本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)磁懸浮列車試驗運行參數(shù)測量技術(shù)，特別涉及一種液氮液位檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

與以電磁吸力和電磁斥力為基礎(chǔ)的電磁懸浮(EMS)和電動懸浮(EDS)技術(shù)相比，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)依靠高溫超導(dǎo)體塊材與外部磁場之間的磁通釘扎作用實現(xiàn)無源自穩(wěn)定懸浮。高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)通過將超導(dǎo)塊材浸泡在液氮中，使其溫度降低進入超導(dǎo)狀態(tài)，進入超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)塊材與外磁場作用可達到穩(wěn)定懸浮。該技術(shù)無需主動控制，且結(jié)構(gòu)簡單，因此已經(jīng)成為實用磁懸浮技術(shù)的理想選擇之一。

西南交通大學(xué)于2000年研制成功世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實驗車，此后開展的大量針對懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動方面的研究工作大大推進了高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的實用化發(fā)展。在進行上述研究工作中，需要對實際運行中的超導(dǎo)磁浮車運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，尤其是車載杜瓦內(nèi)的液氮余量。在整個列車運行過程中，必須保證超導(dǎo)體浸沒在液氮里面，避免發(fā)生失超現(xiàn)象。高溫超導(dǎo)體失超將導(dǎo)致列車失去懸浮力，和軌道發(fā)生摩擦甚至脫軌。

然而，由于車載杜瓦的金屬材質(zhì)和真空絕熱特性，無法用肉眼觀察容器內(nèi)的剩余液氮液位高度，所以必須使用合適的液位檢測方法對液氮液位進行檢測，判斷是否需要及時加注液氮。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中的液氮液位檢測方法只能進行靜態(tài)檢測。然而，在車輛實際運行過程中，車載杜瓦會以一定頻率隨車輛振動，其振動頻率受復(fù)雜的車輛運行情況影響，如加速、減速、過彎、上下坡、外部干擾等。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的檢測方法都難以保證較高的測量精度，所以有必要使用一種新的液氮液位檢測方法對車載杜瓦液氮液位進行準確的檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種液氮液位檢測方法及裝置，從而可以對灌注液氮的容器的液氮液位進行準確的檢測，很好的消除灌注液氮的容器(例如，高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車上的車載杜瓦)在運行過程中的振蕩干擾，得到更接近于真實值的液氮液位。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的：

一種液氮液位檢測方法，該方法包括如下步驟：

A、預(yù)先根據(jù)實際的實驗測量數(shù)據(jù)建立狀態(tài)空間模型，并生成包括一組分布特征滿足液位先驗概率分布的粒子的粒子集；

B、通過設(shè)置在灌注液氮的容器頂部的傳感器測量得到當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)；

C、根據(jù)所述狀態(tài)空間模型、粒子集和當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，計算得到當(dāng)前液面高度的估計值；

D、通過粒子濾波算法對計算得到的當(dāng)前液面高度的估計值進行修正，得到修正后的當(dāng)前液面高度的估計值。

較佳的，該方法還進一步包括：

E、當(dāng)當(dāng)前采樣點不是最后一個采樣點時，根據(jù)修正后的當(dāng)前液面高度的估計值對粒子集進行重采樣和加權(quán)，返回執(zhí)行步驟B；當(dāng)當(dāng)前采樣點為最后一個采樣點時，則結(jié)束流程。

較佳的，所述預(yù)先根據(jù)實際的實驗測量數(shù)據(jù)建立狀態(tài)空間模型包括：

根據(jù)不同工況下靜態(tài)蒸發(fā)實驗的液氮蒸發(fā)特征數(shù)據(jù)，得到液氮蒸發(fā)經(jīng)驗公式，并根據(jù)液氮蒸發(fā)經(jīng)驗公式建立系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程；

對灌注液氮的容器進行模擬振蕩試驗和實測振蕩試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計測試噪聲分布模型，建立系統(tǒng)觀測方程；

根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)觀測方程建立狀態(tài)空間模型。

較佳的，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

h_k＝h_k-1+Δh+ξ_k-1；

其中，h為設(shè)置在灌注液氮的容器頂部的傳感器到容器內(nèi)的液氮液面的距離，腳標k和k－1分別示不同時間的變量序列；Δh為液氮液面的下降速度，ξ_k-1為系統(tǒng)噪聲。

較佳的，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

T_k＝T_LN+a·h_k+η_k

其中，T_k為設(shè)置在灌注液氮的容器頂部的傳感器在第k個時刻所測得的溫度，T_LN為液氮溫度，a為溫度分布系數(shù)，η_k為觀測噪聲。

較佳的，所述設(shè)置在灌注液氮的容器頂部的傳感器為鉑電阻溫度傳感器。

本發(fā)明還提供了一種液氮液位檢測裝置，該裝置包括：至少兩個傳感器、信號采集單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元、液面高度估計單元和存儲器；

所述傳感器分別設(shè)置在灌注液氮的容器內(nèi)的頂部和底部；

信號采集單元，用于接收設(shè)置在灌注液氮的容器內(nèi)的頂部的傳感器測量得到當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，并將接收到的溫度數(shù)據(jù)存儲在存儲器中并發(fā)送給所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元；

所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元，用于將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給液面高度估計單元；

所述液面高度估計單元，用于預(yù)先根據(jù)實際的實驗測量數(shù)據(jù)建立狀態(tài)空間模型，并生成包括一組分布特征滿足液位先驗概率分布的粒子的粒子集；根據(jù)所述狀態(tài)空間模型、粒子集和當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，計算得到當(dāng)前液面高度的估計值；通過粒子濾波算法對計算得到的當(dāng)前液面高度的估計值進行修正，得到修正后的當(dāng)前液面高度的估計值，并顯示所述修正后的當(dāng)前液面高度的估計值；

所述存儲器，用于存儲溫度數(shù)據(jù)。

較佳的，所述液面高度估計單元，還用于當(dāng)當(dāng)前采樣點不是最后一個采樣點時，根據(jù)修正后的當(dāng)前液面高度的估計值對粒子集進行重采樣和加權(quán)，使用重采樣后的粒子集結(jié)合傳感器測量得到的下一時刻的溫度數(shù)據(jù)，估計下一時刻的當(dāng)前液面高度的估計值，直到對最后一個采樣點完成上述操作。

較佳的，所述傳感器為鉑電阻溫度傳感器。

較佳的，所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元為無線傳輸裝置或有線傳輸裝置。

如上可見，在本發(fā)明所提供的液氮液位檢測方法及裝置中，由于使用溫度傳感器作為測溫元件測量灌注液氮的容器內(nèi)的溫度變化情況，將粒子濾波算法應(yīng)用到液氮液位狀態(tài)估計之中，從而可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車上的車載杜瓦)在運行過程中的振蕩干擾，對灌注液氮的容器的液氮液位進行準確的檢測，得到更接近于真實值的液氮液位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中的液氮液位檢測方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明一個具體實施例中的液氮液位檢測方法的流程示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例中的液氮液位檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。

如果在灌注液氮的容器(例如，車載杜瓦)的頂部和底部分別設(shè)置兩個溫度傳感器(例如，在車載杜瓦的頂部設(shè)置第一溫度傳感器Sensor1，用于檢測液氮液位變化；在車載杜瓦的底部設(shè)置第二溫度傳感器Sensor2，用于限值報警，一旦位于底部的Sensor2溫度高于預(yù)設(shè)閾值，則系統(tǒng)進行緊急制動并報警)，則根據(jù)所做靜態(tài)蒸發(fā)實驗測得數(shù)據(jù)可知，灌注液氮的容器內(nèi)的液氮液位隨液氮蒸發(fā)而逐漸降低，同時Sensor1測得的溫度會隨之升高；并且，液氮液位的降低隨時間變化基本呈線性關(guān)系，Sensor1所測得的溫度隨液位降低也呈線性變化。但是，由于在運行過程中列車的車身會發(fā)生振動，灌注液氮的容器的液氮也會隨之產(chǎn)生一定頻率的振蕩，因此此時Sensor1所測得的溫度并不是線性變化，而是存在大幅度的抖動干擾，因此無法直接由測得溫度根據(jù)經(jīng)驗公式直接得出液氮液位。

所以，在本發(fā)明的具體實施例中，提供了一種液氮液位檢測方法及裝置，從而可以對灌注液氮的容器的液氮液位進行準確的檢測，很好的消除灌注液氮的容器(例如，高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車上的車載杜瓦)在運行過程中的振蕩干擾，得到更接近于真實值的液氮液位。

圖1為本發(fā)明實施例中的液氮液位檢測方法的流程示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實施例中的液氮液位檢測方法主要包括如下所述的步驟：

步驟11，預(yù)先根據(jù)實際的實驗測量數(shù)據(jù)建立狀態(tài)空間模型，并進行粒子集初始化，即生成包括一組分布特征滿足液位先驗概率分布的粒子的粒子集。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，在進行當(dāng)前液面高度的估計之前，需要預(yù)先建立一個狀態(tài)空間模型，并生成包括一組分布特征滿足液位先驗概率分布的粒子的粒子集，即進行粒子集初始化。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以有多種具體實現(xiàn)方式來實現(xiàn)上述的步驟11。以下將以其中的一種具體實現(xiàn)方式為例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細的介紹。

例如，較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述預(yù)先根據(jù)實際的實驗測量數(shù)據(jù)建立狀態(tài)空間模型包括：

步驟21，預(yù)先根據(jù)不同工況下(例如，不同環(huán)境溫度、不同容器)靜態(tài)蒸發(fā)實驗的液氮蒸發(fā)特征數(shù)據(jù)，得到液氮蒸發(fā)經(jīng)驗公式，并根據(jù)液氮蒸發(fā)經(jīng)驗公式建立系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。

步驟22，預(yù)先對灌注液氮的容器(例如，車載杜瓦)進行模擬振蕩試驗和實測振蕩試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計測試噪聲分布模型，建立系統(tǒng)觀測方程。

步驟23，根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)觀測方程建立狀態(tài)空間模型。

另外，較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程可以是：

h_k＝h_k-1+Δh+ξ_k-1

其中，h為設(shè)置在灌注液氮的容器(例如，車載杜瓦)頂部的溫度傳感器到容器內(nèi)的液氮液面的距離，腳標k和k－1分別示不同時間的變量序列，即表示不同時刻，例如，h_k表示第k個時刻的h的值，h_k-1表示第(k－1)個時刻的h的值；Δh為液氮液面的下降速度，ξ_k-1為系統(tǒng)噪聲。

另外，較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程可以是：

T_k＝T_LN+a·h_k+η_k

其中，T_k為設(shè)置在灌注液氮的容器(例如，車載杜瓦)頂部的溫度傳感器在第k個時刻所測得的溫度，T_LN為液氮溫度，a為溫度分布系數(shù)，η_k為觀測噪聲。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以基于液氮蒸發(fā)在近似環(huán)境下基本呈線性的特點，建立包含干擾噪聲和線性變量的液氮液位變化模型(即狀態(tài)空間模型)，從而可以根據(jù)狀態(tài)空間模型完成對液位的預(yù)測。

因此，通過上述的步驟21～23，根據(jù)上述的所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)觀測方程，即可建立狀態(tài)空間模型。當(dāng)然，所述狀態(tài)空間模型中的各種參數(shù)的取值(例如，杜瓦尺寸、環(huán)境溫度等)可能會根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境的變化而變化，在此不再贅述。

另外，較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，在進行粒子集的初始化時，所述粒子集中的各個粒子是根據(jù)液位先驗概率分布生成的，因此所述粒子集中的各個粒子的分布特征滿足液位先驗概率分布。

較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以通過實際的實驗測量數(shù)據(jù)預(yù)先獲取液位先驗概率分布。

步驟12，通過設(shè)置在灌注液氮的容器頂部的傳感器測量得到當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)。

另外，較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述設(shè)置在灌注液氮的容器(例如，車載杜瓦)頂部的傳感器可以是鉑電阻溫度傳感器，也可以是其它的溫度傳感器。

步驟13，根據(jù)所述狀態(tài)空間模型、粒子集和當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，計算得到當(dāng)前液面高度的估計值。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，由于在步驟11中已經(jīng)建立狀態(tài)空間模型，并進行粒子集初始化，而在步驟12中測量得到了當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，因此在本步驟中，即可根據(jù)所述狀態(tài)空間模型、粒子集和當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，使用粒子濾波的方法計算得到當(dāng)前液面高度的估計值。

步驟14，通過粒子濾波算法對計算得到的當(dāng)前液面高度的估計值進行修正，得到修正后的當(dāng)前液面高度的估計值。

由于粒子濾波算法本身就是對偏差信號進行加權(quán)修正的一種方法，因此，在本步驟中，可以通過粒子濾波算法對計算得到的當(dāng)前液面高度的估計值進行修正，得到修正后的當(dāng)前液面高度的估計值。

通過上述的步驟11～14，即可修正后的當(dāng)前液面高度的估計值，從而得到精度較高的實時液面高度。因此，通過上述的液氮液位檢測方法，可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車上的車載杜瓦)在運行過程中的振蕩干擾，對灌注液氮的容器的液氮液位進行準確的檢測，得到更接近于真實值的液氮液位。

另外，圖2為本發(fā)明一個具體實施例中的液氮液位檢測方法的流程示意圖。較佳的，如圖2所示，在本發(fā)明的具體實施例中，上述步驟14之后還可以進一步包括：

步驟15，當(dāng)當(dāng)前采樣點不是最后一個采樣點時，根據(jù)修正后的當(dāng)前液面高度的估計值對粒子集進行重采樣和加權(quán)，返回執(zhí)行步驟12；當(dāng)當(dāng)前采樣點為最后一個采樣點時，則結(jié)束流程。

在本步驟中，將根據(jù)修正后的當(dāng)前液面高度的估計值對粒子集進行重采樣和加權(quán)(即根據(jù)修正后的當(dāng)前液面高度的估計值對粒子集進行篩選，例如，可以通過加權(quán)的方式使得小概率事件的粒子的權(quán)重小，從而降低小概率事件的粒子對最后結(jié)果的影響)，對粒子集進行更新，然后再返回執(zhí)行步驟12，進行下一個時間點采樣，即使用重采樣后的粒子集結(jié)合傳感器測量得到的下一時刻的溫度數(shù)據(jù)，估計下一時刻的當(dāng)前液面高度的估計值。依此類推，每更新一次粒子集，就重新計算一次，得到一個當(dāng)前液面高度的估計值，直到對最后一個采樣點完成上述操作，即對所有采樣點完成計算，從而可以對液面高度進行實時而精確的監(jiān)測，達到實時檢測液面高度的目的。

另外，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，還提出了一種液氮液位檢測裝置。

圖3為本發(fā)明實施例中的液氮液位檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本發(fā)明實施例中的液氮液位檢測裝置主要包括：至少兩個傳感器31、信號采集單元32、數(shù)據(jù)發(fā)送單元33、液面高度估計單元34和存儲器35；

所述傳感器31分別設(shè)置在灌注液氮的容器內(nèi)的頂部和底部；

信號采集單元32，用于接收設(shè)置在灌注液氮的容器內(nèi)的頂部的傳感器31測量得到當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，并將接收到的溫度數(shù)據(jù)存儲在存儲器35中并發(fā)送給所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元33；

所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元33，用于將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給液面高度估計單元34；

所述液面高度估計單元34，用于預(yù)先根據(jù)實際的實驗測量數(shù)據(jù)建立狀態(tài)空間模型，并生成包括一組分布特征滿足液位先驗概率分布的粒子的粒子集；根據(jù)所述狀態(tài)空間模型、粒子集和當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，計算得到當(dāng)前液面高度的估計值；通過粒子濾波算法對計算得到的當(dāng)前液面高度的估計值進行修正，得到修正后的當(dāng)前液面高度的估計值，并顯示所述修正后的當(dāng)前液面高度的估計值；

所述存儲器35，用于存儲溫度數(shù)據(jù)。

較佳的，在本發(fā)明的具體實施例中，所述液面高度估計單元34，還用于當(dāng)當(dāng)前采樣點不是最后一個采樣點時，根據(jù)修正后的當(dāng)前液面高度的估計值對粒子集進行重采樣和加權(quán)，從而可以使用重采樣后的粒子集結(jié)合傳感器測量得到的下一時刻的溫度數(shù)據(jù)，估計下一時刻的當(dāng)前液面高度的估計值，直到對最后一個采樣點完成上述操作，即對所有采樣點完成計算，從而可以對液面高度進行實時而精確的監(jiān)測，達到實時檢測液面高度的目的。

較佳的，在本發(fā)明的具體實施例中，所述傳感器31為鉑電阻溫度傳感器。相對于鉑電阻液位計，本發(fā)明中所使用的鉑電阻溫度傳感器的數(shù)量可以更少，而且性能更穩(wěn)定、測量精度更高。

較佳的，在本發(fā)明的具體實施例中，所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元33可以是無線傳輸裝置，也可以是有線傳輸裝置，本發(fā)明中對此并不進行限定。

較佳的，在本發(fā)明的具體實施例中，所述液面高度估計單元可以是個人電腦、服務(wù)器或其它形式的計算機等計算設(shè)備。

綜上可知，在本發(fā)明中的液氮液位檢測方法及裝置，由于使用溫度傳感器作為測溫元件測量灌注液氮的容器內(nèi)的溫度變化情況，將粒子濾波算法應(yīng)用到液氮液位狀態(tài)估計之中，從而可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車上的車載杜瓦)在運行過程中的振蕩干擾，對灌注液氮的容器的液氮液位進行準確的檢測，得到更接近于真實值的液氮液位。

另外，本發(fā)明中的液氮液位檢測方法及裝置可適用于強磁場環(huán)境下，可滿足高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)杜瓦內(nèi)液氮液位檢測的實際需求。

例如，在對高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)杜瓦內(nèi)的液氮液位進行具體的實際檢測實驗時，計算得到的結(jié)果是：傳感器距液面距離為38mm；而實測的傳感器距液面的距離為37mm，因此，上述液位檢測的精度完全可以滿足實際測量的需求。

此外，通過實際檢測實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)傳感器剛剛離開液氮液面時，由于溫度變化不明顯，因此在液氮液面上方有一個3mm左右的溫度不敏感區(qū)，突破該區(qū)域后即可正常測溫。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。