基于電磁法的管道車瞬時速度測量系統

李 飛，孫西歡

(太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024)

傳統的鐵路與公路運輸、航空和水路運輸中存在著環境污染以及耗費大量不可再生能源等一系列制約社會發展的問題，因此尋求新型節能環保的運輸方式，已成為一個運輸行業亟待解決的重點問題。

筒裝料管道水力輸送方式便是符合這一理念的節能環保型輸送技術，它是以水為載體，以泵為動力，通過密封管道來輸送物料的一種方式。該輸送過程中能耗問題具有非常大的研究價值。管道車運行過程中的能耗主要由管道車運行速度和管道車結構決定。管道車作為筒裝料水力輸送的核心部件之一[1-2]，其運動速度的測量對該輸送技術的能耗研究就顯得十分重要[3-4]。傳統的測速方法有光電檢測法、被動式電感檢測法。光電檢測方法局限于透明管道，當光線無法透過管道時，該方法將無法使用，同時該方法對于物體速度較快時，速度測量不穩定；被動式電感檢測法，由于被動檢測法的檢測距離較短，只適用于體型較大物體的速度測量，而對于體積較小的管道車運動速度將無法檢測。基于上述測量方法存在的各種缺限，本文設計了一種主動式電磁激勵測量方法。該方法通過調節激勵信號強度來測量管道內(透明管道和非透明管道)任意段的管道車速度。同時利用該方法設計了管道車瞬時速度測量系統，此系統能夠將管道上多點位的管道車速度值以無線方式傳送回PC機[5]。

1 電磁方法測量管道車速度原理

根據電磁場理論，通有交變電流的導線周圍會產生交變的電磁場。如果將導線做成圓形線圈，載流圓形線圈在空間任意一點的磁場分布可由畢奧-薩伐爾定律求得。圖1為載流圓線圈柱坐標系圖，在圓形管道上繞有通入頻率為20 kHz電流單閘線圈，柱坐標系中，圓心O為坐標原點，Z軸垂直于圓線圈所在平面，圓半徑為R，通有恒定電流I線圈內軸向空間一點P的磁感應強度B僅有Z方向和ρ方向兩個分量Bz和Bρ[6].

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圖1 載流圓線圈柱坐標系 Fig.1 Current-carrying circular coil cylindrical coordinate system

式中：μ0為真空中磁導率，μ0=4π×10-7；I為線圈內電流；Z為空間一點P到載流線圈平面的距離；R為載流線圈半徑；ρ為空間一點P在ρ軸上投影點到圓心O點的距離。

從公式(1)可以看出：當ρ為定值時，P點沿Z軸負方向靠近線圈平面時，Z軸方向的磁感應強度隨著距離的減小而增加，通過檢測Z軸方向相應位置的磁場強度就可以獲得P點距離圓形線圈平面的長度。

基于以上電磁原理設計的管道車測速結構如圖2所示，在管道車內平行于軸線的P1，P2線段兩端點位置放置一對檢測線圈，P1，P2點之間的距離為L2，當載流圓線圈內通入20 kHz交變電流時，檢測線圈中將感應出電動勢，將感應電動勢經過放大、整流、濾波后得到一個直流電壓量，該電壓大小與檢測線圈到載流圓線圈平面的距離成正相關。當管道車在圓形線圈右半面且沿Z軸負方向運動，且P1檢測線圈距離圓線圈平面L1時，P1線圈感應電動勢經調理后產生直流電壓量，該直流電壓量與固定閾值電壓比較后，觸發一個上升沿信號，同時計數器開始計時，管道車繼續運行；當P2檢測線圈到達P1位置時，P2線圈感應電動勢同樣經過調理比較電路處理后也觸發一個上升沿脈沖，此時計數停止，計數時間為t.故管道車速度v=L2/t，L2長度較短，速度v接近瞬時速度。由于管道車內徑小于輸送管道內徑，為了減小管道車的抖動造成測量誤差，在管道車兩端安裝了呈120°的等間隔角的支撐體，使得P1，P2線圈位置與軸線距離保持恒定，即確保了柱坐標系下ρ為定值，從而使得感應電動勢大小只與Z軸方向距離有關。

圖2 管道車測速結構圖 Fig.2 Schematic diagram of measurement structure of the piped carriage

2 管道多點位瞬時速度測量系統設計

2.1 系統總體設計

管道車瞬時速度測量系統結構框圖如圖3所示。它由核心控制器STM32F103、電磁信號發射電路、位置信號檢測電路、ZigBee無線模塊、上位機軟件和數據庫等構成[7-9]。在全管道的對應位置安裝信號激勵線圈，管道車行進到該位置時就能檢測管道車在該點的瞬時速度，并將該速度值以無線傳輸的方式傳送回上位機，同時存入數據庫。為便于調試階段觀察數據，還裝有一塊OLED顯示屏。一個管道車內裝有兩個檢測線圈，檢測位置方法相同，圖3中僅示意出一路檢測電路。

圖3 系統總體結構功能圖 Fig.3 System overall structure function diagram

2.2 功能單元設計

2.2.1電磁信號產生電路

電磁信號產生電路主要是給管道上待測速位置線圈提供一個有效值恒定的交變電流，使得該線圈產生變化的電磁信號。該電路由振蕩電路、功率輸出電路、恒流控制電路組成[9]。振蕩電路中由無源晶振產生一個40 kHz的頻率信號，該信號經過一級非門緩沖整形后得到40 kHz方波信號，方波信號經過D型觸發器二分頻后產生兩路20 kHz互補輸出的方波信號，該信號驅動一個由4個MOS管構成的H橋電路，H橋的負載連接激勵線圈，由于管道上線圈較多，為抵消線圈中的感抗，在負載線圈始端串聯一個1 μF電容。激勵線圈中交變電流大小由工作在放大區的N型MOS管控制，通過觀察毫伏表，能夠準確調節激勵線圈中電流值，確保了線圈在空間內產生的電磁場基本保持不變，實現了檢測范圍和功耗的有效控制。

2.2.2電磁信號接收調理電路

電磁信號接收電路如圖4所示。主要將檢測到的磁場強度與設定位置處的磁場強度閾值進行比較，觸發一個上升沿信號。管道車的車頭和車尾處各裝有一套檢測電路。該電路由選頻網絡、前置放大電路、整流濾波電路、比較輸出電路組成[10-11]。選頻網絡是由一個10 mH的工字型電感和6.8 nF電容構成串聯諧振電路，電磁波頻率為20 kHz時選頻網絡能輸出最大幅值，該信號經過四運算放大器SGM724進行前置放大和精密整流。濾波處理后得到與電磁信號強度成正相關的直流信號[12]，該信號與對應位置處固定的閾值電壓比較后輸出上升沿信號，利用管道車行進過程中產生的兩個上升沿時間差就可以計算管道車的瞬時速度。

圖4 接收信號調理電路 Fig.4 Receiving signal conditioning circuit

3 系統軟件設計

系統程序包含有初始化程序，捕獲計數程序，串口通信程序等。程序流程如圖5所示。捕獲計數程序是測速系統中的核心程序，測量結果的準確性主要由兩個上升沿的時間差決定，試驗中采用TIM4作為捕獲計數器。如果觸發第一個上升沿后500 ms內未檢測到第二個上升沿則超時，直接進入下次循環。管道車運行過程中自動給每一個測速點設定一個標號，用于區分不同位置處的速度值，然后將對應位置的標號和計算后的速度值通過ZigBee模塊傳送回PC機，并存儲在MySQL數據庫中。

4 系統實驗

將管道車投放到筒裝料管道水力輸送管道中進行了現場測試實驗，實驗管道為有機玻璃圓管，全長為44 m，管徑100 mm，管道兩端設置了投放與接收裝置。實驗時，水先由離心泵從地下水庫抽入輸水鋼管，通過閥門調節流量后送入有機玻璃管道和不銹鋼管內，管道車在壓力水的作用下開始在管道內加速運行，管道車實物如圖6所示。

圖5 測速系統流程圖 Fig.5 Flow chart of velocity measurement system

采用光電法和電磁法在管道相同位置同時進行15次測量，將兩者測量結果進行比較，繪制圖形如圖7所示，兩者的偏差值在0.08 m/s以內，測量結果基本相同。此外電磁法還對管道車在不銹鋼管內的運動速度進行了測量，測量性能穩定，能夠滿足非透明管道內物體運行速度的測量。

圖6 管道車實物圖 Fig.6 Physical drawing of the piped carriage

圖7 電磁法和光電法測量結果曲線 Fig.7 Electromagnetic and photoelectric measurement result curve

5 結束語

本文提出了一種新型的管道車車速電磁測量方法，解決了光電法不能測量非透明管道內管道車速度的缺陷；采用一對線圈接收信號，線圈距離較小時，測量速度值接近瞬時速度，提高了速度測量的準確性；測量的過程中采用了無線數據收發方式，解決了現場繁雜的布線問題。基于此方法設計了上位機軟件，實現了對應位置處速度曲線的實時繪制，并將對應點位的速度值存入數據庫。經過現場測量，管道車電磁測速方法能夠滿足物體在管道內運行時的速度測量要求，具有一定的工程應用價值。