CN108020224A - 一种自主式闸门开度仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主式闸门开度仪及其测量方法,包括壳体、显示屏、功能按钮、电源及数据线缆。壳体内电路板上集成有高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计。本发明基于先进的惯性导航理论,通过加速度计和陀螺仪测量闸门运动过程中的加速度值和姿态偏摆,并对时间进行积分运算,从而得出闸门运动过程中的运动速度和开启方向的位移距离。该自主式闸门开度仪安装简单,适用于任何闸门门型,无须外界参考,理论测量范围无限制,可广泛应用于水利水电闸门开度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主式闸门开度仪及其测量方法,属于水利水电工程领域中闸门开度仪的创新产品。
背景技术
在水利水电行业中,闸门起着排水蓄水的重要作用。人们需要随时知道闸门的开度状态,而闸门的启闭大多依靠液压缸来推动,于是绝大多数闸门开度仪都安装在液压缸上,来检测活塞杆的行程,从而检测出闸门开度值。目前,常用的测量闸门开度的位移传感器装置有多种形式,大致可分为三种:钢丝绳旋转编码器、黑色陶瓷活塞杆加CIMS行程检测、磁致伸缩位移传感器。
钢丝绳旋转编码器是水利工程上最早成熟的产品,它的主要部件有:旋转编码器、钢丝绳、自动收缆装置。其测量原理是:当液压缸缸陶瓷活塞杆运动时,钢丝绳被拉动并带动旋转编码器旋转,从中便得知陶瓷活塞杆运动的距离,从而得出闸门的开度。钢丝绳旋转编码器在液压缸上的安装分为内置式与外置式。内置式精度高,抗干扰性强,受环境影响小,不用考虑冬季防冰冻问题,其缺点是安装要求较高,现场保养维护困难,一旦钢丝绳拉断,则有可能损伤液压缸内壁加工面,这不仅是传感器的更换,更涉及到液压缸本身的损伤与拆卸,工程量巨大。外置式钢丝绳可作为独立部件安装在液压缸表面或闸墙上,虽然有效避开内置式的缺点,但这种安装方式受环境因素影响较大,尤其是当钢丝绳浸入水中时,水流冲击、水面结冰、水中漂浮物等因素都会使读数失准。此外,钢丝绳还存在打滑和零点漂移等问题,影响读数稳定性。
陶瓷活塞杆传感器也是水利工程上较为常用的产品之一,主要部件有:陶瓷活塞杆、CIMS行程检测装置。陶瓷活塞杆在喷涂陶瓷之前做了刻槽预处理,CIMS行程检测装置安装在液压缸与陶瓷活塞杆的结合处,并通过采集陶瓷活塞杆上的多行小齿槽来确定陶瓷活塞杆的位移。这类传感器制造困难,成本高,且齿槽处容易被泥沙堵塞,影响读数准确性。
磁致伸缩类位移传感器大多采用内置式,其核心原理是波导管在磁场中运动发出电信号来确定位移量。这类传感器虽然能够获得较高的精度,但其检测长度越长,误差则越大,目前其量程大多在5米内,行程过长对液压缸工作状态也有限制,液压缸水平状态时会导致波导管因挠度弯曲而磨损,导致传感器的使用寿命缩短,后期维护也不方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是巧妙避开上述现有产品的使用缺陷,提出一种自主式闸门开度仪,改变传统闸门开度测量方式,无须任何外界设备参照,可实现闸门开度的直接测量,适用于各种闸门门型,测量无接触无磨损。
在此基础上,本发明进一步提供一种测量方法,基于惯性导航原理,将高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计集成在闸门开度仪中,将本发明闸门开度仪直接安装固定在闸门上,通过测量闸门运动中的加速度和姿态变化,来确定闸门位移行程,其量程不受任何闸门门型及行程限制,且测量精度满足要求。
本发明为解决上述技术问题,采用如下技术方案:
一种自主式闸门开度仪,包括壳体,壳体上有显示屏、功能按钮,壳体内含有电路板,电路板分别与功能按钮和显示屏电连接;其特征在于:电路板中集成有三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计和控制器;三轴加速度计设置为随闸门运动检测闸门运动时的加速度值,三轴陀螺仪设置为检测闸门每时每刻的位置姿态角度,重力感应计设置为确定闸门开启的绝对竖直方向;自主式闸门开度仪直接固定安装在闸门的上端,通过电源与数据线将自主式闸门开度仪和外部闸门控制***连接。
进一步的,初始安装时,在闸门全闭状态下将闸门开度仪固定在闸门上。
进一步的,闸门开度仪固定在闸门上后,对三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计各传感器数据初始化,并设置好闸门相对各传感器运动方向。
进一步的,所述闸门为竖直方向开启门。
进一步的,所述闸门为竖直升降门、弧形门、人字形翻板式闸门。
进一步的,所述闸门为水平侧向移动开启闸门时,只需在三轴陀螺仪调零后,将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。
进一步的,能够测量任意闸门的开度状态,开度测量范围理论上无限制。
采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法,其特征在于:基于惯性导航原理,将高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计集成在闸门开度仪中,将闸门开度仪直接安装固定在闸门上,通过测量闸门运动中的加速度和姿态变化,来确定闸门位移行程。
进一步的,进一步的,所述闸门为竖直方向开启门;当所述闸门为水平侧向移动开启闸门时,只需在三轴陀螺仪调零后,将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。
进一步的,能够测量任意闸门的开度状态,开度测量范围理论上无限制。
进一步的,所述的加速度值和姿态角度,可得出闸门在启动后每个时刻的速度值和开度值:
vn=vn-1+anΔt(n=1,2,3…)
其中,vn为闸门开启后第n个Δt时刻的速度值,an为闸门开启后第n个Δt时刻的加速度值,Sn开度为闸门开启后第n个Δt时刻的闸门开度值,θn闸门开启后第n个Δt时刻速度方向与所设置的闸门开度方向的夹角值。实施例中Δt=2ms,初始值v0=0,S0=0。
本发明另辟蹊径,巧妙避开上述现有产品的使用缺陷,提出一种自主式闸门开度仪,本发明与其他现有技术相比,其优点如下:
1.安装简便,直接安装在闸门顶部即可,维护成本低。
2.改变传统闸门开度测量方式,无须任何外界设备参照,可实现闸门开度的直接测量,适用于各种闸门门型,测量无接触无磨损。
3.测量范围广,理论上无限制。
4.环境适应能力强,不同的环境可选择不同的外型材料,耐腐蚀,耐高压,防水、防尘、防震,且具有宽泛的工作温度范围。
5.灵敏度高,可重复性好,线性度高,响应速度快可达到毫秒级。
附图说明
图1是本发明自主式闸门开度仪的立体视图。
图2是本发明核心处理电路板的控制模块结构图。
图3是本发明自主式闸门开度仪安装在闸门上的示意图(弧形门)。
图4是图3的侧视图。
图5是本发明自主式闸门开度仪安装在闸门上的示意图(人字形门俯视方向)。
图6是闸门运动启动到停止的速度-时间图像示意图。
图1-5中,各附图标记对应如下:1、壳体;2、显示屏;3、功能按钮;4、电源及数据线缆;5、闸门。
具体实施方式
本发明的自主式闸门开度仪结构示意图如图1-5所示,包括有壳体1、显示屏2、功能按钮3和电源及数据线缆4。所述壳体1内部包含有核心处理电路板,电路板上如图2所示,重力感应计主要包括集成高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计和控制器的芯片和***供电电路。
自主式闸门开度仪整体固定在闸门上并随闸门运动,三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计分别与控制器信号连接,将加速度值、姿态角、绝对竖直方向数据发送给控制器,控制器与显示屏2连接将数据显示在显示屏上,同时控制器与闸门控制***信号连接,以便将开度检测信息发送给闸门控制***,用于闸门开度控制。
如图3-4所示,是自主式闸门开度仪在弧形闸门5上安装结构图。弧形闸门5在闸门控制***控制下,绕旋转启闭轴旋转而将左侧上游来水隔绝而将水库封闭。将自主式闸门开度仪(图中壳体1)设置在闸门5的上端,电源及数据线缆4经过防水处理,电源及数据线缆4将壳体1与外部电源和闸门控制***连接。当闸门全闭时,如图3所示,将本发明自主式闸门开度仪的壳体1部分安装固定在闸门5上方,连接好电源及数据线缆4,通过功能按钮3将数据初始化,并设置好闸门运动方向。
如图5为本发明自主式闸门开度仪在人字形翻板式闸门5上安装结构图。俯视方向看去,人字形两扇门以中间竖直轴(中点位置)为旋转轴转动开合而将后侧上游水位封闭或开启。其余与图3-4实施例相同。同样,对于竖直方向开启的闸门通用,如竖直升降门。对于水平侧向移动开启的闸门也能适用,只需在三轴陀螺仪调零后,将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。
在上述各实施例中,所述壳体1采用不锈钢材质,且全密封封装,耐候性好,可长期处于户外恶劣环境中使用。高精度三轴加速度计和陀螺仪具有很高的灵敏度,可以检测微小的加速度值和姿态变化角度。集成高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计和控制器的芯片优选InvenSense MPU-9250。高精度三轴加速度计工作频率为500Hz,即当闸门启动时,加速度计每隔2ms输出一个加速度值,同时,高精度三轴陀螺仪也输出一个闸门姿态角度,重力感应计用来确定绝对竖直方向。通过加速度值对时间进行积分,可得出闸门运动速度和移动距离,再根据姿态角度,可得出闸门在开启方向的移动距离,即闸门的开度。
本发明的工作原理:
本发明基于先进的惯性导航理论,利用高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计,对闸门的运动加速度、姿态偏摆进行测量,并对时间进行积分,从而得出闸门的运动距离。
闸门从静止状态启动到停止,其速度-时间图像示意图如图4所示,基于加速度测量值,可以得到速度和距离:
式中,vn为tn时刻的瞬时速度,an为tn时刻的瞬时加速度,Sn为tn时刻的初始状态到tn的时间内的总位移,ΔSn为时间tn-1到tn时刻内位移增量。
因为加速度计输出的是离散数据,且采样频率很高,根据高等数学微积分原理,可将闸门在加速度计采样间隔内的运动看做匀加速直线运动,
则:
初始状态下,v0=0,S0=0,加速度计采样时间间隔:
Δt=t1-t0=t2-t1=…=tn-tn-1(n=1,2,3…) (4)
则:
vn=vn-1+anΔt(n=1,2,3…) (5)
此时每个Δt(实施例中Δt=2ms)时间内测得的速度和位移均为矢量值,因此要得到某个方向上的速度和位移值,还得配合三轴陀螺仪的测量值。
不妨设三轴陀螺仪在水平xy平面上测得夹角分别为α、β,在竖直方向上测得夹角为γ,则以垂直闸门门型为例,闸门开度值为:
公式(7)对竖直方向开启的闸门通用,如竖直升降门、弧形门、人字形翻板门。同理,对于水平侧向移动开启的闸门只需在传感器调零后,将α或β(闸门开启方向)代替公式(7)中γ即可。
由此,本发明公开了一种自主式闸门开度仪及其测量方法,包括壳体、显示屏、功能按钮、电源及数据线缆。壳体内电路板上集成有高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计。本发明基于先进的惯性导航理论,通过加速度计和陀螺仪测量闸门运动过程中的加速度值和姿态偏摆,并对时间进行积分运算,从而得出闸门运动过程中的运动速度和开启方向的位移距离。该自主式闸门开度仪安装简单,适用于任何闸门门型,无须外界参考,理论测量范围无限制,可广泛应用于水利水电闸门开度的检测。
Claims (10)
1.一种自主式闸门开度仪,包括壳体,壳体上有显示屏、功能按钮,壳体内含有电路板,电路板分别与功能按钮和显示屏电连接;其特征在于:电路板中集成有三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计和控制器;三轴加速度计设置为随闸门运动检测闸门运动时的加速度值,三轴陀螺仪设置为检测闸门每时每刻的位置姿态角度,重力感应计设置为确定闸门开启的绝对竖直方向;自主式闸门开度仪直接固定安装在闸门的上端,通过电源与数据线将自主式闸门开度仪和外部闸门控制***连接。
2.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪,其特征在于:初始安装时,在闸门全闭状态下将闸门开度仪固定在闸门上。
3.根据权利要求1或2所述的自主式闸门开度仪,其特征在于:闸门开度仪固定在闸门上后,对三轴加速度计、三轴陀螺仪、重力感应计各传感器数据初始化,并设置好闸门相对各传感器运动方向。
4.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪,其特征在于:所述闸门为竖直方向开启门。
5.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪,其特征在于:所述闸门为竖直升降门、弧形门、人字形翻板式闸门。
6.根据权利要求1所述的自主式闸门开度仪,其特征在于:所述闸门为水平侧向移动开启闸门时,只需在三轴陀螺仪调零后,将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。
7.采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法,其特征在于:基于惯性导航原理,将高精度三轴加速度计、三轴陀螺仪和重力感应计集成在闸门开度仪中,将闸门开度仪直接安装固定在闸门上,通过测量闸门运动中的加速度和姿态变化,来确定闸门位移行程。
8.根据权利要求7所述的采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法,其特征在于:所述闸门为竖直方向开启门;当所述闸门为水平侧向移动开启闸门时,只需在三轴陀螺仪调零后,将闸门开启方向参数代替竖直方向上测得夹角使用即可。
9.根据权利要求7所述的采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法,其特征在于:能够测量任意闸门的开度状态,开度测量范围理论上无限制。
10.根据权利要求7所述的采用自主式闸门开度仪测量闸门开度的方法,其特征在于:所述的加速度值和姿态角度,可得出闸门在启动后每个时刻的速度值和开度值:
vn=vn-1+anΔt(n=1,2,3…)
其中,vn为闸门开启后第n个Δt时刻的速度值,an为闸门开启后第n个Δt时刻的加速度值,Sn开度为闸门开启后第n个Δt时刻的闸门开度值,θn闸门开启后第n个Δt时刻速度方向与所设置的闸门开度方向的夹角值。
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PB01 | Publication | ||
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