法除了能提高液面檢測(cè)的精準(zhǔn)度外，同時(shí)還能有效地避免單激光檢測(cè)存在的盲區(qū)問題。

2 高溫熔融鹽液位測(cè)量系統(tǒng)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)了一套嵌入式高溫熔融鹽液位測(cè)量裝置，實(shí)物如圖4所示，高透裝置采用的是藍(lán)寶石玻璃，與測(cè)量裝置用法蘭無縫連接。裝置主要包括CMOS攝像頭圖像采集模塊、圖像處理模塊、LCD觸摸屏模塊、電源模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊等。

圖4 裝置整體側(cè)視圖

ARM處理器選用的是基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微型處理器S3C2440A。CMOS攝像頭選用的MT9T001，主動(dòng)成像大小為6.55 mm×4.92 mm，有源成像像素陣列為2 048×1 536。網(wǎng)絡(luò)模塊采用的是以太網(wǎng)接口芯片W5500，主要的作用是圖像信息的傳輸。LCD觸屏選用的是天嵌科技的4.3寸觸摸屏，該模塊的作用主要是顯示采集到的圖像、相機(jī)信息的設(shè)置、系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定等，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。電源模塊分為兩部分：一是DC-24 V到DC-5 V的轉(zhuǎn)換（MP2359芯片）；二是DC-5 V到DC-3.3 V的轉(zhuǎn)換（LM1117-3.3芯片）。

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本課題在μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)上移植了UCGUI圖形界面系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上結(jié)合LCD控制器設(shè)計(jì)了四個(gè)界面，分別為系統(tǒng)主界面、相機(jī)參數(shù)設(shè)定界面、系統(tǒng)標(biāo)定界面、通信參數(shù)設(shè)定界面，如圖5～圖8所示。根據(jù)界面上的按鈕或者編輯框?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，提高了測(cè)量裝置的實(shí)用性。

圖5 主界面

圖6 相機(jī)參數(shù)設(shè)定界面

圖7 系統(tǒng)標(biāo)定界面

圖8 通信參數(shù)設(shè)定界面

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

3.1 裝置安裝參數(shù)的標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)選擇普通罐，模仿高溫熔融鹽罐體。如圖9所示，將檢測(cè)裝置固定在高為100 cm的罐體上方，激光器和測(cè)量裝置距離罐體高50 cm。設(shè)置安裝參數(shù)為α=70°、R=25 cm、f=2 cm，給罐體內(nèi)加液體，初始液位為20 cm；然后給罐體繼續(xù)加液體，每次使液位升高1 cm左右，并用標(biāo)度尺測(cè)量液位高度；同時(shí)，系統(tǒng)利用圖像像素的加權(quán)平均值獲取CMOS攝像頭采集的圖像中的激光線位置x，連續(xù)采集30組數(shù)據(jù)。利用公式（7）和（8）得到參數(shù)k=0.649 3，b=-49.910 5。

圖9 系統(tǒng)標(biāo)定的結(jié)構(gòu)框圖

安裝參數(shù)為α=70°、R=25 cm、f=2 cm，實(shí)際上Rf=50、fcotα=0.727 9， 標(biāo) 定 后 的 參 數(shù)Rf=49.910 5、fcotα=0.649 3。產(chǎn)生此誤差可能由于攝像頭光軸與液面沒有完全垂直，或測(cè)量過程中液面有一定程度的傾斜[13]。

3.2 雙激光線檢測(cè)法驗(yàn)證

雙激光液位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)部分的裝置參數(shù)標(biāo)定方法進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，認(rèn)為真實(shí)液位與測(cè)量液位誤差小于0.2 cm為標(biāo)定成功，否則對(duì)裝置進(jìn)行重新標(biāo)定。向罐內(nèi)快速加入一定量液體，使液面產(chǎn)生晃動(dòng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集30組數(shù)據(jù)，左側(cè)激光測(cè)量出來的液位值記為h1，右側(cè)激光測(cè)量出來的液位值記為h2，兩者平均值記為h3，待液面恢復(fù)平靜時(shí)高度為66.9 cm。

分析實(shí)驗(yàn)獲取的30組數(shù)據(jù)，根據(jù)左激光器、右激光器以及雙激光測(cè)出液面高度的均方根誤差分別為0.2 816、0.3 062、0.2 129，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.2 816、0.3 067、0.2 138。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，雙激光檢測(cè)法測(cè)出的結(jié)果均方根誤差、標(biāo)準(zhǔn)差均最小。繪制30組數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示，橫坐標(biāo)為采集次數(shù)，縱坐標(biāo)為計(jì)算出來的液位高度。從圖可以看出，雙激光線測(cè)量出來的液位值誤差最小，更接近真實(shí)值。

圖10 雙激光線檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出了一種能夠精確測(cè)量冷罐和熱罐內(nèi)熔融鹽液位的方法，不僅可以推算出電站的儲(chǔ)能量，還可以通過液位的差分變化估算熔融鹽流速。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在熔融鹽液位存在明顯晃動(dòng)的情況下，基于雙激光檢測(cè)法的高溫熔融鹽液位測(cè)量結(jié)果比單激光液位檢測(cè)方法的結(jié)果誤差小，更接近真實(shí)值。可見，雙激光檢測(cè)可以有效解決液位晃動(dòng)情況下的液位測(cè)量問題。同時(shí)，將本文實(shí)現(xiàn)的硬件測(cè)量裝置安裝在熔融鹽罐外，很好地解決了安裝與維護(hù)問題。