徐衛(wèi)兵,趙 偉,王 曉,閆慧民
(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065;2.太陽能利用工程技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)
太陽能熱發(fā)電是太陽能高效利用的一個重要方向。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能的特點[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,主要實現(xiàn)能量存儲和交換的功能[4]。太陽能吸熱器通過加熱冷罐中的熔融鹽并將其儲存進熱罐完成儲能[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]。
通過精確測量密閉的冷熱罐內(nèi)熔融鹽液位,能間接反映儲能情況。由于熔融鹽儲罐尺寸約為直徑40 m、高10 m,要求測量精度達到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650 ℃以上,熔融鹽儲熱罐內(nèi)是屬于高溫、高壓及密閉的環(huán)境,采用傳感器液位測量技術(shù)[8]時,接觸高溫液面易導致?lián)p壞,并且密閉環(huán)境下不易操作。非接觸式的液位測量技術(shù),如超聲波液位測量技術(shù)[9]、雷達液位測量技術(shù)[10]等,在熔融鹽儲熱罐復雜的內(nèi)部環(huán)境下,也均無法長期準確地測量熔融鹽液位值。為此,本文設計并實現(xiàn)了一個基于光學三角法理論的熔融鹽液位測量裝置,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,針對熔融鹽快速出入儲熱罐產(chǎn)生的液面晃動問題,設計了雙激光線檢測法,有效削弱了液面晃動對液位測量造成的影響。
基于單激光液面的測量裝置采用光學三角法原理。依據(jù)激光器的發(fā)射位置,光學三角法分為直射式與斜射式[11],本文就斜射式三角測量法進行說明。如圖1所示,激光發(fā)射器安裝在罐頂一側(cè),激光器發(fā)射的激光束通過會聚透鏡照射到液面上,在液面上形成一個光斑。當液面位置有所變化時,激光束在液面上形成的光斑位置也會隨之有規(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,獲得液位的實際測量高度。
圖1 單激光液位測量裝置安裝示意圖
由于液面會產(chǎn)生波動現(xiàn)象,本文的激光發(fā)射器選用一字型激光器,當液面波動時,一字型激光器的激光線總有部分平整,避免了采用點激光而帶來的信號不連續(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],保證其能正常運行。
本文根據(jù)實際情況對光學三角法公式作了進一步整理。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),入射點為L,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,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點到光軸的距離。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:
推導出來的公式(4)即為斜射式單激光熔融鹽液位測量計算方式。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三個參數(shù)為安裝參數(shù),為了使測量結(jié)果更準確,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這三個參數(shù)進行標定,具體如下,假定激光線成像于圖像原點右側(cè),令:
上式可以表示為:
根據(jù)最小二乘法的標定公式可得:
測得n組觀測數(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)下進行標定,公式(4)可改寫為:
根據(jù)實際情況,當熔融鹽高速出入罐體時,熔融鹽液面會產(chǎn)生劇烈的晃動情況。單激光液面測量在此種情況下誤差較大。因此,為了進一步提高測量精度,本文在罐體的另一側(cè)同樣放置了一個激光發(fā)射器,如圖2所示;用罐體正上方的攝像頭同時捕捉雙激光線,捕捉到的雙激光線示意圖如圖3所示。
圖2 雙激光線液位檢測裝置示意圖
圖3 雙激光線示意圖
雙激光液位檢測計算方法與單激光液位測量計算方法類似,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)計算出液位值h1和h2,最后求h1和h2的平均值來計算更精準的液位高度,公式如下:
雙激光檢測法除了能提高液面檢測的精準度外,同時還能有效地避免單激光檢測存在的盲區(qū)問題。
本文開發(fā)了一套嵌入式高溫熔融鹽液位測量裝置,實物如圖4所示,高透裝置采用的是藍寶石玻璃,與測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、相機信息的設置、系統(tǒng)的參數(shù)標定等,實現(xiàn)了人機交互功能。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)。
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控制器設計了四個界面,分別為系統(tǒng)主界面、相機參數(shù)設定界面、系統(tǒng)標定界面、通信參數(shù)設定界面,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)人機交互,提高了測量裝置的實用性。
圖5 主界面
圖6 相機參數(shù)設定界面
圖7 系統(tǒng)標定界面
圖8 通信參數(shù)設定界面
實驗選擇普通罐,模仿高溫熔融鹽罐體。如圖9所示,將檢測裝置固定在高為100 cm的罐體上方,激光器和測量裝置距離罐體高50 cm。設置安裝參數(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,并用標度尺測量液位高度;同時,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)標定的結(jié)構(gòu)框圖
安裝參數(shù)為α=70°、R=25 cm、f=2 cm,實際上Rf=50、fcotα=0.727 9, 標 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,或測量過程中液面有一定程度的傾斜[13]。
雙激光液位檢測實驗前,根據(jù)3.1節(jié)實驗部分的裝置參數(shù)標定方法進行參數(shù)標定,認為真實液位與測量液位誤差小于0.2 cm為標定成功,否則對裝置進行重新標定。向罐內(nèi)快速加入一定量液體,使液面產(chǎn)生晃動,在規(guī)定時間內(nèi)采集30組數(shù)據(jù),左側(cè)激光測量出來的液位值記為h1,右側(cè)激光測量出來的液位值記為h2,兩者平均值記為h3,待液面恢復平靜時高度為66.9 cm。
分析實驗獲取的30組數(shù)據(jù),根據(jù)左激光器、右激光器以及雙激光測出液面高度的均方根誤差分別為0.2 816、0.3 062、0.2 129,標準差分別為0.2 816、0.3 067、0.2 138。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知,雙激光檢測法測出的結(jié)果均方根誤差、標準差均最小。繪制30組數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示,橫坐標為采集次數(shù),縱坐標為計算出來的液位高度。從圖可以看出,雙激光線測量出來的液位值誤差最小,更接近真實值。
圖10 雙激光線檢測結(jié)果
本文提出了一種能夠精確測量冷罐和熱罐內(nèi)熔融鹽液位的方法,不僅可以推算出電站的儲能量,還可以通過液位的差分變化估算熔融鹽流速。從實驗結(jié)果可得,在熔融鹽液位存在明顯晃動的情況下,基于雙激光檢測法的高溫熔融鹽液位測量結(jié)果比單激光液位檢測方法的結(jié)果誤差小,更接近真實值。可見,雙激光檢測可以有效解決液位晃動情況下的液位測量問題。同時,將本文實現(xiàn)的硬件測量裝置安裝在熔融鹽罐外,很好地解決了安裝與維護問題。