CN104633388A - 管道用低功耗高效磁信号发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种管道用低功耗高效磁信号发射装置,包括:壳体;设置在壳体之中的电池组:设置在壳体之中的发射线圈;设置在壳体之中的开关电路,开关电路与发射线圈相连;设置在壳体之中的驱动电路,驱动电路与开关电路相连,用于根据控制电路输出的方波信号对开关电路进行控制;控制电路,用于产生固定频率及占空比的方波信号,方波信号经驱动电路控制开关电路的开断。本发明的装置能够在较低的电压水平下产生较高强度的磁场信号、且使用时间长,实现了低功耗、高效率的电-磁转换发射。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术、电气工程及管道监测工程技术领域,特别涉及一种管道用低功耗高效磁信号发射装置。
背景技术
为了确保输油管道正常、安全地运行,需要定期利用智能机器人对管道进行清管和检测工作。在管道作业中,智能机器人由于管道路线弯曲程度较大、管内沉积物太多可能会产生卡堵现象,从而导致管道流量下降,甚至导致整条管道堵塞。因此,开发出一套可靠的工具预测和判断智能机器人在管道内的运行状况是智能机器人发展的重要方向之一。磁信号发射装置安装在智能机器人上,其外形应与智能机器人相匹配,不能超过一定尺寸。磁信号发射装置一般要在管道内运行数天甚至数十天,需要有较低的能耗。此外,磁信号需要穿过管壁、土壤等才能为配套的接收装置接收到,因此需要发射出较强的磁场。所以,开发出一套便于安装、低功耗、发射磁场强度大的磁信号发射装置在整个示踪定位系统中具有十分重要的意义。
然而,现有的磁信号发射装置主要为正弦波振荡器,其频率稳定性差、发射磁场强度小,不利于配套接收机的检测判决,而且工作时间短,不利于在管道内长时间的工作。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此,本发明的目的在于提出一种管道用低功耗高效磁信号发射装置,该装置能够在较低的电压水平下产生较高强度的磁场信号、且使用时间长,实现了低功耗、高效率的电-磁转换发射。
为了实现上述目的,本发明的实施例提出了一种管道用低功耗高效磁信号发射装置,包括:壳体;设置在所述壳体之中的电池组:设置在所述壳体之中的发射线圈;设置在所述壳体之中的开关电路,所述开关电路与所述发射线圈相连;设置在所述壳体之中的驱动电路,所述驱动电路与所述开关电路相连,用于根据控制电路输出的方波信号对所述开关电路进行控制;所述控制电路,用于产生固定频率及占空比的方波信号,所述方波信号经所述驱动电路控制所述开关电路的开断。
根据本发明实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置,控制电路产生固定频率的控制信号,控制信号驱动开关电路的开断,在发射线圈上产生主频为固定频率的三角波电流,电流通过线圈在空间上产生固定频率的磁场信号,进而已知配套的接收机系统准确判决所需要的磁感应强度及信噪比,根据实际工况设计发射装置的相关参数,使其磁感应强度、工作时间等参数达到实际工况要求。换言之,该装置能够在较低的电压水平下产生较高强度的磁场信号、且使用时间长,实现了低功耗、高效率的电-磁转换发射,并且该装置结构简单、便于安装,适用范围广。
另外,根据本发明上述实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置还可以具有如下附加的技术特征:
在一些示例中,所述发射线圈使用漆包线绕制而成,所述发射线圈使用硅钢片作为铁芯,所述发射线圈的几何尺寸和等效的电感值根据管道工程工况要求设计确定。
在一些示例中,所述发射线圈的电阻和电感通过以下公式确定:所述发射线圈的电阻计算公式为:
其中,ρ0为漆包线的电导率,h为发射线圈的高度,R2为发射线圈的外径,R1为发射线圈的内径,r为漆包线的半径;
所述发射线圈的电感计算公式为:
其中,μ0为真空磁导率,N为发射线圈的匝数,d为发射线圈的平均直径,φ为查图后所得参数,与发射线圈厚度/平均直径、发射线圈高度/平均直径有关。
在一些示例中,所述控制电路、开关电路、发射线圈中所涉及的信号频率,包括单片机产生的方波的频率、开关频率以及发射磁信号的频率,为极低频或超低频,其中,极低频频率范围在3Hz~30Hz;超低频频率范围在30Hz~300Hz。
在一些示例中,所述电池组包括为所述控制电路和所述驱动电路供电的第一电源,和为所述开关电路供电的第二电源。
在一些示例中,所述驱动电路用于将单片机电路的逻辑电平转换为开关电路的逻辑电平。
在一些示例中,所述开关电路的拓扑结构为半桥逆变电路或全桥逆变电路,其中的开关元件采用MOSFET管。
在一些示例中,所述壳体使用钛合金,所述壳体尺寸设计由电池仓和线圈几何尺寸决定。
在一些示例中,所述壳体包括第一部和第二部,所述第一部和第二部之间密封连接。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的结构框图;
图2是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的电路原理图;
图3是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的控制电路产生的控制波形图;
图4是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的驱动电路产生的驱动波形图;
图5是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的发射线圈的模型示意图;
图6是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的发射线圈上实测和仿真的电流波形图;
图7是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的磁场仿真模型示意图;
图8是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置仿真的磁感应强度波形图;
图9是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的壳体的尺寸示意图;以及
图10是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的电池组的尺寸示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置。
图1是根据本发明一个实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置的结构框图。如图1所示,该装置100包括:壳体110、电池组120、发射线圈130、开关电路140、驱动电路150和控制电路160。
具体地,在本发明的一个实施例中,壳体110例如使用钛合金,壳体110的尺寸设计由电池仓和线圈几何尺寸决定。更为具体地,壳体110例如包括第一部和第二部,且第一部和第二部之间密封连接。在具体应用时,壳体110一般安装在管道移动机器人上。
电池组120设置在壳体110之中。在一些示例中,电池组120包括为控制电路160和驱动电路150供电的第一电源,和为开关电路140供电的第二电源。
发射线圈130也设置在壳体110之中。在本发明的一个实施例中,发射线圈130使用漆包线绕制而成,发射线圈130使用硅钢片作为铁芯,发射线圈130的几何尺寸和等效的电感值根据管道工程工况要求设计确定。发射线圈130可将开关电路140输出端的方波电压转换为三角波电流,并将电流形成的磁信号发射至空间。
具体地,在一些示例中,发射线圈130的电阻和电感通过以下公式确定:
发射线圈130的电阻计算公式为:
其中,ρ0为漆包线的电导率,h为线圈的高度,R2为线圈的外径,R1为线圈的内径,r为漆包线的半径。
发射线圈130的电感计算公式为:
其中,μ0为真空磁导率,N为线圈的匝数,d为线圈的平均直径,φ为查图后所得参数,与线圈厚度/平均直径、线圈高度/平均直径有关。
开关电路140设置在壳体110之中,并且开关电路140与发射线圈130相连,用于在控制信号的作用下输出固定频率及占空比的控制电压给发射线圈130。在本发明的一个实施例中,开关电路140的拓扑结构为半桥逆变电路或全桥逆变电路,其中的开关元件例如采用MOSFET管。
驱动电路150设置在壳体110之中,驱动电路150与开关电路140相连,用于根据控制电路160输出的方波信号对开关电路140进行控制。另外,在一些示例中,具体而言,驱动电路150用于将单片机电路的逻辑电平转换为开关电路140的逻辑电平。换言之,驱动电路150对控制电路160产生的方波信号进行电平转换后作为开关电路140的控制信号,用于控制开关电路140从输入到输出的通断。
控制电路160用于产生固定频率及占空比的方波信号,其中,方波信号经驱动电路150控制开关电路140的开断。在具体示例中,控制电路160例如包括单片机电路。换言之,即由控制电路160由单片机程序产生固定频率及占空比的方波信号。
在本发明的一个实施例中,上述的控制电路160、开关电路140、发射线圈130中所涉及的信号频率,包括单片机产生的方波的频率、开关频率以及发射磁信号的频率,为极低频或超低频,其中,极低频频率范围在3Hz~30Hz,超低频频率范围在30Hz~300Hz。
作为具体地示例,以下以外直径为152mm、壁厚12mm、埋深1.5m的输油管道,磁信号发射装置在输油管道中以4m/s速度运动这一工况为例,详细介绍本发明实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置100的设计过程,当然本发明也适用于其它尺寸、其它埋深的输油管道,适用于以其它速度运动的发射装置,此处仅是出于示例性的目的。
具体地,频率为3Hz~300Hz低频电磁信号能够穿透岩层、海水甚至金属管壁,被用于金属勘测、地震预测、钻井遥测、潜艇通讯、探地雷达及太空观测领域,是智能机器人示踪定位技术的首选。在该示例中选用频率为23Hz的极低频磁信号。
如图9所示,为本发明一个实施例的壳体110的尺寸图。根据装载在输油管道中的移动机器人尺寸设计出相应的外壳尺寸,壳体110采用钛合金作为材料,能够承受10MPa的外压。当然,本发明的实施例也适用于其它外压,也可以使用其它材料作为外壳,此处仅是出于示例性的目的。
进一步地,如图2所示,半桥电路原理如下:电池组220用于供电;单片机200产生两路互补的23Hz控制信号;驱动芯片210产生两路互补的23Hz驱动波形;两个MOSFET开关管260和270用于控制主回路的通断,即控制加载在线圈2上的电压;二极管280和290作为续流二极管,二极管230防止电池反向充电;电容240和250作为均压电容。
全桥电路原理如下:电池组320用于供电;单片机300产生两路互补的23Hz控制信号;驱动芯片310产生两路互补的23Hz驱动波形;四个MOSFET开关管350、360、390、400用于控制主回路的通断,即控制加载在线圈430上的电压;二极管370、380、410、420作为续流二极管,二极管330防止电池反向充电;电容340为稳压电容。
具体地,采用半桥逆变或者全桥逆变拓扑,消除了直流分量,降低了整体功耗。半桥电路空载时(不加线圈)地线上电流平均值约为816μA,3节电池(10.8V,1300mAh)工作时间为1593h;全桥电路空载时(不加线圈)地线上电流平均值约为1.15A,3节电池(10.8V,1300mAh)工作时间为1130h。
如图3所示,为本发明一个实施例的磁信号发射电路上单片机产生的控制波形。下方的波形代表下臂对应的控制波形,上方的波形代表上臂对应的控制波形,两个控制波形反相,输出电压大概为3.6V,中间有足够长度的死区时间,以防止上下桥臂同时导通。
如图4所示,为本发明一个实施例的磁信号发射电路上驱动芯片产生的驱动波形。其中,下方的波形代表下臂对应的驱动电压,上方的波形代表上臂对应的驱动电压,两个驱动电压反相,电压大概为10.8V,中间有足够长度的死区时间,以防止上下桥臂同时导通。
在该示例中,开关电路的开关元件例如为MOSFET管,当MOSFET管工作于通断状态时,相对于输出正弦波形而言,波形过渡时间极短。另外本发明的发射装置为数字电路,因此波形的稳定度高、幅值恒定,波形的规范性好。
在该示例中,例如采用MSP430系列超低功耗单片机产生控制信号,此单片机电源电压采用1.8~3.6V低电压,RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA,活动模式耗电250μA/MIPS,I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。
在该示例中,产生的23Hz的三角波可以等效成23Hz正弦波以及其高频谐波分量的叠加,由于接收机仅接收23Hz频率分量,所以产生的三角波也能被接收机检测到。而已有的采用PWM调制在阻感线圈上直接产生正弦电流的方案,会增加MOSFET芯片的功损并大幅降低电路的寿命。
如图5所示,为本发明一个实施例的发射线圈的模型。根据此模型,推导得出线圈电阻计算公式为:
其中ρ0为漆包线的电导率,h为线圈的高度,R2为线圈的外径,R1为线圈的内径,r为漆包线的半径。
线圈电感的计算公式为:
其中μ0为真空磁导率,N为线圈的匝数,d为线圈的平均直径,φ为查图后所得参数,与线圈厚度/平均直径、线圈高度/平均直径有关。此公式适用于线圈高度/平均直径>7.2的情况。
需要说明的是,电阻和电感的计算公式将线匝视为各自闭合的平面线匝,忽略了线圈的螺旋性,而且在绕制的时候不可能完全紧密,实际绕制出来的线圈匝数、电阻都要在上述公式的基础上乘上一个小于1的系数,然后将修正后的线圈匝数带入电感的计算公式,进而根据线圈的尺寸大小就能够计算出线圈的电阻、电感参数。
如图10所示,为本发明一个实施例的电池仓及线圈尺寸图。电池的电压等级越高,线圈所占用体积越小,线圈电阻电感越小,线圈上电流越大。在该示例中,选用8节电池,电压约为28.8V。方案1为8节电池(实测29.3V)连接上半桥电路,然后加上对应线圈,方案2为16节电池(实测56.7V)连接上半桥电路,然后加上对应线圈,方案3为24节电池(实测87.8V)连接上半桥电路,然后加上对应的线圈;方案4为8节电池(实测29.3V)连接上全桥电路,然后加上对应线圈,方案5为16节电池(实测56.7V)连接上全桥电路,然后加上对应线圈,方案6为24节电池(实测87.8V)连接上全桥电路,然后加上对应的线圈。
如图6所示,为本发明一个实施例的磁信号发射装置的实测和仿真的电流波形。图6(a)为上述方案1中线圈上的电流波形,图6(b)为方案2中线圈上的电流波形,图6(c)为方案3中线圈上的电流波形,图6(d)为方案4中线圈上的电流波形,图6(e)为方案5中线圈上的电流波形,图6(f)为方案6中线圈上的电流波形。
具体地说,方案1的电池组平均电流约为1.42mA,采用1300mAh的锂电池时,电池组工作时间大概为915h,电池消耗功率;方案2的电池组平均电流约为1.57mA,采用1300mAh的锂电池时,电池组工作时间大概为566h;方案3的电池组平均电流约为12.6mA,采用1300mAh的锂电池时,电池组工作时间大概为103h;方案4的电池组平均电流约为2.81mA,采用1300mAh的锂电池时,电池组工作时间大概为463h;方案5的电池组平均电流约为4.32mA,采用1300mAh的锂电池时,电池组工作时间大概为301h;方案6的电池组平均电流约为38.3mA,采用1300mAh的锂电池时,电池组工作时间大概为34h。
如图7所示,为本发明一个实施例的磁信号发射装置的磁场仿真模型。其中,发射线圈内、外半径分别为R1和R2,线圈高度为D,线圈总匝数为n,管道内、外半径为a=64mm和b=76mm,土壤厚度为c(1.5m)-b,加载电流Iejωt。
如图8所示,为本发明一个实施例的磁信号发射装置仿真的磁场感应强度波形。图8(a)为上述方案1中线圈产生的磁感应强度,图8(b)为方案2中线圈产生的磁感应强度,图8(c)为方案3中线圈上产生的磁感应强度,图8(d)为方案4中线圈产生的磁感应强度,图8(e)为方案5中线圈产生的磁感应强度,图8(f)为方案6中线圈上产生的磁感应强度。磁场强度均为发射装置上方距离管道中心线2m处,v=4m/s时,垂直方向和平行方向的磁场包络。
在该示例中,在空旷场地、发射装置以4m/s运动,接收线圈与发射装置水平放置的情况下,检验接收机可靠接收的最大接收距离。其中,上述方案1的最大接收距离为12m,方案2的最大接收距离为17m,方案3的最大接收距离为21m,方案4的最大接收距离为16m,方案5的最大接收距离为20m,方案6的最大接收距离为30m。
进一步地,发射装置以4m/s运动,接收线圈与发射装置水平放置的情况下,磁场强度在10-11量级时,接收装置即可进行可靠判决。以上6种方案,在此种工况下均能达到这一量级的磁感应强度,能够进行可靠的接收判决。
综上,通过本发明上述实施例的发射装置,能够发射主频为23Hz的三角波磁信号,并且由于发射装置的主电路为数字电路,因此波形的稳定度高、幅值恒定;采用了半桥逆变或者全桥逆变电路,减少了电路的直流分量,在更低的电压水平下能够使用更长的寿命、产生更强的磁场;通过磁场的仿真和现场的实验,验证了本发明的实施例满足便于安装、低功耗、发射磁场强度大的要求,适用于管道机器人的示踪定位的应用。
因此,根据本发明实施例的管道用低功耗高效磁信号发射装置,控制电路产生固定频率的控制信号,控制信号驱动开关电路的开断,在发射线圈上产生主频为固定频率的三角波电流,电流通过线圈在空间上产生固定频率的磁场信号,进而已知配套的接收机系统准确判决所需要的磁感应强度及信噪比,根据实际工况设计发射装置的相关参数,使其磁感应强度、工作时间等参数达到实际工况要求。换言之,该装置能够在较低的电压水平下产生较高强度的磁场信号、且使用时间长,实现了低功耗、高效率的电-磁转换发射,并且该装置结构简单、便于安装,适用范围广。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,包括:
壳体;
设置在所述壳体之中的电池组:
设置在所述壳体之中的发射线圈;
设置在所述壳体之中的开关电路,所述开关电路与所述发射线圈相连;
设置在所述壳体之中的驱动电路,所述驱动电路与所述开关电路相连,用于根据控制电路输出的方波信号对所述开关电路进行控制;
所述控制电路,用于产生固定频率及占空比的方波信号,所述方波信号经所述驱动电路控制所述开关电路的开断。
2.如权利要求1所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述发射线圈使用漆包线绕制而成,所述发射线圈使用硅钢片作为铁芯,所述发射线圈的几何尺寸和等效的电感值根据管道工程工况要求设计确定。
3.如权利要求2所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述发射线圈的电阻和电感通过以下公式确定:
所述发射线圈的电阻计算公式为:
其中,ρ0为漆包线的电导率,h为线圈的高度,R2为发射线圈的外径,R1为发射线圈的内径,r为漆包线的半径;
所述发射线圈的电感计算公式为:
其中,μ0为真空磁导率,N为发射线圈的匝数,d为发射线圈的平均直径,φ为查图后所得参数,与发射线圈厚度/平均直径、发射线圈高度/平均直径有关。
4.如权利要求2所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述控制电路、开关电路、发射线圈中所涉及的信号频率,包括单片机产生的方波的频率、开关频率以及发射磁信号的频率,为极低频或超低频,其中,极低频频率范围在3Hz~30Hz,超低频频率范围在30Hz~300Hz。
5.如权利要求1所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述电池组包括为所述控制电路和所述驱动电路供电的第一电源,和为所述开关电路供电的第二电源。
6.如权利要求1所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述驱动电路用于将单片机电路的逻辑电平转换为开关电路的逻辑电平。
7.如权利要求1所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述开关电路的拓扑结构为半桥逆变电路或全桥逆变电路,其中的开关元件采用MOSFET管。
8.如权利要求1所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述壳体使用钛合金,所述壳体尺寸设计由电池仓和线圈几何尺寸决定。
9.如权利要求1所述的管道用低功耗高效磁信号发射装置,其特征在于,所述壳体包括第一部和第二部,所述第一部和第二部之间密封连接。
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