CN101354323A - 超声波检测自动采样装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

超声波检测自动采样装置及其工作方法，属于自动采样技术领域。自动采样装置包括采样大车、采样小车、升降机构、采样装置、辅助电气设备和操作室；采样小车与采样大车活动连接，采样大车和采样小车上均装有接近开关，接近开关与计算机连接；升降机构和采样装置安装在采样小车内，采样小车内设有超声波***，采样大车在电机驱动下沿三维空间的Y轴运动，采样小车电机驱动下沿三维空间的X轴运动，电机与变频器连接；辅助电气设备包括接触器、断路器、光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***，光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***与计算机连接。整个装置在计算机控制下，实现自动、远程、无人值守采样。

Description

超声波检测自动采样装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种超声波检测自动采样装置及其工作方法，属于自动采样技术领域。

背景技术

目前国内汽车采样设备和火车采样设备均为本地值守采样，采用本地手工操作。其弊端是：此种方式仍然是现场操作，工作人员离不开现场，因而失去自动的意义，原料检验过程中存在人为干扰因素，样品随机性降低，影响客观分析原燃料质量，样品代表性受到个人经济利益的严重挑战。

发明内容

本发明针对现有技术现场值守采样弊端，提供一种稳定、高效、智能化的超声波检测自动采样装置及其工作方法。

一种超声波检测自动采样装置，包括采样大车、采样小车、升降机构、采样装置、辅助电气设备和操作室；采样小车与采样大车活动连接，采样大车和采样小车上均装有接近开关，接近开关与计算机连接；升降机构和采样装置安装在采样小车内，采样小车内设有超声波***，采样大车在电机驱动下沿三维空间的Y轴运动，采样小车电机驱动下沿三维空间的X轴运动，电机与变频器连接；辅助电气设备包括接触器、断路器、光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***，光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***与计算机连接。

所述的升降机构包括传动齿轮、齿条、导向装置、升降驱动装置、升降计数开关、升降上接近开关和升降下接近开关，升降计数开关、升降上接近开关和升降下接近开关与计算机连接；升降机构沿三维空间的Z轴运动；所述的升降驱动装置是电机，电机与变频器连接。

所述的采样机构由驱动电机、减速传动箱、钻杆、采样钻头组成，驱动电机固定在减速传动箱上，钻杆与减速传动箱连接，采样钻头与钻杆连接。

所述的采样大车上的接近开关包括大车左接近开关、大车中接近开关和大车右接近开关。

所述的采样小车上的接近开关包括小车前接近开关、小车中接近开关和小车后接近开关。

所述的摄像机包括边缘识别摄像机、定位摄像机和辅助摄像机。

所述的操作室是***的操作平台，安装有控制柜，该控制柜用于安装变频器、PLC；还安装有大车行走、小车行走、取样器升降、取样/卸样操作手柄、按钮以及紧急通车、复位等按钮。

上述超声波检测自动采样装置的工作方法如下：

1)当车辆进入采样区域，远程职守人员通过定位摄像机和辅助摄像机确定采样汽车的车型及到位情况，待采样机***自检正常后，***自动调用该车辆的数据库，确定采样深度Z轴坐标、采样X轴和采样Y轴坐标；

2)***通过变频调速器控制电机平稳运行，带动采样大车沿Y轴方向行走，安装在采样大车上的接近开关对其行程进行计数，大车左接近开关、大车中接近开关、大车右接近开关完成Y轴精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制计算机，控制采样点的Y轴定位，采样大车总行程24m，大车行走速度0-38.6m/min可调；

3)***制动电机和变频调速器，带动采样大车沿X轴方向行走，安装在采样小车上的计数开关和分布在小车前接近开关、小车中接近开关、小车后接近开关、实时测距，完成X轴精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制***，控制采样点的X轴定位，采样小车总行程7.5m，行走速度0-31.5m/min可调；

4)采样大车与采样小车都到达被采样车辆上方，***通过升降计数开关、升降上接近开关、升降下接近开关实时测距，完成Z轴采样深度坐标精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制***，控制采样点的Z轴定位，升降总行程3.4m，速度10.5m/min，单点采样时间＜60秒，采样量约3Kg；

5)采样钻头垂直方向下行采样；

6)采样机构从采样点到卸料点，采样钻头采样完毕；垂直方向上行至原位置后，采样大车、采样小车启动回到卸料点，然后采样钻头反转，卸料成功。

采样设备简介：

以汽车采样机为例：

名称	参数	名称	参数
				S(大车轨距)	7.5米	小车下标高	4米
L1(大车总长)	7.74米	大车轨顶面标高	6.3米
				L2(房屋宽度)	9米	房屋下弦标高	9.5米
B(大车总宽)	3.62米
				小车外形尺寸(a*b*h)	1.3米*1.44米*5.3米
采样升降行程	3.4米	装机容量	30KW；380V；50HZ
				大车道轨型号	24Kg/m	采样区间长度	23米
大车轮压	74KN

硬件设备：汽车桥式采样机结构

QKC-Q1桥式精确采样机主要用于汽车车厢矿样的采集。

采样品种：

精粉矿(200目小于80％)

粗粉(粒度＜20mm)

设备结构及主要技术参数

大车***主要技术参数

名称	参数	名称	参数
				大车轨面相对地面高度	7.4m	单点采集时间	小于60秒
大车跨度	7.5m	适应物料含水量	采样不受水份限制，
				采样头至地面最大尺寸	4.5m	采样行程	3.4m
采样头至地面最小尺寸	1.1m	运行速度	参数
				轮距	3.0m	行走电机型号	YSE90L-4D
运行速度	0-38.6m/min	额定转速	12O0r/min
				钢轨型号	24Kg/m轻轨	额定功率	1.5KW×2
工作级别	A3-A5	减速机型号	QJ-TY10.0
				车轮直径	270mm	减速比	1∶26.36
变频器规格	FRN3.7G11S-4CX	升降、采样、收集器电机	7.5KW/11KW×2/0.75KW×2

采样机定位坐标介绍：

从卸料点到取样点，X-X1，Y-Y1，Z-Z1

从取样点到卸料点，X-X1，Y-Y1，Z-Z1

X-X1，大车行进方向

Y-Y1，小车行进方向

Z-Z1，采样钻头垂直行进方向

控制***硬件采用MODICON QUANTUM 140 CPU 651 50PLC PLC具有两个32路离散量输入端子模块140 DDI 353 00和两个32路离散量输出端子模块140 DRA 840 00、富士变频器、PLC CPU带有以太网接口，辅助电气设备采用施耐德系列接触器、断路器。

边缘识别和超声波检测智能控制策略主要有：

由于各类送货车型的大小差异，我们选用了广角镜头DL-705MC，(车厢最大检测长度18+5m)但却造成了图像边缘变形。采样机械执行机构除了行走误差，(采样点坐标与设定的坐标误差＜50mm)外，增加了边缘识别误差，造成远程采样过程中，采样头钻车帮的问题。

由于采用远程PLC控制，在采样小车移动到采样点，单点采样时间＜2秒，因此在远程发现采样点坐标偏移后，没有远程响应的紧急制动的操作时间。

边缘识别：图像识别是视频技术的最高境界，图像识别的方法基本上分为统计方法和结构分析两类，前者是以数学决策理论为基础，建立统计学的识别模型，指纹、掌形的识别多采用这种方法，其特点是稳定、但很少利用图像本身的结构关系。后者则主要是分析图像的结构，它充分地发挥了图像的特点，但容易受图像生成过程中噪声干扰的影响。

采用图像识别中结构识别的方法对图像集中在图像轮廓曲度最大或轮廓方向突然改变的地方识别，即集中在图像的主要特征上的边缘进行识别，这些地方的信息量最大。是依次从一个特征转到另一个特征上临界点，在图像边缘识别过程中，排除输入的多余信息，抽出关键的信息。

高质量图像输入***是通过设置在采样车顶棚的红外广角摄像机，保证在各种环境条件下能采集到足够分辨率、适当方位和灰度变化的图像。

为保证图像边缘的远程坐标识别的精度，将远程端边缘变形图像的结构，再次进行图像分割，将PLC定位坐标和机械执行机构中各类光电编码器确定的控制测点，建立数学模型，重新修正机械执行机构的行走误差，将图像边缘误差，通过机械执行机构的PLC远程控制累计到图像分割的中间区域中。即对车厢中间区域进行采样过程中，在保证采样点坐标和设定坐标误差(＜50mm)的前提下，误差上限放大；边缘误差下限降低。在本地无人值守自动采样***中，数字视频***不再是仅用于观察可视图像的***，而是具有探测和特征识别功能的综合***。它采用适当的图像分割方法和预处理技术，以保证图像特征有效地提取或模板的生成。

边缘识别技术的运用，仍然没有摆脱采样过程中人为参与画框的弊端。因此我们又运用了超声波检测技术，真正实现本地无人值守远程自动随机采样声波频率超过20kHz的声波称为超声波，超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播，碰到杂质或界面就会有显著的反射，即所谓的脉冲——回波方式。该方式的基本电路框图如图4所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。

当送料车辆进入采样机区域时，首先由声波发射器向车辆发射高频脉冲波束，波束发射后即刻自行关机，同时又打开声波接收器检测回声信号，定时器计算在空气中声波的传播时间，从而换算出被测货物到声波传感器之间的距离，识别车辆的车厢坐标。

图中b区为超声波设定的间距，当障碍物在a区时，超声波检测车厢无效，当障碍物在c区时同样检测车厢无效，只有在b区内检测到车厢才认为有效。

超声波检测技术作为一种典型的非接触检测方法，工业自动控制等方面得到广泛的应用，超声波测距***电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，这是视频边缘识别所无法比拟的。

然而超声波测距在实际应用发现，由于运输车辆车厢中紧固钢丝绳或加固横筋的位置等车厢内部非标结构的影响，超声波测距的精度存在偏差，一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，对把干扰回波或零反射作为车厢定位接收回波，将造成车厢和驾驶室的识别偏差，造成采样头钻驾驶室的危险。因此将以上两种技术进行融合，发明了边缘识别技术和超声波检测技术实现远程取样范围确定。

附图说明

图1是本发明中采样机构主视图。

图2是本发明中采样机构侧视图。

图3是本发明中采样传动机构示意图。

图4是本发明中超声波测距基本电路框图。

图5是本发明中升降机构工作流程图。

图6是本发明采样流程图。

其中，1、电机，2、减速机，3、齿条，4、采样头，5、滑轮，6、配重。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详述。

实施例

一种超声波检测自动采样装置，如图1、图2和图3所示，包括采样大车、采样小车、升降机构、采样装置、辅助电气设备和操作室；采样小车与采样大车活动连接，采样大车和采样小车上均装有接近开关，接近开关与计算机连接；升降机构和采样装置安装在采样小车内，采样小车内设有超声波***，采样大车在电机驱动下沿三维空间的Y轴运动，采样小车电机驱动下沿三维空间的X轴运动，电机与变频器连接；辅助电气设备包括接触器、断路器、光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***，光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***与计算机连接。

所述的升降机构包括传动齿轮、齿条、导向装置、升降驱动装置、升降计数开关、升降上接近开关和升降下接近开关，升降计数开关、升降上接近开关和升降下接近开关与计算机连接；升降机构沿三维空间的Z轴运动；所述的升降驱动装置是电机，电机与变频器连接。

所述的采样机构由驱动电机、减速传动箱、钻杆、采样钻头组成，驱动电机固定在减速传动箱上，钻杆与减速传动箱连接，采样钻头与钻杆连接。

所述的采样大车上的接近开关包括大车左接近开关、大车中接近开关和大车右接近开关。

所述的采样小车上的接近开关包括小车前接近开关、小车中接近开关和小车后接近开关。

所述的摄像机包括边缘识别摄像机、定位摄像机和辅助摄像机。

所述的操作室是***的操作平台，安装有控制柜，该控制柜用于安装变频器、PLC；还安装有大车行走、小车行走、取样器升降、取样/卸样操作手柄、按钮以及紧急通车、复位等按钮。

上述超声波检测自动采样装置的工作方法如下：

1)当车辆进入采样区域，远程职守人员通过定位摄像机和辅助摄像机确定采样汽车的车型及到位情况，待采样机***自检正常后，***自动调用该车辆的数据库，确定采样深度Z轴坐标、采样X轴和采样Y轴坐标；

2)***通过变频调速器控制电机平稳运行，带动采样大车沿Y轴方向行走，安装在采样大车上的接近开关对其行程进行计数，大车左接近开关、大车中接近开关、大车右接近开关完成Y轴精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制计算机，控制采样点的Y轴定位，采样大车总行程24m，大车行走速度0-38.6m/min可调；

3)***制动电机和变频调速器，带动采样大车沿X轴方向行走，安装在采样小车上的计数开关和分布在小车前接近开关、小车中接近开关、小车后接近开关、实时测距，完成X轴精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制***，控制采样点的X轴定位，采样小车总行程7.5m，行走速度0-31.5m/min可调；

4)采样大车与采样小车都到达被采样车辆上方，***通过升降计数开关、升降上接近开关、升降下接近开关实时测距，完成Z轴采样深度坐标精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制***，控制采样点的Z轴定位，升降总行程3.4m，速度10.5m/min，单点采样时间＜60秒，采样量约3Kg；

5)采样钻头垂直方向下行采样；

6)采样机构从采样点到卸料点，采样钻头采样完毕；垂直方向上行至原位置后，采样大车、采样小车启动回到卸料点，然后采样钻头反转，卸料成功。

本实施例为QKC-Q1桥式精确采样机适用，具体方法步骤：

1、采样客户端截取图

车辆计量完成后进入采样区，远程控制人员根据车号调出计量信息，确定采样后，***生成唯一识别码，计量***中自动添加唯一识别码，在质量***中唯一识别码、桶号等信息，连同物资名称等也同时保存。待质检人员将化验结果录入质量***后，通过检索，匹配，将计量信息、质检信息整合存入一体化***。

边缘识别和超声波检测技术.实施远程控制主要采用了智能采样室设计。

智能采样室由以下几个模块组成：车号识别、车辆位置判别、车辆识别、远程语音交互、智能照明、电源***；在现场安装多功能一体化监控设备模块，分别采用温湿度探头、烟感探头、红外线报警探头、水淹探头及电压、电流传感器，对现场各种环境数据进行实时监控，并提供报警信号、数据采集和处理等。

具体优点、特点、积极效果：

莱钢原燃料质计量一体化与自动采样技术的实施，在一定范围内实施了企业内部业务流程再造。

1、原有的管理流程非常复杂，难度高、工作量大，质计量将其融为一体实现了智能多元化，提高了技术含量。

2、数据的整合，为数据管理提供了强大的数据支持，数据管理严谨，准确无误。

3、减少了大宗原燃料质量异议的发生。

***影响及国内外对比

莱钢原燃料质计量一体化与自动采样技术，在国内外是第一次提出这个概念，同时该***的核心内容在国内外也未见有实施的，只是看到有部分相关的理念提出，根据***实施效果来看，本***的实施，在一定范围内开创企业信息化建设的先河。

(1)远程集中随机取样后，避免了原来人工现场取样的作弊行为，以莱钢每年进厂矿料为例，每年进量约1200万吨，实施远程集中随机取样后每吨按平均避免损失0.5个品位，一个品位平均按10元计算，一年可避免损失1200*10*0.5＝0.6(亿元)，本***按50％贡献率算，可创经济效益0.6*50％＝3000万元。

(2)数据整合、处理发布，网上数传、结算方面：

在这一方面，其间接效益是显著的，为用户提供准确、高效的“订单”式数据，大大提高了工作效率及决策的准确性，通过网上数传、结算***的使用大大降低了人工、车辆及其他相关办公成本，提高了工作效率。据测算，全公司这部分成本全年减少可达到16万元。

本***总投资为1200万元，按照投资回收期5年计算，每年折旧为：1200÷5＝240万元。

综上所述，本***年创经济效益可达：

3000+16-240＝2776(万元)。

Claims (8)

1、一种超声波检测自动采样装置，其特征在于，包括采样大车、采样小车、升降机构、采样装置、辅助电气设备和操作室；采样小车与采样大车活动连接，采样大车和采样小车上均装有接近开关，接近开关与计算机连接；升降机构和采样装置安装在采样小车内，采样小车内设有超声波***，采样大车在电机驱动下沿三维空间的Y轴运动，采样小车电机驱动下沿三维空间的X轴运动，电机与变频器连接；辅助电气设备包括接触器、断路器、光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***，光电编码器、接近开关、摄像机和超声波***与计算机连接。

2、如权利要求1所述的超声波检测自动采样装置，其特征在于，所述的升降机构包括传动齿轮、齿条、导向装置、升降驱动装置、升降计数开关、升降上接近开关和升降下接近开关，升降计数开关、升降上接近开关和升降下接近开关与计算机连接；升降机构沿三维空间的Z轴运动；所述的升降驱动装置是电机，电机与变频器连接。

3、如权利要求1所述的超声波检测自动采样装置，其特征在于，所述的采样机构由驱动电机、减速传动箱、钻杆、采样钻头组成，驱动电机固定在减速传动箱上，钻杆与减速传动箱连接，采样钻头与钻杆连接。

4、如权利要求1所述的超声波检测自动采样装置，其特征在于，所述的采样大车上的接近开关包括大车左接近开关、大车中接近开关和大车右接近开关。

5、如权利要求1所述的超声波检测自动采样装置，其特征在于，所述的采样小车上的接近开关包括小车前接近开关、小车中接近开关和小车后接近开关。

6、如权利要求1所述的超声波检测自动采样装置，其特征在于，所述的摄像机包括边缘识别摄像机、定位摄像机和辅助摄像机。

7、如权利要求1所述的超声波检测自动采样装置，其特征在于，所述的操作室是***的操作平台，安装有控制柜，该控制柜用于安装变频器、PLC；还安装有大车行走、小车行走、取样器升降、取样/卸样操作手柄、按钮以及紧急通车、复位等按钮。

8、一种超声波检测自动采样装置的工作方法，其特征在于，工作方法如下：

1)当车辆进入采样区域，远程职守人员通过定位摄像机和辅助摄像机确定采样汽车的车型及到位情况，待采样机***自检正常后，***自动调用该车辆的数据库，确定采样深度Z轴坐标、采样X轴和采样Y轴坐标；

2)***通过变频调速器控制电机平稳运行，带动采样大车沿Y轴方向行走，安装在采样大车上的接近开关对其行程进行计数，大车左接近开关、大车中接近开关、大车右接近开关完成Y轴精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制计算机，控制采样点的Y轴定位，采样大车总行程24m，大车行走速度0-38.6m/min可调；

3)***制动电机和变频调速器，带动采样大车沿X轴方向行走，安装在采样小车上的计数开关和分布在小车前接近开关、小车中接近开关、小车后接近开关、实时测距，完成X轴精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制***，控制采样点的X轴定位，采样小车总行程7.5m，行走速度0-31.5m/min可调；

4)采样大车与采样小车都到达被采样车辆上方，***通过升降计数开关、升降上接近开关、升降下接近开关实时测距，完成Z轴采样深度坐标精确数学模型的建立，并将数据反馈到控制***，控制采样点的Z轴定位，升降总行程3.4m，速度10.5m/min，单点采样时间＜60秒，采样量约3Kg；

5)采样钻头垂直方向下行采样；

6)采样机构从采样点到卸料点，采样钻头采样完毕；垂直方向上行至原位置后，采样大车、采样小车启动回到卸料点，然后采样钻头反转，卸料成功。

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