专利名称：双向毕托管及其双向流速传感器和列车管贯通监测装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及一种毕托管、流速传感器及管道贯通检测装置，特别是涉及一种双向毕托管及其双向流速传感器和列车管贯通监测装置。
二背景技术：
在我国铁路列车通常是以空气制动机作为主要制动系统的。机车安装有压缩机、总风缸、制动机、列车管、制动风缸和折角塞门，在每辆车辆上安装有列车管、制动风缸和折角塞门。列车编组连接完成后，关闭列车两端的折角塞门并打开列车其余的折角塞门，由列车管贯通整个列车的制动系统。机车司乘人员通过制动机控制列车管内压力变化来实现列车的制动与缓解。但在列车站停或运行过程中，由于人为因素，如工作人员的疏忽、闲杂人员扒乘和非人为因素等，会造成车辆间列车管折角塞门的异常关闭，从而截断列车管贯通通路，使其后部车辆制动系统失控，有时会导致列车行车事故的发生，造成国家经济财产和人民生命安全的巨大损失。
由机车和若干车辆编组成列车，其制动系统是一个有限长、非恒定流、终端封闭的压力管道系统。它具有流体冲击压力大(最大冲击压力700kpa)，管道的瞬时压力、流量变化范围宽的特点，是一个典型的分布参数系统。对于分布参数系统的精确计算处理通常是使用偏微分方程，但对于偏微分方程的大计算量、车辆类型多及列车编组随机性造成边界条件无法确定，使得实时计算成为不可能。因而长期以来，对于如何判断列车管折角塞门开、关以监测列车管贯通状态就成为亟待解决的技术难题之一。
中国实用新型专利ZL98204154.3提出了一种《列车管贯通状态监测仪》，由串接于列车管中的检测组件和安装于司乘驾驶室内的主机构成。检测组件包括压力传感器、流量传感器和前置放大系统及脉冲产生整形电路。主机内为以单片计算机为核心的数据处理系统。用于在列车停站试压或运行过程中铁路列车牵挂客货车辆后由于异常因素而可能出现的折角塞门异常关闭或列车管异常堵塞位置的监测。其流量传感器采用涡街传感器、涡轮传感器或差压流量传感器。而传感器是列车管贯通状态监测系统的核心关键技术，对辆数的计算影响最为关键，在机车的恶劣工作环境(电磁干扰，机械振动，噪声，温度变化范围大)下，这些常用的流速传感器均不能长时间正常工作，有些甚至远远达不到起码的精度要求，更不用说测量结果的准确性了。上述实用新型专利无法实现列车管贯通检测功能。
三、实用新型内容本实用新型针对背景技术所述当前列车管贯通监测装置存在的问题，革新了毕托管结构和测速传感器，实现了双向毕托管及双向流速传感器，及列车管贯通监测装置。
本实用新型采用的技术方案是一种双向毕托管，含有扁平管体，总压孔和静压孔，扁平管体的前、后平面互相平行，扁平管体左、右两端面为近似流线型的曲面，在该扁平管体的水平方向0度和180度正反方向安装有两根通气管，每根通气管各自在顺时针或反时针的正或负90度竖直方向的扁平管体上方或下方开有连通引压孔，0度和180度的两根通气管的管口互为总压孔和静压孔。
所述的双向毕托管，引压孔为螺纹引压孔，通气管的中心轴线与双向毕托管体水平方向中心轴重合，双向毕托管体左、右对称，上、下对称，通气管端部外表面为锥形。
一种带有所述双向毕托管的双向流速传感器，含有双向毕托管，传感器外套壳体和内套管，传感器的外套壳体内腔有一个圆柱腔，该外套壳体竖向上方或下方的外表面开有两个与双向毕托管引压孔相匹配的通孔，通过中空连接螺栓将外套壳体和双向毕托管体连接安装固定在外套壳体的圆柱腔中，在两根通气管长度方向各对应截锥腔，与两截锥腔小端匹配连接的是两内套管内的圆柱腔体。
所述的传感器，外套壳体的上方或下方设有一个安装平面，在平面上开有定位孔和连接安装固紧孔，外套壳体与两边的内套管通过固紧件连接固定。
一种带有所述双向流速传感器的列车管贯通监测装置，含有双向流速传感器，压力传感器，温度传感器，以及信号处理电路CPU模块、通讯模块、显示模块和电源模块，所述的压力传感器安装在列车管上，温度传感器探头安装在机车上暴露在大气中，双向流速传感器安装于机车制动机和列车管之间，流速传感器的两个取压孔连接差压变送器，如果流速、压力、温度传感器输出为模拟量信号，则传感器输出的电信号经过滤波及信号放大电路接入A/D转换模块，A/D转换模块的输出接入CPU的相应I/O端口；如果流速、压力、温度传感器的输出为数字量信号时，则各传感器输出的数字信号直接接入CPU的相应I/O端口，所述的通讯模块包括串行通讯模块和USB通讯模块，信号处理电路CPU模块一方面通过串行通讯模块连接机车信号记录仪，另一方面通过串行通讯模块连接监测装置的显示模块，同时信号处理电路CPU模块通过USB通讯模块实现和上位计算机通讯，电源模块为监测装置各部分提供工作电源。
所述的列车管贯通监测装置，信号处理电路的CPU模块采用ARM7CPU，CPU模块集成有2M的DataFlash作为系统的数据存储单元，和一个扩展的外部SRAM存储器，所述的双向流速传感器输出为模拟量，压力传感器采用模拟量仪表，温度采用数字量仪表，CPU采用AT91FR40162，A/D转换模块采用TLV2544 12位串行变换器，流速、压力模拟量信号经滤波后接入相应的信号放大电路，各放大电路的输出分别接入TLV2544的6、8脚和7、9脚，TLV2544转换后的信号输出经其1、2、3、4、10、16脚接入AT91FR40162的44、45、46、47、43、42脚，TLV2544的16、2、3、13、10脚分别通过上拉电阻接电源；温度传感器采用DS 1820数字温度传感器，其输出的数字量温度信号通过连接导线或接线端子直接和CPU的I/O端34脚连接，串行通讯模块采用两组MAX485E，通讯方式采用RS-485/半双工串行总线方式，其串行口分别和显示模块的显示盒和机车运行记录仪连接，和机车运行记录仪连接的串行口通过光电隔离和CPU连接；USB通讯模块采用PDIUSBD12.USB接口芯片，所述的显示模块数据端口1～4、6～9连接CPU的11～18脚，其数据端口25、26通过相应的USB插接件实现和上位机通讯。
所述的列车管贯通监测装置，CPU采用具有同类功能的ARM7CPUAT91FR4042，或AT91FR4081，A/D变换器使用TLV2548，或者TLC2574，或者TLC2578。
所述的列车管贯通监测装置，信号处理电路及功能模块及接口电路安装在一块主板上，主板安装于机车操纵室原有的TXS箱的插槽中，压力、流速、温度传感器安装于机车的机械间内，它们之间用电缆连接，整机及主板各接口模块使用TXS箱的电源，由其向监测装置各功能模块提供+5V、+15V、+24V电源，该监测装置通过所述的串行通讯模块导线连接机车信号记录仪，使用机车信号记录仪提供的列车信息，所述的显示模块包括两个带有显示数码管的显示盒，两组显示数码管分别通过相应的接插件和监测装置的串行通讯口以及供电电源连接，显示盒安装于机车操纵室的操纵台上，显示列车辆数、列车管贯通状态及位置。
本实用新型的积极有益效果1、将单向毕托管巧妙组合，构成双向毕托管，结构及加工工艺简单、造价低，用于双向流速检测，在一定流速范围内精度很高，性能可靠，耐腐蚀，无任何运转部件，使用寿命长。
2、利用双向毕托管设计出双向流速传感器，结构简单，安装使用方便，适用较为恶劣的环境，长时间工作可靠、运行稳定，配以高精度的差压变送器完成流速测量，为计算流量提供可靠的数据。
3、双向流速传感器，孔径可以做到很小，能在很细的管道内使用，动态响应快，压力损失小，占用安装空间小，特别适用在一些特殊场合(如压力管道)，测量非恒定流动态流速，使用效果好。
4、列车管贯通监测装置，采用双向流速传感器和高精度压力传感器和数字温度仪表，利用先进的计算机控制技术，完成了对列车管折角塞门异常关闭的智能化监测，实现了制动和缓解的双向监测功能，首先计算出列车辆数，再根据系统的状态和机车泄漏类别正确地将数据分为不同类型进行校正，得出最后的列车贯通辆数，实验对列车编组在60辆以内的货物列车进行监测，其精度误差不超过4辆。
5、使用USB接口芯片，建立主板与外部主机的通讯，可以完成程序的改写、采样数据的提取及主板工作状态的显示等。串行通讯模块保证主板与两个显示盒的通讯，显示检测结果，同时根据需要进行语音报警。使用方便、操作简单，性能稳定、可靠。
6、由于采用光电隔离及其它减振、隔音措施，使监测装置具有抗电磁干扰，抗冲击压力、机械振动、噪声、温度变化大等特点，适合在恶劣环境长时间运行，性能稳定可靠，监测准确。
7、本实用新型解决了铁道部几十年来想解决而一直没有解决的问题，特别是在我国铁路系统大提速的情况下，为保证行车安全，本实用新型的推广应用更为重要，铁道部对本实用新型技术甚为重视。
四
图1-1、1-2、1-3分别为双向毕托管剖视结构示意图、侧视结构示意图和结构示意俯视图图2双向毕托管测试原理图图3带双向毕托管的双向流速传感器外套管俯视结构示意图图4图3所示带内套管的双向流速传感器剖视结构示意图图5列车管贯通监测装置硬件结构方框图图6列车管贯通监测装置主板电路原理方框图图7列车管贯通监测装置CPU模块电路原理图图8列车管贯通监测装置压力、流速信号放大及滤波电路、A/D转换模块电路原理图图9列车管贯通监测装置串行通讯模块电原理图图10列车管贯通监测装置USB通讯模块电原理图图11列车管贯通监测装置电源模块电原理图五具体实施方式
实施例一参见图1-1、图1-2、图1-3，双向毕托管含有扁平管体10，扁平管体10的前、后平面互相平行，扁平管体10的左、右两端面为近似流线型的曲面，在该扁平管体的水平方向0度和180度正反方向安装有两根通气管9和11，每根通气管各自在竖直方向的扁平管体上方开有连通引压孔7和8，0度和180度的两根通气管9和11的管口5和6互为总压孔和静压孔。
所述的引压孔7和8为螺纹引压孔，通气管9和11的中心轴线与双向毕托管体水平方向中心轴重合，双向毕托管体左、右对称，上、下对称，通气管9和11端部外表面为锥形。
双向毕托管工作原理参见图2，和单向毕托管不同的是，双向毕托管没有专用的静压孔，而是互为总压或静压孔。当A端正对向流体流向时，则A端为总压孔，B端为静压孔；当B端正对向流体流向时，则B端为总压孔，A端为静压孔。双向毕托管的总压通气管和单向毕托管的总压通气管原理一样，这里不再赘述。双向毕托管的静压取自于流体的回流区，回流区中通气管处的压力相对于流体的静压来讲是一个负压，而且是回流区中相对较为稳定的均压，线性地反映了流体的静压变化，乘以静压校正系数后它可以作为静压使用。将A、B两端的压力通过通气管引压管道引入到一个可测量正反向差压的差压变送器(即零点大范围可调)，测得总压和静压的差压值。如果要达到较高的测量精度，一方面要对毕托管的外形精心设计及标定，从而取得正确的毕托管系数；另一方面对测量点的前后端直线段管道有一定的长度要求，并需提取流体的温度、压力数据做为修正数值。流速及流量的计算使用单向毕托管计算公式进行运算。
实施例二参见图3、图4，双向流速传感器含有双向毕托管1，传感器外套壳体2和内套管3，传感器的外套壳体2的上方设有一个安装平面，在平面上开有定位孔和连接安装固紧孔，外套壳体2内腔有一个圆柱腔，该外套壳体2竖向上方的外表面开有两个与双向毕托管引压孔8相匹配的通孔4，通过中空连接螺栓将外套壳体和双向毕托管体1连接安装固定在外套壳体2的圆柱腔中，在两根通气管9和11长度方向各对应内套管3和外套壳体2内截锥腔的大端，一端设有截锥腔的内套管3与外套壳体2内的圆柱腔体匹配连接，外套壳体2与两边的内套管3或列车管段12通过固紧件连接固定，传感器外套壳体2两端设有接口连接螺纹13。
实施例三参见图5，为本实施利列车贯通监测装置的系统硬件构成。系统由一个主板、二个显示盒、一个压力传感器、一个流速传感器、一个温度传感器构成。主板占用了机车TXS箱的一个插槽，使用了TXS箱的供电及机车信号记录仪发布的公用信息，其中有车次、辆数、列车总重、换长、时间、速度、公里标、客/货、本/补等。本系统压力传感器采用美国Nova公司生产高精度、高稳定性扩散硅压力敏感芯片的压力传感器，其量程范围为0～1MPo。精度和线性度均为0.25级；温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS1820数字温度传感器，它具有测量范围宽，测量精度高，误差小的特点。
图6为列车贯通监测装置主板电路原理方框图。主板的电路分为CPU模块、串行通信模块、USB通讯模块、显示模块、A/D变换及模拟量接口。传感器输出的模拟量信号经A/D变换后通过系统总线连接ARM7CPU，数字量温度信号和通讯模块、显示模块均通过系统总线和CPU连接，电源模块为各部分提供工作电源。系统主板安装在机车操纵室的TXS箱内；显示盒安装在机车操纵室的操纵台上；三个传感器则安装在机车机械间内。它们之间通过电缆进行连接。
图7～11为本实施利列车贯通监测装置的电路组成，包括CPU模块、信号放大及滤波、A/D转换模块、串行通讯模块、USB通讯模块、电源模块等。CPU选用较为流行的Atmel公司生产的AT91FR40162.ARM7CPU做为整个系统的核心。它的最大频率为70M.32位RISC结构，256K在片SRAM.1024K在片Flash，及2个USART串行接口等。CPU模块上还集成有2M的DataFlash做为系统的数据存贮单元和一个扩展的外部SRAM。A/D变换模块采用了TEXAS Instruments公司生产的TLV254412位串行A/D变换器，它具有每秒200K的采样速率，2.7V～5.5V的单电源，4通道模拟输入。它的稳定性好、精确度高、非线性误差为正负1LSB。模拟通道采用了常用的电流型变换模式以保证采样的可靠性及精确度。电源模块从TXS箱的电源中变换出主板要求的主5V及24V，它具有稳压，过压及过流保护功能。
流速传感器、压力传感器输出的模拟量信号经阻容滤波电路滤波后输入信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出接模数转换器。图中的流速、压力信号放大电路均为由TLC4502放大器组成的四级运放及一个跟随器组成，放大后流速信号V01接入TLV2544的6、8脚，压力信号V02接入TLV2544的7、9脚，TLV2544转换后的流速、压力信号经其1、2、3、4、10、16脚接入AT91FR40162的44、45、46、47、43、42脚，TLV2544的16、2、3、13、10脚分别通过上拉电阻接电源，TLV2544的5和12脚接电源，11、14脚接地，其15脚通过并联的两个电容CAD2、CAD3接地。数字温度传感器输出的数字量温度信号直接接入CPU的I/O端34脚。
串行通讯接口模块有两个通道，均采用型号为MAX485E，RS485协议传输芯片，一个是普通485通讯接口，采用了RS-485/半双工串行总线方式，另一个在CPU与485通讯接口电路间使用了隔离式RS-485半双工串行总线方式，可保证不对TXS箱系统造成干扰，他们分别连接CPU模块的两个USART接口，即CPU的35、36、37脚和31、32、33脚。串行通讯模块主要有两个功能A.保证主板与两个显示盒的通讯，B.主板接受机车运行记录仪的列车信息。
USB通讯接口采用型号为PDIUSBD12PW的芯片，其1～4、6～9脚分别接CPU的11～18脚，其11、14、15、16、28分别连接CPU的28、29、10、9、27脚，其24、25脚连接接上位计算机USB插口，PDIUSBD12PW的22、23接时钟，12、14脚通过电阻接电源，12脚同时串接电阻连接CPU的30脚，其21脚连接USB通讯指示发光二极管，接口模块中PDIUSBD12PW的ALE接地、DMACK、电源、复位口接3.3V的VDD电压。USB通讯主要完成外部计算机与主板之间的通讯，保证数据完整的打包并高速传输。
CPU的1、2脚为复位端，7、68脚为3.3V电压VDD的输入端，39、40脚为5V电压VCC的输入端，38、41、80、脚为GND接地端，CPU模块的69～74脚连接存储器SN74HC245的13～18脚，SN74HC245的20脚接电源，1、10脚接地，其2～7脚各经电阻串接发光二极管接电源，即为信号处理电路的工作状态显示电路.RS485串行通讯接口的两个通道连接具有串口的数码管驱动电路，即显示盒面板上的数码显示管，完成人机对话，显示计算结果。
实施利四本实施利基本同实施利三，不同之处在于处理电路CPU采用具有同类功能的ARM7CPU AT91FR4042，A/D变换器使用TLV2548。
实施利五本实施利基本同实施利三，不同之处处理电路CPU采用具有同类功能的AT91FR4081，A/D变换器使用TLC2574，或者TLC2578。
权利要求1.一种双向毕托管，含有扁平管体，总压孔和静压孔，其特征是扁平管体的前、后平面互相平行，扁平管体左、右两端面为近似流线型的曲面，在该扁平管体的水平方向0度和180度正反方向安装有两根通气管，每根通气管各自在顺时针或反时针的正或负90度竖直方向的扁平管体上方或下方开有连通引压孔，0度和180度的两根通气管的管口互为总压孔和静压孔。
2.根据权利要求1所述的双向毕托管，其特征是引压孔为螺纹引压孔，通气管的中心轴线与双向毕托管体水平方向中心轴重合，双向毕托管体左、右对称，上、下对称，通气管端部外表面为锥形。
3.一种带有权利要求1所述双向毕托管的双向流速传感器，含有双向毕托管，传感器外套壳体和内套管，其特征是传感器的外套壳体内腔有一个圆柱腔，该外套壳体竖向上方或下方的外表面开有两个与双向毕托管引压孔相匹配的通孔，通过中空连接螺栓将外套壳体和双向毕托管体连接安装固定在外套壳体的圆柱腔中，在两根通气管长度方向各对应截锥腔，与两截锥腔小端匹配连接的是两内套管内的圆柱腔体。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征是外套壳体的上方或下方设有一个安装平面，在平面上开有定位孔和连接安装固紧孔，外套壳体与两边的内套管通过固紧件连接固定。
5.一种带有权利要求3所述双向流速传感器的列车管贯通监测装置，含有双向流速传感器，压力传感器，温度传感器，以及信号处理电路CPU模块、通讯模块、显示模块和电源模块，其特征是所述的压力传感器安装在列车管上，温度传感器探头安装在机车上暴露在大气中，双向流速传感器安装于机车制动机和列车管之间，流速传感器的两个取压孔连接差压变送器，如果流速、压力、温度传感器输出为模拟量信号，则传感器输出的电信号经过滤波及信号放大电路接入A/D转换模块，A/D转换模块的输出接入CPU的相应I/O端口；如果流速、压力、温度传感器的输出为数字量信号时，则各传感器输出的数字信号直接接入CPU的相应I/O端口，所述的通讯模块包括串行通讯模块和USB通讯模块，信号处理电路CPU模块一方面通过串行通讯模块连接机车信号记录仪，另一方面通过串行通讯模块连接监测装置的显示模块，同时信号处理电路CPU模块通过USB通讯模块实现和上位计算机通讯，电源模块为监测装置各部分提供工作电源。
6.根据权利要求5所述的列车管贯通监测装置，其特征是信号处理电路的CPU模块采用ARM7CPU，CPU模块集成有2M的DataFlash作为系统的数据存储单元，和一个扩展的外部SRAM存储器，所述的双向流速传感器输出为模拟量，压力传感器采用模拟量仪表，温度采用数字量仪表，CPU采用AT91FR40162，A/D转换模块采用TLV2544 12位串行变换器，流速、压力模拟量信号经滤波后接入相应的信号放大电路，各放大电路的输出分别接入TLV2544的6、8脚和7、9脚，TLV2544转换后的信号输出经其1、2、3、4、10、16脚接入AT91FR40162的44、45、46、47、43、42脚，TLV2544的16、2、3、13、10脚分别通过上拉电阻接电源；温度传感器采用DS1820数字温度传感器，其输出的数字量温度信号通过连接导线或接线端子直接和CPU的I/O端34脚连接，串行通讯模块采用两组MAX485E，通讯方式采用RS-485/半双工串行总线方式，其串行口分别和显示模块的显示盒和机车运行记录仪连接，和机车运行记录仪连接的串行口通过光电隔离和CPU连接；USB通讯模块采用PDIUSBD12.USB接口芯片，所述的显示模块数据端口1～4、6～9连接CPU的11～18脚，其数据端口25、26通过相应的USB插接件实现和上位机通讯。
7.根据权利要求5所述的列车管贯通监测装置，其特征是CPU采用具有同类功能的ARM7CPU AT91FR4042，或AT91FR4081，A/D变换器使用TLV2548，或者TLC2574，或者TLC2578。
8.根据权利要求5～7任一项所述的列车管贯通监测装置，其特征是信号处理电路及功能模块及接口电路安装在一块主板上，主板安装于机车操纵室原有的TXS箱的插槽中，压力、流速、温度传感器安装于机车的机械间内，它们之间用电缆连接，整机及主板各接口模块使用TXS箱的电源，由其向监测装置各功能模块提供+5V、+15V、+24V电源，该监测装置通过所述的串行通讯模块导线连接机车信号记录仪，使用机车信号记录仪提供的列车信息，所述的显示模块包括两个带有显示数码管的显示盒，两组显示数码管分别通过相应的接插件和监测装置的串行通讯口以及供电电源连接，显示盒安装于机车操纵室的操纵台上，显示列车辆数、列车管贯通状态及位置。
专利摘要本实用新型涉及一种双向毕托管及其双向流速传感器和列车管贯通监测装置。所述的双向流速传感器含有双向毕托管，传感器外套壳体和内套管，传感器的外套壳体内腔有一个圆柱腔，该外套壳体竖向上方或下方的外表面开有两个与双向毕托管引压孔相匹配的通孔。所述的列车管贯通监测装置，含有双向流速传感器，压力、温度传感器及信号处理电路，信号处理电路根据接收的压力、温度、流速信号进行运算处理，一方面通过串行通讯模块连接机车信号记录仪，另一方面连接监测装置的显示模块，同时通过USB口实现和上位机通讯。完成了对列车管折角塞门异常关闭的智能化监测，实现了制动和缓解的双向监测功能，解决了铁道部几十年来想解决而一直没有解决的问题。
文档编号G01M17/00GK2757134SQ20042007537
公开日2006年2月8日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年12月13日
发明者阎玉祥 申请人:阎玉祥