塔式光聚熱熔融鹽液位激光差分檢測技術研究

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重要方向。其中，塔式太陽能光熱發(fā)電技術因其高聚光比、高工作效率和易于儲能的特點[1-3]，在新能源發(fā)電領域得到廣泛關注。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[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，如超聲波液位測量技術[9]、雷達液位測量技術[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。

1 高溫熔融鹽液位測量裝置設計

1.1 單激光測量裝置

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。

1.2 單激光測量裝置光路圖模型建立

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：

1.3 雙激光檢測法

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。

2 高溫熔融鹽液位測量系統(tǒng)

2.1 硬件結構

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）。

2.2 人機交互界面設計

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

3 實驗與結論

3.1 裝置安裝參數(shù)的標定

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)標定的結構框圖

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]。

3.2 雙激光線檢測法驗證

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果均方根誤差、標準差均最小。繪制30組數(shù)據(jù)結果如圖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 雙激光線檢測結果

4 結 語

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果比單激光液位檢測方法的結果誤差小，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。