非接触在线测温方法、装置、系统及其存储介质

技术领域

本申请涉及一种高温反应器内平均温度及温度分布的非接触在线测量方法、成像装置及其应用，尤其涉及利用一种高温电容层析成像技术在线测量固定床、流化床等高温的反应器或其他导热介质的平均温度及温度分布。本申请属于智能化仪器测量领域。

背景技术

现代的化学工业、石油加工工业等领域飞速发展，相应的产业也受到了越来越多的重视，对反应器的相关研究也得到了较大的发展。

化学反应器内温度分布对于不同尺度上的相间传递，其中包括质量传递、动量传递以及热量传递，这些对反应器内的化学反应速率具有十分重要的影响，其中，温度分布会直接影响对应区域化学反应的选择性与收率，对最终产物有着极为重要的影响。因此，在线监测反应器内温度变化，包括平均温度及温度分布，具有十分重要的工业意义。

目前对催化剂床层的温度测量手段主要有以下几种：1.热电偶法，向催化剂床层中插入热电偶测量对应区域的温度；2.光纤测温法，使用荧光光纤温度传感器进行测温；3.荧光光谱法，向待测床层中加入含有示踪成分的颗粒，根据示踪颗粒发光情况判断温度；4.红外检测法，通过检测床层的红外线辐射情况判断床层温度；5.液晶测温法，利用现实的颜色与温度一一对应的液晶进行测温；6.间接测温法，将反应器进出口的温度或反应器外壁的温度等其他信息输入数学模型计算得到床层温度。

然而，高温化学反应器内平均温度及温度分布的非接触式在线测量是一个十分棘手的问题。一方面，化学反应器处在较高温环境中，超出一些传统测量方法的测量范围，一方面其内部的情况较为复杂，其中的催化剂床层和存在的反应物与产物都限制了在内部布置包括热电偶，测温光纤等需要探入测温区域的侵入式设备，同时，反应器床层本身的厚度也使得红外探测等方法无法对床层整体的温度分布情况进行测量；另一方面，为了提供适合的反应环境，一般情况下实际反应器外壁经常被加热设备包裹，空间较为有限，限制了在外侧开设观测窗口或是设置靠近反应器外壁的设备。

因此传统的检测方法由于存在包括对使用环境要求较高，测量范围与量程有限的问题，难以在不影响待测反应器结构与催化剂床层的前提下实现对整个床层的温度分布状况实现在线测量。因此，寻找开发一种能够在高温条件下能够在线快速检测催化剂床层温度并判断温度分布情况的方法具有较大的现实意义。

发明内容

根据本申请的第一方面，提供了一种非接触在线测量温度的方法。针对以往分析方法在线测定样品温度存在不足因此受限的问题，本申请提供了一种利用电容层析成像技术快速在线检测样品的温度以及分布状况(诸如固体催化剂床层中的温度以及分布情况)的方法，定量测定均匀待测样品的温度，并且对温度非均匀的样品的温度与分布进行描述。此法简单直观，能快速在线测定样品的温度并且反映温度分布情况，特别适用于在线检测固体催化剂的温度，能快速在线测定固体催化剂的温度并判断温度分布情况。

一种非接触在线检测温度的方法，包括：

S1、选择多个温度不同的标准样品，确定温度-电容值关系曲线方程；

S11、确定一种标准样品，将其加热至不同温度，测量所述标准样品的温度；

S12、通过电容层析成像传感器，获得不同温度下所述标准样品的电容值，处理得到电容特征值；

S13、对所述标准样品的温度与所述不同温度下所述电容特征值进行曲线拟合，得到温度-电容值关系曲线方程；

S2、在线测量待测样品的电容值；根据所述温度-电容值关系模型，通过所述待测样品的电容值确定所述待测样品的温度，并判断温度的分布情况。

可选地，步骤S11中，每个所述标准样品的温度通过热电偶测量。

可选地，所述步骤S12中的所述电容特征值通过如下方式得到：在相同温度条件下，将所述标准样品按照介电常数从大到小依次排列，利用电容层析成像传感器，分别获得所述标准样品的电容特征值。

可选地，选取介电常数最大的标准样品作为校准基准物；所述电容特征值为相对于所述校准基准物的电容特征值。

可选地，在步骤S13中，所述标准样品的电容特征值包括标准样品选取的单电极对电容值、标准样品的电容平均值、标准样品的电容加和值、通过重构算法之后得到的测量区域样品的相对电容值分布等

可选地，所述步骤S2包括：通过电容层析成像传感器，在线获得待测样品的电容特征值。

可选地，所述待测样品的电容特征值包括以下至少一种：标准样品选取的单电极对电容值、待测样品的电容平均值、待测样品的电容加和值、待测样品的电容平方加和值、通过机器学习重构算法之后得到的测量区域样品的相对电容值分布。

可选地，所述标准样品和待测样品为催化剂。

可选地，所述催化剂为固态催化剂，所述催化剂为分子筛催化剂。

可选地，所述在线获得待测样品的电容特征值包括：在催化反应过程开始前获得所述催化剂床层的电容特征值；或者，在催化剂再生过程开始前获得所述催化剂床层的电容特征值。

可选地，所述在线测量待测样品的电容特征值的温度范围为0～800℃。

根据本申请的第二方面，提供了本申请所述的非接触在线测温方法在含氧化合物制烯烃反应中的应用。

根据本申请的第三方面，提供了本申请所述的非接触在线测温方法在甲醇和/或二甲醚制烯烃反应中的应用。

根据本申请的第四方面，提供了本申请所述的非接触在线测温方法在包括其他分子筛催化剂粉末温度测量中的应用。

根据本申请的第五方面，本申请还提供了一种非接触在线测温装置，能够在线检测温度及其分布情况，该装置包括反应器、电容层析成像传感器、电容层析成像信号采集器和数据处理器；

所述电容层析成像传感器安装在所述反应器的外端；

所述电容层析成像信号采集器与所述电容层析成像传感器连接；

所述数据处理器与所述电容层析成像信号采集器连接，用于存储并执行上述的非接触在线测温方法、电容层析成像算法。

在本申请中，电容层析成像技术(ECT)，是利用电容与测量对象介电常数之间的函数关系，通过使用相关设施，测得待测目标的多对电容值后使用数学方法重构出被测量介质介电常数分布的一种测量技术，应用于流化床的测量中即可得到测量区域内的不同相的浓度分布情况，具有即时测量，无辐射，成本低廉，操作简便等特点。催化剂等颗粒的相对介电常数与其温度有关，因此ECT可用于高温密闭反应器快速在线检测固体催化剂的温度以及温度分布情况。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请公开了一种检测温度的方法，特别是在线快速检测固体催化剂中的温度以及测量区域的温度分布的方法，此方法简单直观，可满足高温状态下催化剂温度以及温度分布情况的在线快速检测。

2)本申请提供的检测温度的方法，采用电容层析成像传感器，不仅可应用于化工与催化反应中高温流化床内部床层温度的实时可视的在线检测；亦可实时监测固定床状态下反应器内的温度和温度分布情况的变化。

3)本申请提供的方法在温度测量中不需要在电容层析成像系统以外添加其他的检测设备，也无需对样品进行额外预处理。

4)本申请提供的方法成本低、检测速度快、操作便捷、对原装置影响小、灵敏度高、环境友好，无任何排放；可在直接加装在反应器上进行测量，亦可应用于其他测量温度的场合，便于工业化在线应用，有较为广阔的应用范围与前景。

5)本申请提供的在线检测固体分子筛催化剂的温度以及温度分布情况的方法可应用于含氧化合物转化制烯烃反应或甲醇和/或二甲醚制烯烃反应或其他应用分子筛作为反应催化剂的场合。

6)本申请还提供了实现在线检测温度和温度分布情况方法的装置。

附图说明

图1为根据本申请实施例1的催化剂温度与电容加和值的关系曲线。

图2为根据本申请实施例2的催化剂温度与电容平均值的关系曲线。

图3为根据本申请实施例1的ECT快速在线检测催化剂床层温度及其分布情况的装置。

图4为实施例2中的床层使用LBP算法进行重构成像。

图5为实施例2中300摄氏度的床层使用LBP算法进行重构成像。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

本申请所述的非接触在线测温方法包括：

使用电容层析成像(ECT)技术，利用样品在不同温度下对应介电常数存在差异导致的电容层析成像传感器电极对之间电容值变化，将这一结果与使用热电偶测量得到的温度值比对，得出电容特征值与对应样品温度的对应关系，拟合计算得到关系曲线方程，由此实现对固体催化剂在线测温。

分析时，依次将介电常数从大到小排列的温度不同的同种催化剂粉体装入到外侧安装有电容层析成像(ECT)传感器的反应管中，保持每次催化剂粉体的床层密度相同温度均匀。

可选地，取3份以上不同温度的同种催化剂粉末进行分析。

可选地，将介电常数最大的催化剂粉设为分析的校准基准物。

记录电容层析成像(ECT)传感器测得的(相对)电容值，每份样品得到一组，将获取的几组电容值每组各自取特征值(如特定电极对电容值、电容平均值、电容加和值、电容平方加和值)，可获得不同温度下催化剂所对应的电容特征值。

将上述的不同温度的催化剂使用热电偶进行测量得到准确温度并作为纵轴数据，将每组样品的ECT传感器电容特征值为横轴数据，将电容特征值与催化剂温度进行处理得到拟合方程，从而得到催化剂温度与电容值的关联关系，并由此通过电容值确定温度及其分布情况。

在完成以上定标校准过程后，在实际的测量催化剂床层温度的过程中，在静态条件下，ECT传感器只需即时在线测量电极间的电容值，将其代入定标校准过程中得到的电容值与催化剂温度的拟合曲线方程即刻获得此时催化剂的温度，并可通过使用重构算法得到此时的温度分布情况。

不同种类的催化剂温度测量均可以采用此种方法，只需要对每种催化剂定标校准后，建立该种催化剂自身温度与电容值的关联关系曲线方程，即可在线测试该催化剂的温度以及分布情况。

在同一类催化反应的过程中，通过一次校准，不同反应开始前的催化剂温度都可通过该方法实现在线检测，并可由此判断温度分布情况，尤其适用于0～800℃在线检测，特别适用于300-600℃在线检测。

可选地，所述催化剂为分子筛催化剂。

可选地，所述方法包括下述步骤：

a)选用同一催化剂多个不同温度的样品，样品个数不少于3个。

b)使用热电偶测量，获得每个上述标准样品的温度。

c)用带ECT传感器的反应器对各个样品进行测量得到一组电容值，并将测得的电容值累加(或取电容平均值，或选取单电极对之间的电容值，或取电容平方加和值，或使用重构算法机器学习等方法计算电容分布情况)，得到电容特征值。

d)使用热电偶测得的温度为纵轴数据，电容特征值为横轴数据，将电容特征值与催化剂温度拟合成关系曲线方程。

e)采用同一套ECT传感器的反应器做催化反应，反应过程中测得的静态电容值(自动累加，或电容平均值，或选取单电极对电容值，或电容平方加和值)，将其自动带入电容值与催化剂温度的关系曲线方程，可在线测量催化剂床层的温度，并且可以通过机器学习等数学方法得到温度分布情况。

如无特别说明，以下所有实施例中的催化剂均通过商业途径购买，其中，SAPO 34催化剂购自中科催化新技术(大连)股份有限公司。

本申请的实施例中分析方法如下：

利用热电偶(沈阳中色，K型，

利用电容层析成像传感器(非标自制)对标准样品和待测样品的温度和分布情况进行分析。

根据本申请的一种实施方式，本申请所述的非接触在线测温方法可应用于快速在线检测固体催化剂的温度，包括以下步骤：

1)选用不同温度的n(n≥3)个固体催化剂(包括但不限于MTO催化剂)作为标准样品。

2)在相同堆积密度且温度分布均匀下，在外侧安装有电容层析成像(ECT)传感器的反应管中依次装入介电常数从大到小排列的温度不同的同种催化剂粉体；选取介电常数最大的即温度最高的催化剂作为校准基准物，其电容值定义为1，空管时测量的电容值定义为0。使用热电偶测量各个样品的温度并记录。撤出热电偶利用电容层析成像(ECT)传感器，采用单电极激发模式，测量每个标准样品的(相对)电容值，每个标准样品获得一组电容值，n个标准样品共获得n组电容值，将获取的n组电容值中的每组电容值求和值，或求其电容平均值，或进行平方并求和，或选取单电极对的电容值，或通过重构算法得到的测量区域样品的相对电容值分布。

3)将上述的不同温度催化剂经热电偶测量得出的准确温度为纵轴数据，将每组ECT传感器电容求和值，或求其电容平均值，或电容平方求和值或选取单电极对的电容值为横轴数据，将电容值与催化剂温度拟合成关系曲线方程。

4)在完成以上定标校准过程后，在测量其他催化剂床层的温度时，在静态条件下，ECT传感器即时只需在线测量电极间待测样品(例如，催化剂、待生催化剂)的电容值，将其代入电容值与催化剂温度拟合曲线方程即刻获得此时催化剂的温度，并且可以通过重构算法得到的相对介电常数分布情况得到待测区域内温度的分布情况，从而实现了通过电容值确定温度以及温度分布情况。

实施例1

为了能够直观具体的展示本申请提供的检测温度的方法，下面结合图1示出快速在线检测SAPO 34分子筛催化剂均匀床层的温度以及分布的方法。

选择工业用SAPO 34分子筛催化剂，记为标准样品，放入在外侧设置有电容层析成像(ECT)传感器的反应管中(本次实例使用8电极传感器)。将反应管置于管式炉中，将样品升温到高温(600)并使得样品温度均匀，在测量前保持床层静止，以此作为校准基准物，对应下表中的8号样品，将其各个电极对的电容值记作1。

使用电容层析成像(ECT)传感器，使用单电极激发模式对样品进行测量，之后改变在管式炉的温度，从而调整反应管内催化剂的温度，使用热电偶进行测量。待反应管内的催化剂床层达到均匀后，使用单电极激发模式测量每个标准温度下的标准样品的相对电容值，同时为了减少系统误差，去掉相邻电极测得的电容值，对电容值进行加和值。8组标准样品共得到8组电容值，所测数据如表1所示。

表1不同温度的SAPO 34分子筛催化剂的电容测量加和值

将上述不同温度的SAPO34分子筛经由热电偶测得的温度作为纵轴数据，将使用电容层析传成像(ECT)感器测得的电容加和值作为横轴数据。参考对其他材料的电容-温度变化的研究，结合使用最小二乘法，确定方程形式后对两组数据进行拟合，最终将二者拟合成关系方程y＝0.1468*C

在完成以上标定后，在实际测温的过程中，保持床层静态，使用传感器在线测量各个电极得到的电容加和值，为33.54963，带入电容加和值与床层温度的拟合曲线方程，计算得到此时催化剂的温度为434.3℃。

实施例2

选择工业用SAPO 34分子筛催化剂，记为标准样品，放入在外侧设置有电容层析成像(ECT)传感器的反应管中(使用8电极传感器)。将反应管置于管式炉中，将样品升温到高温(600)并使得样品温度均匀，在测量前保持床层静止,以此作为校准基准物，对应下表中的8号样品，将其各个电极对的电容值记作1。

使用电容层析成像(ECT)传感器，使用单电极激发模式对样品进行测量，之后改变在管式炉的温度，从而调整反应管内催化剂的温度，使用热电偶进行测量。待反应管内的催化剂床层达到均匀后，使用单电极激发模式测量每个标准温度下的标准样品的相对电容值，同时为了减少系统误差，去掉相邻电极测得的电容值。之后取这些电容值的平均值。8组标准样品共得到8组电容值，所测数据如表2所示。

表2不同温度的SAPO 34分子筛催化剂的电容测量平均值

将上述不同温度的SAPO34分子筛经由热电偶测得的温度作为纵轴数据，将使用电容层析传成像(ECT)感器测得的电容平均值作为横轴数据。结合其他对材料的介电常数-温度的研究，使用最小二乘法，确认方程形式后进行拟合得到如下的关系方程：

y＝9375.17102*C

确定电容值与催化剂温度的关系。

在完成以上标定后，在实际测温的过程中，保持床层静态，使用传感器在线测量各个电极得到的电容加和值，为0.838725，带入电容加和值与床层温度的拟合曲线方程，计算得到此时催化剂的温度为434.3℃。同时，对此时的床层与300摄氏度的床层使用LBP算法进行重构成像，如图4，图5所示。发现待测床层内部温度分布均匀。

实施例3

如图3所示，本申请的非接触在线测温装置，包括反应器、电容层析成像传感器、电容层析成像信号采集器、用于数据处理与成像的计算机单元；其中，

所述反应器，用于确定实际测量区域，同时也具有支撑固定电容层析成像传感器的作用；

所述电容层析成像传感器安装在所述反应器的外端，用于采集测量区域的电容信号变化；

所述电容层析成像信号采集器与所述电容层析成像传感器连接，用于对电容层析成像传感器测量得到的电容信号进行处理，得到对应电极对的电容信号相对值；

所述用于数据处理与成像的计算机单元与所述电容层析成像信号采集器连接，用于使用所述电容层析成像信号采集器处理得到的各电极对的电容信号相对值进行处理；存储并执行上述的非接触在线测温方法对应的算法，以及电容层析成像算法。具体来讲，是通过电极对的电容信号相对值计算测量区域的介电常数相对值分布，并且成像。

本申请的一种计算机系统，包括处理器；以及

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器执行所述可执行指令后实现上述非接触在线测温方法的步骤。

本申请的一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述非接触在线测温方法的步骤。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。