CN118936591A - 主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发酵池黄水液位监测技术领域,具体公开了一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置及方法,属于发酵池黄水液位监测技术领域。该装置包括底部设置有测量筒的伸缩液位探测装置,所述伸缩液位探测装置包括可延伸进测量筒的伸缩机构;所述伸缩机构上设置有可随伸缩机构升降的液位传感器,使得当液位传感器探测到旁通管内的黄水液位后,可在伸缩机构的驱动下上升m毫米;当液位传感器在时间阈值内检测不到黄水液位时,液位传感器在伸缩机构的驱动下降,直到液位传感器检测到黄水液位。本发明能够适应黄水液位的增长,实现持续监测的目的。相较于现有技术中通过分段抽取的监测方式,显然本发明的方案更精确更具备实时性。
Description
技术领域
本发明属于发酵池黄水液位监测技术领域,尤其涉及一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置及方法。
背景技术
酒醅在入窖发酵的过程当中,不仅会产生二氧化碳,同时淀粉也会由糖变成酒,单位酒醅的质量相对减少,结晶水游离出来,原料中的可溶性淀粉,单宁,酵母自溶物,色素,还原糖等溶在水中沉入窖底而形成黄水。在窖内,黄水浸没的酒醅,水分都在62%以上。不利于蒸馏,对下排发酵造成很不好的影响,酸度过高,酿酒微生物生长繁殖受到抑制,不能正常发酵。因此,能否及时准确的监测黄水的液位,对于酿酒来说至关重要。
现有的通用式液位传感器例如投入式液位传感器、浮子式液位传感器,在黄水中含有黏滞物质时,黏滞物质易附着在传感器的测量部件上,导致测量不准确,且存在堵塞问题,影响测量效果,维护不方便。而超声波、毫米波、激光TOF(飞行时间)液位传感器由于发射角度的限制以及多路径干扰,无法实现在小孔径大长度管道内的液位测量。
中国专利申请CN202210589541.7公开了一种窖内发酵进程的检测方法,糟醅入窖前在泥窖窖底部与侧壁1/3高度之间安装数根抽水管,数根抽水管的抽水口在泥浆窖内的高度不同;糟醅入窖后,不同发酵时期从不同高度抽水口抽取泥窖窖内的黄水,通过不同抽水口的黄水抽取情况判定黄水液位实时高度范围。
上述现有技术中,通过设置不同高度的抽水管并从抽取情况判断黄水液位实时高度范围。在实际使用中发现,上述液位检测方法的精度较低,只能大致判断一个高度范围,不能确切的获取液位的高度。并且在检测过程中,需要不断的抽取黄水,导致工作量较大。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置及方法,能够对发酵池内的黄水液位进行持续的精确监测。
为解决以上技术问题,本发明的技术方案为采用一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,包括底部设置有测量筒的伸缩液位探测装置,所述伸缩液位探测装置包括可延伸进测量筒的伸缩机构;所述伸缩机构上设置有可随伸缩机构升降的液位传感器,使得当液位传感器探测到旁通管内的黄水液位后,可在伸缩机构的驱动下上升m毫米;当液位传感器在时间阈值内检测不到黄水液位时,液位传感器在伸缩机构的驱动下降,直到液位传感器检测到黄水液位。
作为一种改进,所述液位传感器为单个,设置在伸缩机构的下端。
作为一种进一步的改进,所述液位传感器包括具有高度差的上限位液位传感器和下限位液位传感器;所述上限位液位传感器和下限位液位传感器之间的高度差为m毫米;当下限位液位传感器检测到黄水液位后可将液位感应信号反馈,使得上限位液位传感器进入准备状态,当上限位液位传感器在准备状态中检测到黄水液位后,液位传感器可在伸缩机构的驱动下上升m毫米使得下限液位传感器正好与黄水液面齐平。
作为另一种更进一步的改进,还包括显示屏,所述显示屏用于显示液位传感器感应到的黄水液位高度。
作为一种改进,所述液位传感器为浮筒式液位传感器、浮球式液位传感器以及静压式液位传感器中的一种;所述伸缩机构为电动推杆。
作为一种改进,所述测量筒插入发酵池或者插入与发酵池连通的旁通管内进行黄水液位检测。
本发明还提供一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的方法,应用于上述主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,包括:
采集当前时间之前若干次检测到黄水液位的时间以及高度;
以最远的一次检测的时间作为0点时间,高度作为0点高度,计算每个检测与最远一次检测的时间差和高度差;
拟合以时间差为自变量,高度差为因变量的二次函数;
求解二次函数的系数,并利用所述二次函数预测下一次黄水液面到达液位传感器高度的时间;
根据预测的时间设定时间阈值;
若液位传感器在时间阈值内未检测到黄水液面,则驱动液位传感器下降,直到液位传感器检测到黄水液位。
作为一种改进,所述二次函数为:
L=a0t2+a1t+a2;
其中,L为高度,t为时间,a0、a1、a2为系数;
当目标函数:
;
为最小值时,二次函数的预测结果最精确;其中Li第i次检测的高度差,为二次函数预测的结果,为第i次检测的权重,n为当前检测的序号。
作为一种改进,求解系数的方法包括:
构建模型;
利用加权最小二乘法求解系数a,具体为:
;
其中,Lg为高度差矩阵,a为系数,为时间矩阵的转置,W为权重向量矩阵,S为时间矩阵。
作为一种改进,采集当前时间之前5次检测到黄水液位的时间以及高度,设每次检测与最远一次检测之间的时间差和高度差分别为(,),(,),(,),(,),(,);其中,tn-4~tn分别为前5次检测的时间差,Ln-4~Ln分别为前五次检测的高度差;,,,,分别为5次检测的权重;
所述时间矩阵S为:
;
构建的对角权重向量矩阵W为:
;
构建的高度差矩阵Lg为:
。
本发明的有益之处在于:
具有上述结构的黄水液位检测装置,旁通管能够保证其液位与发酵池内的液位一致,使得通过检测旁通管内的液位即可获取到发酵池内的黄水液位,避免在发酵池内直接检测带来的不便。液位传感器在第一次检测到黄水液面高度后,即进入循环:检测-上升-检测的过程,从而能够适应黄水液位的增长,实现持续监测的目的。相较于现有技术中通过分段抽取的监测方式,显然本发明的方案更精确更具备实时性。
另外,由于黄水液位在一些异常情况下也会下降或者不增长,如果液位传感器仅能上升的话,此情况下就会出现长时间无法更新数据,导致监测异常。因此在本发明中还设置有液位传感器主动下探的策略,当液位传感器在阈值时间内没有检测到黄水液面,就有可能黄水液面有下降的趋势。此时液位传感器主动下探寻找黄水液面,保证数据的连续性。同时还能及时将液面下降的问题上报,通过人工进行问题的查找,从而起到了很好的预警作用。
附图说明
图1为伸缩液位探测装置的一种实施例。
图2为伸缩液位探测装置的另一种实施例。
图3为本发明一种使用方式的示意图。
图4为本发明另一种使用方式的示意图。
图中标记:1伸缩液位探测装置、2旁通管、11液位传感器、12伸缩机构、13显示屏、100发酵池、111上限位液位传感器、112下限位液位传感器。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示,本发明提供一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,包括底部设置有测量筒的14的伸缩液位探测装置1;所述伸缩液位探测装置1包括可延伸进测量筒14的伸缩机构12;所述伸缩机构12上设置有可随伸缩机构12升降的液位传感器11,使得当液位传感器11探测到旁通管2内的黄水液位后,可在伸缩机构12的驱动下上升m毫米;当液位传感器11在时间阈值内检测不到黄水液位时,液位传感器11在伸缩机构12的驱动下降,直到液位传感器11检测到黄水液位。
旁通管2能够保证其液位与发酵池100内的液位一致,使得通过检测旁通管2内的液位即可获取到发酵池100内的黄水液位,避免在发酵池100内直接检测带来的不便。
液位传感器11在第一次检测到黄水液面高度后,即进入循环:检测-上升-检测的过程,从而能够适应黄水液位的增长,实现持续监测的目的。相较于现有技术中通过分段抽取的监测方式,显然本发明的方案更精确更具备实时性。
另外,由于黄水液位在一些异常情况下也会下降或者不增长,如果液位传感器仅能上升的话,此情况下就会出现长时间无法更新数据,导致监测异常。因此在本发明中还设置有液位传感器主动下探的策略,当液位传感器在阈值时间内没有检测到黄水液面,就有可能黄水液面有下降的趋势。此时液位传感器主动下探寻找黄水液面,保证数据的连续性。同时还能及时将液面下降的问题上报,通过人工进行问题的查找,从而起到了很好的预警作用。
伸缩机构12上升的距离m毫米也可以根据检测精度的要求以及黄水液面增长的速度进行适应性调整,只要其上升的高度和频率大于液面上升的速度即可,保证监测的有效性。
为了方便控制,本实施例中还可以包括控制器;所述控制器接收到来自液位传感器11的液位感应信号后,可向伸缩机构12下发上升m毫米的控制指令。
为了便于液位信息的实时展示,本实施例中还可以包括显示屏13,所述显示屏13用于显示液位传感器感应到的黄水液位高度。
如图1所示,在一些实施例中,液位传感器11为单个,设置在伸缩机构12的下端。当液位传感器11触碰到黄水液面时即会发出信号,控制器在接收到信号之后,会在显示屏13上显示出此时液位的实时高度,并且控制器会操控伸缩机构12向上收缩m毫米(一般为10~20毫米),以此来为下一次触碰液面,触发信号做准备,来实现液位的实时跟踪监测。
如图2所示,而在另一些实施例中,所述液位传感器11包括具有高度差的上限位液位传感器111和下限位液位传感器112;所述上限位液位传感器111和下限位液位传感器112之间的高度差为m毫米;当下限位液位传感器112检测到黄水液位后可将液位感应信号反馈,使得上限位液位传感器111进入准备状态,当上限位液位传感器111在准备状态中检测到黄水液位后,液位传感器11可在伸缩机构12的驱动下上升m毫米使得下限液位传感器112正好与黄水液面齐平。
在设置上限位液位传感器111和下限位液位传感器112的情况下,下限位液位传感器112可持续输出信号,保证检测的有效性,能够检测到黄水液面回落的情况。
本实施例中,液位传感器11选用浮筒式液位传感器、浮球式液位传感器以及静压式液位传感器中的一种。而伸缩机构12可选用电动推杆。
另外,测量筒14底部开口,可以利用不锈钢来制作。测量筒14的直径和尺寸可以根据具体工况进行调整。
如图3所示,在一些实施例中,可以将测量筒14插入与发酵池100连通的旁通管2内进行黄水液位检测。
所述旁通管2竖直设置,并与发酵池100底部连通,其内径为3~6厘米,高度为280~320厘米。旁通管2应当采用不透光的材料进行制作,避免光照分化黄水中的有益物质,影响酒的品质。
如图4所示,在未设置旁通管2的情况下,也可以直接将测量筒14插入发酵池100底部进行测量。
实施例二
本发明还提供一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的方法,应用于上述主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,包括:
S1采集当前时间之前若干次检测到黄水液位的时间以及高度。
本实施例中,以前五次为例,可以理解的是,采集之前的监测用于拟合二次函数,样本越多,拟合的精度越高。
S2以最远的一次检测的时间作为0点时间,高度作为0点高度,计算每个检测与最远一次检测的时间差和高度差。
具体地,采集当前时间之前5次检测到黄水液位的时间以及高度后,设每次检测与最远一次检测之间的时间差和高度差分别为(,),(,),(,),(,),(,);其中(,)分别设置的0点时间和0点高度。tn-4~tn分别为前5次检测的时间差,Ln-4~Ln分别为前五次检测的高度差;,,,,分别为5次检测的权重。可以理解的是正常情况下,时间越近的检测权重越高。
S3拟合以时间差为自变量,高度差为因变量的二次函数。
具体地,所述二次函数为:
L=a0t2+a1t+a2;
其中,L为高度,t为时间,a0、a1、a2为系数;
当目标函数:
;
为最小值时,二次函数的预测结果最精确;其中Li第i次检测的高度差,为二次函数预测的结果,为第i次检测的权重,n为当前检测的序号。
S4求解二次函数的系数,并利用所述二次函数预测下一次黄水液面到达液位传感器高度的时间。
本实施中,求解系数的方法包括:
构建模型;
利用加权最小二乘法求解系数a,具体为:
;
其中,Lg为高度差矩阵,a为系数,为时间矩阵的转置,W为权重向量矩阵,S为时间矩阵。
更为具体地,所述时间矩阵S为:
;
构建的对角权重向量矩阵W为:
;
构建的高度差矩阵Lg为:
。
求解出系数出a0、a1、a2后,二次函数拟合完毕。伸缩装置上升的高度m毫米是预设的,代入二次函数后即可求解出时间t,用于预测下一次液位传感器检测到黄水液面的时间。
S5根据预测的时间设定时间阈值。
如果模型预测准确的话,液位传感器应该在时间t检测到黄水液面,但时间上黄水液面为动态变化的,很难精确的被预测到,因此本实施例中设置了一个时间阈值,即时间t的1.5~2倍。
S6若液位传感器在时间阈值内未检测到黄水液面,则驱动液位传感器下降,直到液位传感器检测到黄水液位。
假如液位传感器在时间阈值内检测到的黄水液位,伸缩机构就正常运作即上升m毫米。而一旦超过阈值时间未检测到黄水液位,说明黄水出现了异常,又可能发生了特殊情况,此时液位传感器在伸缩机构的驱动下主动下降,直到感应到黄水液位为止,从而将当前黄水液位上报交人工处理。
当然,也可以设定一个下降高度阈值,当下降的高度超过阈值时,则报警,否则认为是正常波动继续按照设定的程序上升m毫米等待下一次检测。
主动下探的过程中检测到黄水液面的时间和高度作为数据被采集,从而将最近的五次检测数据作为数据集重新拟合二次函数用于预测下一次的时间,如此循环。
另外,对于上下设置的具有高度差的上限位液位传感器和下限位液位传感器原理相同。对于上限位液位传感器,若在时间阈值内检测不到黄水液面但下限位液位传感器检测到黄水液面信号,保持原有位置不动。若在时间阈值内检测不到黄水液面且下限位液位传感器也检测不到黄水液面信号,则主动下降直到下限位液位传感器检测到黄水液位。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于:包括底部设置有测量筒的伸缩液位探测装置,所述伸缩液位探测装置包括可延伸进测量筒的伸缩机构;所述伸缩机构上设置有可随伸缩机构升降的液位传感器,使得当液位传感器探测到旁通管内的黄水液位后,可在伸缩机构的驱动下上升m毫米;当液位传感器在时间阈值内检测不到黄水液位时,液位传感器在伸缩机构的驱动下降,直到液位传感器检测到黄水液位。
2.根据权利要求1所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于:所述液位传感器为单个,设置在伸缩机构的下端。
3.根据权利要求1所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于:所述液位传感器包括具有高度差的上限位液位传感器和下限位液位传感器;所述上限位液位传感器和下限位液位传感器之间的高度差为m毫米;当下限位液位传感器检测到黄水液位后可将液位感应信号反馈,使得上限位液位传感器进入准备状态,当上限位液位传感器在准备状态中检测到黄水液位后,液位传感器可在伸缩机构的驱动下上升m毫米使得下限液位传感器正好与黄水液面齐平。
4.根据权利要求1所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于:还包括显示屏,所述显示屏用于显示液位传感器感应到的黄水液位高度。
5.根据权利要求1所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于:所述液位传感器为浮筒式液位传感器、浮球式液位传感器以及静压式液位传感器中的一种;所述伸缩机构为电动推杆。
6.根据权利要求1所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于:所述测量筒插入发酵池或者插入与发酵池连通的旁通管内进行黄水液位检测。
7.一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的方法,应用于权利要求1~6中任意一项所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的装置,其特征在于包括:
采集当前时间之前若干次检测到黄水液位的时间以及高度;
以最远的一次检测的时间作为0点时间,高度作为0点高度,计算每个检测与最远一次检测的时间差和高度差;
拟合以时间差为自变量,高度差为因变量的二次函数;
求解二次函数的系数,并利用所述二次函数预测下一次黄水液面到达液位传感器高度的时间;
根据预测的时间设定时间阈值;
若液位传感器在时间阈值内未检测到黄水液面,则驱动液位传感器下降,直到液位传感器检测到黄水液位。
8.根据权利要求7所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的方法,其特征在于:所述二次函数为:
L=a0t2+a1t+a2;
其中,L为高度,t为时间,a0、a1、a2为系数;
其目标函数为:
;
其中Li第i次检测的高度差,为二次函数预测的结果,为第i次检测的权重,n为当前检测的序号。
9.根据权利要求8所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的方法,其特征在于求解系数的方法包括:
构建模型;
利用加权最小二乘法求解系数a,具体为:
;
其中,Lg为高度差矩阵,a为系数,为时间矩阵的转置,W为权重向量矩阵,S为时间矩阵。
10.根据权利要求9所述的一种主动式实时精准跟踪监测发酵池黄水液位的方法,其特征在于:
采集当前时间之前5次检测到黄水液位的时间以及高度,设每次检测与最远一次检测之间的时间差和高度差分别为(,),(,),(,),(,),(,);其中,tn-4~tn分别为前5次检测的时间差,Ln-4~Ln分别为前五次检测的高度差;,,,,分别为5次检测的权重;
所述时间矩阵S为:
;
构建的对角权重向量矩阵W为:
;
构建的高度差矩阵Lg为:
。
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