基于电磁法的管道车瞬时速度测量系统的制作方法

本发明属于电磁学和管道水力输送技术领域，具体涉及一种基于电磁法的管道车瞬时速度测量系统。

背景技术：

传统的铁路与公路运输、航空和水路运输中存在着环境污染以及耗费大量不可再生能源等一系列制约社会发展的问题。因此寻求新型节能环保的运输方式，已成为一个实际运输行业有待解决的重点问题。

筒装料管道水力输送方式便是符合这一理念的节能环保型输送技术，它是是以水为载体，以泵为动力，通过密封管道来输送物料的一种方式。该输送过程中能耗问题具有非常大的研究价值。管道车运行过程中的能耗主要由管道车运行速度和管道车结构决定。管道车作为筒装料水力输送的核心部件之一，其运动速度的测量对该输送技术的能耗研究就显得十分重要。传统的测速方法有光电检测法、被动式电感检测法。光电检测方法局限于透明管道，当光线无法透过管道时，该方法将无法使用，同时该方法对于物体速度较快时，速度测量不稳定；被动式电感检测法，该方法由于被动检测法的检测距离较短，只适用于体型较大物体的速度测量，而对于体积较小的管道车运动速度将无法检测。

技术实现要素：

本发明的技术目的是提供一种基于基于电磁法的管道车瞬时速度测量系统，以弥补现有技术的不足。

根据电磁场理论，通有交变电流的导线周围会产生交变的电磁场。如果将导线做成圆形线圈，载流圆形线圈在空间任意一点的磁场分布可由毕奥-萨伐尔定律求得。如图1所示，在圆形管道上绕有通入频率为20khz电流单闸线圈，柱坐标系中，圆心o为坐标原点，z轴垂直于圆线圈所在平面，圆半径为r，通有恒定电流i线圈内轴向空间一点p的磁感应强度b仅有z方向和ρ方向两个分量bz和bρ。

从公式(1)可以看出：当ρ为定值时，p点沿z轴负方向靠近线圈平面时，z轴方向的磁感应强度随着距离的减小而增加，通过检测z轴方向相应位置的磁场强度就可以获得p点距离圆形线圈平面的长度。

基于上述原理，为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种基于电磁法的管道车瞬时速度测量系统，该测量系统包括位于管道上的激励线圈和设置于管道车上的一对检测线圈、核心控制器、电磁信号产生电路、电磁信号接收调理电路、无线数据传输模块和pc处理端；所述电磁信号产生电路能够一个有效值恒定的交变电流，使所述激励线圈产生变化的电磁信号，所述检测线圈接收电磁信号传送至电磁信号接收调理电路，再传至所述核心控制器，所述核心控制器根据接收到两个电磁信号的时间差进行计算得出管道车瞬时速度数据，该管道车瞬时速度数据通过无线数据传输模块传至pc处理端进行存储。

进一步的，所述一对检测线圈设置于管道车的两端。

进一步的，所述核心控制器为stm32f103控制器。

进一步的，所述无线数据传输模块为一zigbee无线模块。

进一步的，所述测量系统还包括一oled显示屏。

进一步的，所述管道车外部还设有支撑体，用于管道车与管道的轴心保持一致。

进一步的，所述电磁信号产生电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路。

振荡电路中由无源晶振产生一个40khz的频率信号，该信号经过一级非门缓冲整形后得到40khz方波信号，方波信号经过d型触发器二分频后产生两路20khz互补输出的方波信号，该信号驱动一个由四个mos管构成的h桥电路，h桥的负载连接激励线圈，由于管道上线圈较多，为抵消线圈中的感抗，在负载线圈始端串联一个1μf电容。激励线圈中交变电流大小由工作在放大区的n型mos管控制，通过观察毫伏表，能够准确调节激励线圈中电流值，确保了线圈在空间内产生的电磁场基本保持不变，实现了检测范围和功耗的有效控制。

进一步的，所述电磁信号接收调理电路包括选频网络、前置放大电路、整流滤波电路、比较输出电路。

选频网络是由一个10mh的工字型电感和6.8nf电容构成串联谐振电路，电磁波频率为20khz时选频网络能输出最大幅值，将该信号经过四运放sgm724前置放大和精密整流，滤波处理后得到与电磁信号强度成正相关的直流信号，该信号与对应位置处固定的阈值电压比较后输出上升沿信号，利用管道车行进过程中产生的两个上升沿时间差就可以计算管道车的瞬时速度。

本发明的优点和技术效果为：

本发明设计了一种主动式电磁激励测量系统。该系统通过调节激励信号强度，来测量管道内(透明管道和非透明管道)任意段的管道车速度。同时利用该系统设计了管道车瞬时速度测量系统，此系统能够将管道上多点位的管道车速度值以无线方式传送回pc机。

本发明提出了一种新型的管道车车速电磁测量方法，解决了光电法不能测量非透明管道内管道车速度的缺陷；采用一对线圈接收信号，线圈距离较小时，测量速度值接近瞬时速度，提高了速度测量的准确性；测量的过程中采用了无线数据收发方式，解决了现场繁杂的布线问题。基于此方法设计了上位机软件，实现了对应位置处速度曲线的实时绘制，并将对应点位的速度值存入数据库。经过现场测量，管道车电磁测速方法能够满足物体在管道内运行时的速度测量要求，具有一定的工程应用价值。

本发明的整体系统结构简单，容易实现，且通过具体实验验证了利用本发明测量的数据准确度极高。本发明能够作为一种成熟的管道车瞬时速度测量系统加以推广应用。

附图说明

图1为载流圆线圈柱坐标系图。

图2为本发明管道车测速结构示意图。

图3为本发明管道车瞬时速度测量系统结构框图。

图4为本发明中接收信号调理电路图。

图5为实施例2中电磁法测量结果曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步解释和说明。

实施例1：

如图3所示，一种基于电磁法的管道车瞬时速度测量系统，该测量系统包括位于管道上的激励线圈和设置于管道车上的一对检测线圈、核心控制器、电磁信号产生电路、电磁信号接收调理电路、无线数据传输模块和pc处理端；所述电磁信号产生电路能够一个有效值恒定的交变电流，使所述激励线圈产生变化的电磁信号，所述检测线圈接收电磁信号传送至电磁信号接收调理电路，再传至所述核心控制器，所述核心控制器根据接收到两个电磁信号的时间差进行计算得出管道车瞬时速度数据，该管道车瞬时速度数据通过无线数据传输模块传至pc处理端进行存储。

进一步的，所述一对检测线圈设置于管道车的两端。

进一步的，所述核心控制器为stm32f103控制器。

进一步的，所述无线数据传输模块为一zigbee无线模块。

进一步的，所述测量系统还包括一oled显示屏。

进一步的，所述管道车外部还设有支撑体，用于管道车与管道的轴心保持一致。

进一步的，所述电磁信号产生电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路。

振荡电路中由无源晶振产生一个40khz的频率信号，该信号经过一级非门缓冲整形后得到40khz方波信号，方波信号经过d型触发器二分频后产生两路20khz互补输出的方波信号，该信号驱动一个由四个mos管构成的h桥电路，h桥的负载连接激励线圈，由于管道上线圈较多，为抵消线圈中的感抗，在负载线圈始端串联一个1μf电容。激励线圈中交变电流大小由工作在放大区的n型mos管控制，通过观察毫伏表，能够准确调节激励线圈中电流值，确保了线圈在空间内产生的电磁场基本保持不变，实现了检测范围和功耗的有效控制。

如图4所示，所述电磁信号接收调理电路包括选频网络、前置放大电路、整流滤波电路、比较输出电路。

选频网络是由一个10mh的工字型电感和6.8nf电容构成串联谐振电路，电磁波频率为20khz时选频网络能输出最大幅值，将该信号经过四运放sgm724前置放大和精密整流，滤波处理后得到与电磁信号强度成正相关的直流信号，该信号与对应位置处固定的阈值电压比较后输出上升沿信号，利用管道车行进过程中产生的两个上升沿时间差就可以计算管道车的瞬时速度。

基于以上电磁原理设计的管道车测速结构如图2所示，在管道车内平行于轴线的p1p2线段两端点位置放置一对检测线圈，p1、p2点之间的距离为l2，当载流圆线圈内通入20khz交变电流时，检测线圈中将感应出电动势，将感应电动势经过放大、整流、滤波后得到一个直流电压量，该电压大小与检测线圈到载流圆线圈平面的距离成正相关。当管道车在圆形线圈右半面且沿z轴负方向运动，且p1检测线圈距离圆线圈平面l1时，p1线圈感应电动势经调理后产生直流电压量，该直流电压量与固定阈值电压比较后，触发一个上升沿信号，同时计数器开始计时，管道车继续运行，当p2检测线圈到达p1位置时，p2线圈感应电动势同样经过调理比较电路处理后也触发一个上升沿脉冲，此时计数停止，计数时间为t。故管道车速度v＝l2/t，l2长度较短，速度v接近瞬时速度。由于管道车内径小于输送管道内径，为了减小管道车的抖动造成测量误差，在管道车两端安装了呈120°的等间隔角的支撑体，使得p1、p2线圈位置与轴线距离保持恒定，即确保了柱坐标系下ρ为定值，从而使得感应电动势大小只与z轴方向距离有关。

实施例2：

具体结构和应用过程同实施例1。

将管道车投放到筒装料管道水力输送管道中进行了现场测试实验，实验管道为有机玻璃圆管，全场为44m，管径100mm，管道两端有投放与接收管道车的装置。实验时，水先由离心泵从地下水库抽入输水钢管，通过阀门调节流量后送入有机玻璃管道和不锈钢管内，管道车在压力水的作用下开始在管道内加速运行。

采用电磁法在管道相同位置同时进行15次测量，将两者测量结果进行比较，绘制图形如图5所示，两者的偏差值在0.08m/s以内，测量结果中各个点值上下浮动较小，测量数值偏差较小，即利用本发明测量，结果准确度高，可重复性强。

此外电磁法还对管道车在不锈钢管内的运动速度进行了测量，测量性能稳定，能够满足非透明管道内物体运行速度的测量。