一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置及方法与流程

本发明涉及超声检测领域，具体涉及一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置及方法。

背景技术

在钢轨探轮中，耦合液是连接超声探头与钢轨的液性传导介质。钢轨探伤时，探轮内的超声探头发射超声波，在耦合液的传导“过渡”下，超声波进入钢轨内部，在遇到裂纹等缺陷时发生反射，反射的超声回波再次通过耦合液被超声探头接收。超声探伤仪将回波数字化为时间-幅值信息，乘以声速，即得到缺陷的位置信息，从而实现钢轨缺陷定位。现有的耦合液加注方式有两种：1、通过法兰盘上的进水管连接漏斗，手动加注；2、通过探轮法兰盘上进水管连接机械泵加注。这两种方式无法将探轮内的气泡或杂质实时排出，会对钢轨反射的回波信号产生干扰。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置，包括：进水管、出水管和泵；

所述进水管和所述出水管的一端分别设置在所述探轮的两侧，并与所述探轮内的耦合液腔体导通，另一端分别连接在所述泵的两端；

所述泵通过所述进水管和所述出水管向所述探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于上述装置的耦合液循环加注方法，包括：

泵通过进水管和出水管向探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液。

本发明的有益效果是：通过向所述探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液，能够将探轮内的气泡或杂质实时排出，避免对钢轨反射的回波信号产生干扰，从而提高钢轨探伤的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于模糊-pid算法的温控方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：进水管、出水管和泵；

所述进水管和所述出水管的一端分别设置在所述探轮的两侧，并与所述探轮内的耦合液腔体导通，另一端分别连接在所述泵的两端；

所述泵通过所述进水管和所述出水管向所述探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液。

具体的，在该实施例中，耦合液的循环过程如下：在泵的压力下，耦合液通过进水管加注到探轮内的耦合液腔体中，在腔体内液体加满时，泵继续加压，耦合液沿出水管进入泵的入水口后再通过泵的出水口进入探轮，如此循环，即实现了探轮液的循环加注。在探轮液的循环过程中，探轮内的气泡或杂质可以被实时排出，避免了其对超声信号的干扰，从而提高钢轨探伤的准确性，其中，泵可采用微型增压泵。

本发明实施例提供的一种用于钢轨探伤车探轮的耦合液循环加注装置，采用的循环加注采用机械自动加注方式代替手工加注，并且在钢轨探伤车运行过程中可实现耦合液全程在线闭环流动，可以替代现有的离线循环加注方法。

可选地，作为本发明的一个实施例中，如图2所示，该装置还包括：温度调节器、控制器和温度传感器；

所述进水管和所述出水管的另一端分别连接在温度调节器的出水口和进水口，所述泵设置在所述进水管或所述出水管中；所述控制器的输入端与所述温度传感器的输出端连接，所述控制器的输出端与所述温度调节器的输入端连接；

所述控制器根据设定的温度阈值和所述温度传感器测得的耦合液温度控制所述温度调节器对耦合液进行恒温调节，所述泵通过所述进水管和所述出水管向所述温度调节器和所述探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液。

具体的，在钢轨探伤过程中，由于耦合液声速较低，声波在耦合液中的传播时间较长，耦合液声速的准确性成为影响钢轨缺陷检测结果的关键。而温度是影响耦合液声速的主要因素，以水为例，30℃与10℃时的声速相差62mm/us左右，钢轨探伤的声程一般在150-200us，计算的回波位置误差可达1cm以上。我国高铁覆盖区域广、南北气候差异大，实际中存在较大的环境温差时，耦合液声速变化将导致回波距离信息不正确，从而影响判伤闸门设置，极容易造成漏检和错判。

维持探轮内耦合液的温度恒定是保持其声速不变的有效方法，然而目前国内外的钢轨探伤车尚未有对耦合液进行温度控制的报道或应用案例，探轮内耦合液经离线加注后，即随外部环境自然变化，造成声速测量不准确，影响探伤结果的准确性。

在本实施例中，在基于耦合液在线循环的前提下，通过温度传感器测量装置中循环的耦合液的温度，控制器根据测量的温度控制温度调节器对耦合液进行恒温调节，比如，当温度低于设定值时，控制器控制温度调节器对耦合液进行加热，当温度高于设定值时，则控制温度调节器对耦合液进行冷却，从而使耦合液保持恒温。优选地，温度传感器的可设置在探轮的耦合液腔体中，测量结果更加准确。

如图2所示，本发明温度信息采集采用fpga和ds18b20温度传感器实现。ds18b20将实时测得的耦合液温度转换为12bit串行数据，直接以数字电平输出，可与fpga直连，无需中间模拟调理电路。fpga内部通过verilog语言进行ds18b20读写时序控制，将温度数值传递给模糊-pid温控算法。采用fpga和ds18b20进行温度信息采集，具有结构简单、成本低、精度高和抗干扰能力强等优点，可测量温度范围为-55℃-+125℃，温度分辨率为0.0625℃，且具有防水封装，符合探轮耦合液温度采集需求。

在该实施例中，耦合液的循环过程如下：在泵的压力下，耦合液自温度调节器加注到探轮内，在探轮内液体加满时，泵继续加压，耦合液沿出水管进入温度调节箱，经恒温调节后的耦合液再通过温度调节器的出水口进入探轮，如此循环，即实现了探轮液的循环加注。

可选地，在该实施例中，如图2所示，所述控制器包括模糊控制器和pwm脉冲发生器，所述模糊控制器的输入端与所述温度传感器的输出端连接，所述模糊控制器的输出端与所述pwm脉冲发生器的输入端连接，所述pwm脉冲发生器的输出端与所述温度调节器的输入端连接；

所述模糊控制器，用于按照模糊-pid温控算法对设定的温度阈值和所述温度传感器测得的耦合液温度进行处理，输出控制结果；

所述pwm脉冲发生器，用于根据所述控制结果输出pwm方波；

所述温度调节器，用于在所述pwm方波的控制下对耦合液进行加热或制冷。

具体的，经典pid温控算法是建立在被控对象温度变化数学模型上的，而实际中钢轨探轮内耦合液温度变化具有时变性和不确定性等因素，直接使用经典pid算法容易导致模型参数和结构的畸变，是控制结果偏离整定原则，造成调节时间长、温控误差大等问题。模糊控制是目前快速发展的实用型智能控制方法，本发明根据探轮耦合液温控需求，设计出将模糊控制与经典pid算法相结合的智能温控系统，由模糊控制器采用模糊-pid算法对耦合液温度实时调节和控制，将控制结果转换为不同的pwm方波占空比，通过pwm脉冲发生器发出pwm方波。当温差较大时采用模糊控制规则，以加快响应速度，提高动态性能；当温差较小时采用pid控制，使其静态性能好，满足控制精度要求。

模糊-pid算法不需要知道对象的精确模型，在获取当前温度信息和设定调节阈值的情况下，其控制过程如图3所示，图3中t是系统设定温度阈值，y是温度控制结果输出，输出结果由fpga转换为不同占空比的pwm方波，作用于温度调节模块，对流经的耦合液进行加热或者制冷处理，耦合液再次流经ds18b20时，新的温度值被测量送入温控系统。e是当前温度与阈值t之间的差，de/dt是偏差e的变化率,即△e。e和△e是经过模糊化后偏差e和△e的量化输入。考虑到计算速度和响应的实时性，本发明采用verilog语言将模糊控制算法在fpga中实现。

当温度偏差e和△e均小于0时，温控系统增大加热功率；当温度偏差e小于0，同时温度偏差变化率△e等于0时，温控系统加热功率略小；当温度偏差e大于0同时△e也大于0时，温控系统开始控制降温。通过这种模糊控制算法来处理温度对象，可以在大范围内对耦合液实现智能化、自适应温度调节，具有灵活性高、适应性强的优势。

本发明实施例中，采用fpga实现高精度pwm温控调节脉冲输出。根据模糊-pid算法控制结果，fpga将温度调节量转换响应占空比的pwm方波脉冲，作用在温度调节器上。温度调节器中加热部分采用电热丝，冷却降温采用微型制冷压缩机实现。相比于单片机和cpu等常规方法，fpga实现pwm输出，具有响应速度快、脉冲控制精度高的优势。

可选地，在该实施例中，如图2所示，所述控制器还包括测速模块，所述测速模块的输入端与所述探轮的探头连接；

所述测速模块，用于对所述探头接收的钢轨反射回波依次进行小波滤噪和中心矩算法处理，输出声速测量结果。

具体的，小波变换较傅里叶变换有更好的局部特征表征能力，适用于分析信号中的瞬态变化。因此，本发明使用小波变换对回波信号进行滤噪处理，有效滤除回波底噪，提高检测灵敏度。中心矩可以反映变量取值的分散程度，是常用的统计学参量。本发明设计了基于中心矩的声速计算算法，以提高测量准确度。例如，测速过程中系统以3khz的频率进行超声波激发，这样在一个待测点每秒可获得3000个测量时间量，将时间量按序分为多个矩阵，分别计算每个矩阵的三阶中心矩，取其值最小的一个矩阵作为最平稳矩阵，该矩阵时间量的平均值即作为待测位置的回波时间，再结合固定的耦合液传播距离，即可推算出当前耦合液声速。该方法有效降低了随机误差，测量误差小于1m/s。另外，为提高测量准确度，测速模块对接收的回波数据不经过任何压缩处理。

本发明实施例提供的一种基于上述装置的耦合液循环加注方法，该方法包括：

11、泵通过进水管和出水管向探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液。

可选地，在该实施例中，该方法包括：

21、控制器根据设定的温度阈值和温度传感器测得的耦合液温度控制温度调节器对耦合液进行恒温调节；

22、泵通过进水管和出水管向温度调节器和探轮内的耦合液腔体输送循环的耦合液。

可选地，在该实施例中，所述控制器包括模糊控制器和pwm脉冲发生器；

步骤21具体包括：

211、所述模糊控制器按照模糊-pid温控算法对设定的温度阈值和所述温度传感器测得的耦合液温度进行处理，输出控制结果；

212、所述pwm脉冲发生器根据所述控制结果输出pwm方波；

213、所述温度调节器在所述pwm方波的控制下进行加热或制冷。

可选地，在该实施例中，所述控制器还包括测速模块，该方法还包括：

23、所述测速模块对探头接收的钢轨反射回波依次进行小波滤噪和中心矩算法处理，输出声速测量结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。