反应釜反应过程温度检测方法与装置、控制方法、反应釜

1.本发明涉及反应釜温度监测技术领域中的一种反应釜反应过程温度检测方法、检测装置、控制方法及所述反应釜，特别是涉及一种反应釜反应过程温度检测方法、采用所述反应釜反应过程温度检测方法的检测装置、采用所述反应釜反应过程温度检测方法的控制方法、采用所述控制方法的反应釜。


背景技术：

2.反应釜是用于物理或化学反应的容器，其内部的反应过程温度直接影响到反应过程效率和反应产物的品质，因此需要对其进行监测并控制。现有技术仅简单通过热成像设备采集反应过程中反应物表面温度，将其输入到控制器，再通过控制器根据输入的温度数据对阀门等执行机构进行控制，如附图1所示。但利用热成像设备对釜内反应温度进行测量时，只能观测反应物表面温度数据，不能了解反应物内部温度场分布；并且热成像设备测量的数据也存在误差较大的部分，会导致控制效果出现明显偏差。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述问题，提供一种反应釜反应过程温度检测方法、采用所述反应釜反应过程温度检测方法的检测装置、采用所述反应釜反应过程温度检测方法的控制方法、采用所述控制方法的反应釜。
4.本发明采用以下技术方案实现：在本公开的第一方面中，提供了一种反应釜反应过程温度检测方法，包括以下步骤：第一步：获取当前时刻tk所述反应釜内反应物表面的不同位置处的表面温度t
1k
，对所述表面温度t
1k
进行预测矫正得到矫正优化后表面温度平均值；获取当前时刻tk所述反应釜内反应物内部的不同位置处的内部温度t
2k
，对所述内部温度t
2k
进行预测矫正得到矫正优化后内部温度平均值；第二步：将矫正优化后表面温度平均值和矫正优化后内部温度平均值进行融合处理，得到融合温度，即为当前时刻tk反应釜反应过程温度。
5.该温度检测方法实现根据本公开的实施例的方法或过程。
6.在本公开的第二方面，提供了一种反应釜内反应过程温度检测装置，包括：反应物表面温度数据获取模块，用于实时采集反应釜内反应物表面温度数据t
1k
，反应物表面温度数据优化模块，用于对采集到的表面温度数据进行矫正优化处理得到优化值，反应物内部温度数据获取模块，用于实时采集反应釜内反应物内部温度数据t
2k
，
反应物内部温度数据优化模块，用于对采集到的内部温度数据进行矫正优化处理得到优化值；以及温度数据融合矫正模块，用于将优化后的表面温度数据和内部温度数据通过数据融合的方法得到更加接近反应物真实温度的温度值。
7.该温度检测装置实现根据本公开的实施例的方法或过程。
8.在本公开的第三方面，提供了一种反应釜反应过程温度的控制方法，包括以下步骤：采用上述的反应釜反应过程温度检测方法得到反应釜反应过程温度；判断所述反应釜反应过程温度是否在一个预设的温度范围内；当不在所述温度范围内时，判断所述反应釜反应过程温度与温度范围上限温度、下限温度的关系；其中，反应釜反应过程温度大于所述温度范围的上限温度，则对反应釜进行降温操作，反应釜反应过程温度小于所述温度范围的下限温度，则对反应釜进行升温操作。
9.该控制方法实现根据本公开的实施例的方法或过程。
10.在本公开的第四方面，提供了一种反应釜，其采用了上述的控制方法；所述反应釜包括釜体及用于收容换热介质的夹套，所述夹套设置在所述釜体外围用于使所述换热介质对所述釜体进行换热；所述釜体的内顶设置有热成像设备；所述釜体内设置有若干个接触式温度传感器；所述夹套的进出口处分别设置有进口温度传感器、出口温度传感器；所述夹套进口处设置有质量流量计；所述反应釜还包括换热器；换热器其中两个接口与夹套进出口连通，构成循环回路一；换热器另两个接口与冷介质源连通，构成循环回路二；加热器，设置在循环回路一上，用于对流经加热器的换热介质进行加热；冷却水阀门，设置在循环回路二上，用于控制冷介质流经换热器；以及控制器；所述控制器接收反应釜反应过程温度，对加热器及冷却水阀门进行控制；其中，反应釜反应过程温度大于所述温度范围的上限温度，则控制器将冷却水阀门打开、对反应釜进行降温；反应釜反应过程温度小于所述温度范围的下限温度，则控制器将加热器打开、对反应釜进行升温。
11.应当理解，本发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键特征或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其他特征将通过以下的描述将通过以下的描述而变得容易理解。
12.与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：本发明利用热成像技术采集反应物表面温度、又利用接触式温度传感器采集反应
物内部温度，并对采集到的表面温度和内部温度进行数据筛选，消除采集误差；再通过扩展卡尔曼滤波（ekf）消减掉因传感器误差以及外界干扰所造成的噪声影响；然后将两组矫正数据进行融合以得到更加精确的反应过程温度，保证了温度检测的准确性；这样依据的反应釜反应过程温度更加准确，可实现对反应釜反应过程的精准控制，保证反应过程效率及反应产物的品质。
附图说明
13.图1为现有技术方案流程图；图2为本发明中一种反应釜反应过程温度检测方法的流程图；图3为图2中温度检测方法具体应用于的一种反应釜结构图；图4为图2中热成像技术采集反应物表面温度数据的流程图；图5为图2中反应物表面温度数据进行ekf预测矫正的流程图；图6为图2中反应物内面温度数据进行ekf预测矫正的流程图；图7为本发明中一种反应釜反应过程温度控制方法的流程图；图8为图7中温度控制方法具体应用于的一种反应釜结构图。
14.附图中，各标号所代表的部件列表如下：1、热成像设备；2、接触式温度传感器；3、出口温度传感器；4、搅拌装置；5、夹套；6、釜体；7、进口温度传感器；8、质量流量计；9、换热器；10、循环泵；11、冷却水入口阀门；12、冷却水出口阀门；13、加热器；14、控制器。
15.以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
18.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
19.实施例1请参看图2、图3，图2为本实施例公开的一种反应釜反应过程温度检测方法的流程图，其应用于反应釜反应过程中。图3即为该温度检测方法实际应用于的一种反应釜结构图。
20.参看图3，反应釜包括釜体6及用于收容换热介质的夹套5；夹套5设在釜体6外围、
用于使换热介质对釜体6进行换热；釜体6的内顶装有热成像设备1，用于采集反应釜内反应物顶部的温度；釜体6内设有若干个接触式温度传感器2，用于获取反应物不同位置处的内部温度测量值；夹套5底部设有进口、顶部设有出口，其中夹套5进口装有进口温度传感器7、夹套5出口装有出口温度传感器3，用于获取夹套5的进口处的换热介质温度t
k进
和出口处的换热介质温度t
k出
；夹套5进口处还装有质量流量计8，用于获取进入夹套5的换热介质质量mk。
21.当然，热成像设备1也可以采用其他基于热成像技术的装置替换，但需保证能够查得其具体测量噪声即可。类似的，接触式温度传感器2具体型号不限制，也要保证能够获得其具体测量噪声。
22.参看图2，本实施例公开的一种反应釜反应过程温度检测方法，包括以下步骤：第一步：获取当前时刻tk所述反应釜内反应物表面的不同位置处的表面温度t
1k
，对所述表面温度t
1k
进行预测矫正得到矫正优化后表面温度平均值 ；获取当前时刻tk所述反应釜内反应物内部的不同位置处的内部温度t
2k
，对所述内部温度t
2k
进行预测矫正得到矫正优化后内部温度平均值；第二步：将矫正优化后表面温度平均值和矫正优化后内部温度平均值进行融合处理，得到融合温度，即为当前时刻tk反应釜反应过程温度。
23.下面先对第一步中关于表面温度的部分进行具体介绍：首先，参看图4，当前时刻tk所述反应釜内反应物表面的不同位置处的表面温度t
1k
的获取方法包括以下步骤：s101：利用热成像技术获取当前时刻tk时所述反应釜内反应物表面温度场分布图像；在本实施例的上述反应釜中，即采用热成像设备1获取表面温度场分布图像，并将图像保存为图片格式（例如jpg，png，img等）用于后续网格化划分。
24.s102：对所述图像按照像素级进行网格化划分，每个网格内所有像素点的温度数据取平均值作为该网格的温度数据；在本实施例中，像素级网格的尺寸可根据经验进行预设，网格内温度数据相互独立、且取平均后依然独立。
25.s103：将所有网格的温度数据进行正态分布，期望值为t
ik
、方差为，将期望值t
ik
作为当前时刻tk反应物表面温度记为t
1k
，并去除温度区间以外的温度数据；其中，i=0,1,2,
…
n；k=1,2,3
…
n。
26.这样，通过对热成像设备1采集的表面温度数据进行归纳整理、并进行筛选去除误差较大的坏网格温度数据，在数据采集阶段即有效消除了采集表面温度数据的误差。
27.然后，对所述表面温度t
1k
进行预测校正，即采用扩展卡尔曼滤波（ekf）进行预测矫正。这是由于热成像技术所用的测量传感器存在误差以及外界干扰因素影响，热成像设备1得到的数据也将产生一定程度的偏差，因此，参看图5，采用ekf对t
1k
进行预测校正，具体包括以下步骤：s104，获取当前时刻tk时，所述夹套5的进口处的换热介质温度t
k进
和出口处的换热介质温度t
k出
，温差为以及上一时刻t
k-1
温差为；还获取在当前时刻tk时，进入所述
夹套5的换热介质质量mk以及上一时刻t
k-1
的换热介质质量m
k-1
。
28.s105，建立当前时刻tk表面温度数据的预测方程为：；其中，u
k-1
为上一时刻t
k-1
的获取值，；c
pc
为夹套5内换热介质比热容；m为反应物质量；c
pr
为反应物比热容；gk为当前时刻tk换热介质流量；为当前时刻tk网格温度先验预测值，为上一时刻t
k-1
网格温度后验估计值，w
i（k-1）
为上一时刻t
k-1
的过程噪声；上述的预测方程建立基于以下理论：根据单位时间内釜体6内反应物和夹套5内换热介质之间的热平衡建立预测方程：假设单位时间区间为[k,k-1]（k=1,2,3
…
n），令釜体6内和夹套5内单位时间变化热量为q
1k
和q
2k
，其中q
1k
=mc
pr dt、 。因为q
1k
=q
2k
，得到即；即在单位时间区间内即；其中，tk为当前时刻tk的反应物表面温度；t
k-1
为上一时刻t
k-1
的反应物表面温度。
[0029]
由于扩展卡尔曼滤波中当前时刻值只与上一时刻值有关，因此利用热成像设备1采集温度数据的预测方程为。
[0030]
s106，根据当前时刻网格温度数据的期望值t
ik
，构建网格温度观测方程z
ik
：；其中v
ik
为当前时刻tk的热成像技术获取存在的测量噪声，在本实施例中即为热成像设备1的测量噪声。
[0031]
s107，对网格中反应物表面温度进行先验估计：；要注意的是，在进行先验估计算时不考虑噪声的影响，过程噪声w为0，因此在先验估计算中不体现。
[0032]
s108，计算一类协方差：；
其中，a
i(k-1)
为上一时刻t
k-1
进行线性化得到的雅可比矩阵：，即对在，u
k-1
处求偏导；并在此时引入扩展卡尔曼滤波的过程噪声，即为扩展卡尔曼滤波过程噪声，wk是当前步过程噪声，q是过程噪声w的协方差矩阵、为常数。
[0033]
s109，计算增益系数k
ik
：；其中h为观测方程z
ik
的系数矩阵；并在此时引入扩展卡尔曼滤波的测量噪声，即vkrv
kt
为扩展卡尔曼滤波测量噪声，vk是当前步测量噪声，r为测量噪声v的协方差矩阵、为常数。
[0034]
s110，对网格中反应物表面温度进行后验估计：；其中为反应物表面温度后验估计值；要注意的是，在进行后验估计时同样不考虑噪声影响，因此测量噪声v为0。
[0035]
s111，更新一类协方差：其中p
ik
为当前时刻tk网格温度的先验协方差矩阵，为当前时刻tk网格温度的后验协方差矩阵，i为单位矩阵；s112，将全部网格温度数据的后验估计值取平均值，作为矫正优化后表面温度平均值。
[0036]
下面再对第一步中关于内部温度的部分进行具体介绍：与表面温度的操作相似，内部温度测量采用多点测量、也进行矫正优化。
[0037]
需要说明的是，内部温度测量是在釜体6内布置了多处接触式温度传感器2、以获取不同位置处的内部温度。具体的，接触式温度传感器2可以直接通过固定架置于釜体6内，该种方式整体拆装方便。也可如本实施例中，在釜体6内装上搅拌装置4，也可为接触式温度传感器2提供不同位置的安装点，将接触式温度传感器2均匀布置在搅拌装置4上即可。
[0038]
首先，当前时刻tk所述反应釜内反应物内部的不同位置处的内部温度t
2k
的获取方法包括以下步骤：s201：获取当前时刻tk所述反应釜内反应物内部的不同位置处的温度数据；采用独立的接触式温度传感器2，这样获得不同位置处的温度数据也是相互独立的。
[0039] s202：将所有位置的温度数据进行正态分布，期望值为t
jk
，方差为，将期望值
t
jk
作为当前时刻tk反应物内部温度记为t
2k
，并去除温度区间以外的温度数据；其中，j=0,1,2,
…
n；k=1,2,3
…
n；这样，通过对接触式温度传感器2采集的内部温度数据进行归纳整理、并进行筛选去除误差较大的坏位置温度数据，在数据采集阶段即有效消除采集内部温度数据的误差。
[0040]
接着，对所述内部温度t
2k
进行预测校正，即采用扩展卡尔曼滤波（ekf）进行预测矫正。原因与表面温度测量类似，接触式温度传感器2存在误差以及外界干扰因素影响，接触式温度传感器2得到的数据也将产生一定程度的偏差。参看图6，采用ekf对t
2k
进行预测校正包括以下步骤：s203，获取当前时刻tk时，所述夹套5的进口处的换热介质温度t
k进
和出口处的换热介质温度t
k出
，温差为以及上一时刻t
k-1
温差为；还获取在当前时刻tk时，进入所述夹套5的换热介质质量mk以及上一时刻t
k-1
的换热介质质量m
k-1
；s204，建立当前时刻tk内部温度数据的预测方程为：；其中，u
k-1
为上一时刻的获取值，；c
pc
为夹套5内换热介质比热容；m为反应物质量；c
pr
为反应物比热容；gk为当前时刻tk换热介质流量；为当前时刻tk各个位置的接触式温度传感器2温度先验预测值，为上一时刻t
k-1
各个位置的接触式温度传感器2温度后验估计值，w
i（k-1）
为上一时刻的过程噪声；上述的预测方程建立的过程与相同。
[0041] s205，根据当前时刻tk各个位置接触式温度传感器2期望值t
jk
，构建接触式温度传感器2温度观测方程z
jk
：；其中v
jk
为当前时刻tk各个位置的接触式温度传感器2采样测量噪声；s206，对各个位置反应物内部温度进行先验估计：；要注意的是，在进行先验估计算时不考虑噪声的影响，过程噪声w为0，因此在先验估计算中不体现。
[0042]
s207，计算二类协方差：；
其中，a
j(k-1)
为上一时刻t
k-1
进行线性化得到的雅可比矩阵：，即对在，u
k-1
处求偏导；并在此时引入扩展卡尔曼滤波的过程噪声，即为扩展卡尔曼滤波过程噪声，wk是当前步过程噪声，q是过程噪声w的协方差矩阵、为常数；s208，计算增益系数k
jk
： ；其中h为观测方程z
jk
的系数矩阵；并在此时引入扩展卡尔曼滤波的测量噪声，即vkrv
kt
为扩展卡尔曼滤波测量噪声，vk是当前步测量噪声，r为测量噪声v的协方差矩阵、为常数；s209，对各个位置反应物内部温度进行后验估计：；其中为各个位置接触式温度传感器2采集的反应物内部温度后验估计值；要注意的是，在进行后验估计时同样不考虑噪声影响，因此测量噪声v为0。
[0043]
s210，更新二类协方差：；其中p
jk
为当前时刻tk各个位置接触式温度传感器2先验协方差矩阵，为当前时刻tk各个位置接触式温度传感器2后验协方差矩阵，i为单位矩阵；s211，将各个位置的接触式温度传感器2后验估计值取平均值，作为矫正优化后内部温度平均值。
[0044]
需要说明的是，第一步中表面温度部分、内部温度部分前后顺序不限定，也可同步进行。
[0045]
完成第一步后，再进行第二步，下面对第二步进行具体介绍：将t
1k
与进行比较，得到和t
1k
的偏差为；将t
2k
与进行比较，得到和t
2k
的偏差为；融合温度，即为当前时刻tk反应釜反应过程温度。
[0046]
其中，和分别为和的加权因子，和。
[0047]
需要强调的是，加权因子、根据和设计、并与和均存在自适应关联，可实时根据、而变化，相对于现有的取定值、或取预设值计算，本实施例的加权因子根据能够反映出温度内在关系，以缩小融合温度的误差。
[0048]
并且，现有技术中对于反应釜的温度表征大多就是像图1那样简单获取表面温度，并未考虑到内部温度及其影响，因此，发明人提出将获取的表面温度、内部温度经过处理后再进行上述方式的融合是不容易想到的。
[0049]
实施例2本实施例公开了一种反应釜内反应过程温度检测装置，包括反应物表面温度数据获取模块、反应物表面温度数据优化模块、反应物内部温度数据获取模块、反应物内部温度数据优化模块、以及温度数据融合矫正模块；其中，反应物表面温度数据获取模块用于实时采集反应釜内反应物表面温度数据t
1k
，t
1k
即为实施例1中反应釜反应过程温度检测方法中的期望值t
ik
；反应物表面温度数据优化模块用于对采集到的表面温度数据t
1k
进行矫正优化处理得到优化值，而对采集到的表面温度数据t
1k
进行矫正优化处理采用如实施例1中反应釜反应过程温度检测方法中的对所述表面温度t
1k
采用扩展卡尔曼滤波进行预测矫正的方法；反应物内部温度数据获取模块用于实时采集反应釜内反应物内部温度数据t
2k
，t
2k
为实施例1中反应釜反应过程温度检测方法中的期望值t
jk
；反应物内部温度数据优化模块用于对采集到的内部温度数据t
2k
进行矫正优化处理得到优化值，而对采集到的内部温度数据t
2k
进行矫正优化处理采用实施例1中反应釜反应过程温度检测方法中的对所述内部温度t
2k
采用扩展卡尔曼滤波进行预测矫正的方法；温度数据融合矫正模块用于将优化后的表面温度数据和内部温度数据通过数据融合的方法得到更加接近反应物真实温度的温度值，而数据融合的方法采用实施例1中反应釜反应过程温度检测方法中的融合处理的方法。
[0050]
本实施例所公开的反应釜内反应过程温度检测装置，利用热成像技术采集反应物表面温度、利用接触式温度传感器2采集反应物内部温度，并对采集到的表面温度和内部温度进行数据筛选，消除采集误差；再通过扩展卡尔曼滤波（ekf）消减掉因传感器误差以及外界干扰所造成的噪声影响；然后将两组矫正数据进行融合以得到更加精确的反应过程温度，保证了温度检测的准确性。
[0051]
实施例3参看图7，本实施例公开了一种反应釜反应过程温度的控制方法，包括以下步骤：采用实施例1中的反应釜反应过程温度检测方法得到反应釜反应过程温度；判断所述反应釜反应过程温度是否在一个预设的温度范围内；当不在所述温度范围内时，判断所述反应釜反应过程温度与温度范围上限温度、下限温度的关系；其中，反应釜反应过程温度大于所述温度范围的上限温度，则对反应釜进行降温操作，反应釜反应过程温度小于所述温度范围的下限温度，则对反应釜进行升温操作。
[0052]
图8即为该控制方法实际应用于的一种反应釜结构图。本实施例还公开了一种反应釜，其采用了上述的控制方法；所述反应釜包括釜体6及用于收容换热介质的夹套5，所述夹套5设置在所述釜体6外围用于使所述换热介质对所述釜体6进行换热；所述釜体6的内顶设置有热成像设备1；所述釜体6内设置有若干个接触式温度传感器2；所述夹套5的进出口处分别设置有进口温度传感器7、出口温度传感器8；所述夹套5进口处设置有质量流量计8；即在实施例1中反应釜的基础上，还设置了换热器9、加热器13、冷却水控制阀门以及控制器14；换热器9的热介质进口与夹套5的出口通过一号管连接，换热器9的热介质出口与夹套5的进口通过二号管连接，构成循环回路一。二号管上装有循环泵10，加热器13装在一号管上、用于对流经加热器13的换热介质进行加热。
[0053]
换热器9的冷介质进口通过三号管、冷介质出口通过四号管与冷介质源（例如自来水）连通，也构成循环回路二。冷却水控制阀门包括冷却水入口阀门11、冷却水出口阀门12，冷却水入口阀门11装在三号管上，冷却水出口阀门12装在四号管上，两个阀门用于控制冷介质流经换热器9。
[0054]
控制器14接收反应釜反应过程温度，对加热器13、冷却水控制阀门进行控制。
[0055]
具体的，反应釜反应过程温度大于所述温度范围的上限温度，则控制器14将冷却水入口阀门11、冷却水出口阀门12打开，冷介质流经换热器9并对流经换热器9的换热介质降温，从而使流回夹套5的换热介质温度降低，对反应釜进行降温，反应釜反应过程温度小于所述温度范围的下限温度，则控制器14将加热器13打开，将流出夹套5的换热介质加热，使其重新流回夹套5时温度增加，对反应釜进行升温。
[0056]
上述设计也可采用恒温槽替换，将夹套5进出口与恒温槽的进出口连接；根据反应釜反应过程温度，控制器14直接调整恒温槽温度，从而对反应釜进行升温或降温。
[0057]
由于依据的反应釜反应过程温度更加准确，可实现对反应釜反应过程的精准控制，保证反应过程效率及反应产物的品质。
[0058]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0059]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。