CN114208637A - 一种卷盘式喷灌机的pe管运行监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卷盘式喷灌机的PE管运行监测装置及监测方法，包括卷盘车架、卷盘、PE管、滑块、导向杆和信号监测系统，导向杆通过导向杆轴承安装在所述卷盘车架上，导向杆与滑块滑动副连接，缠绕在卷盘上的PE管的卷盘出水口与滑块在导向杆上的位置处于同一垂直面；滑块上固定有信号挡板，所述信号挡板正对红外测距传感器，本方法需首先确定卷盘式喷灌机型号及重要参数值，通过每层PE管总长度与信号挡板滑动距离得到对应系数κ N ，结合红外测距传感器和信号监测系统监测、换算，实现对PE管换层和移动速度、回收长度的实时读取。本发明操作简便，解决了PE管换层移动速度和回收长度实时监测的问题，实现对它们的直接测量和实时显示。

Description

一种卷盘式喷灌机的PE管运行监测装置及监测方法
技术领域
本发明属于卷盘式喷灌机技术领域，具体涉及一种卷盘式喷灌机PE管运行监测装置和方法，主要用于监测PE管换层、移动速度和回收长度。
背景技术
卷盘式喷灌机不仅在欧洲等国广泛应用，在我国东北和西北也得以广泛应用，其主要适用于中、小型田块喷灌作业。随着我国工业自动化、智能化的发展，卷盘式喷灌机自动化水平得到不断提高。水量分布特性、灌溉强度和喷灌均匀性系数等参数是衡量喷灌效果的重要指标，农业机械学报“喷灌和软管灌溉两用机组水量分布特性与试验”(2009年第11期)对折射式喷头和软管灌溉的析架式卷盘喷灌机的灌溉效果进行了研究，指出灌水器的行走速率是影响机组水量分布均匀性的主要因素之一。由于卷盘回收PE管换层时，造成PE管的回收速度变化，从而影响喷灌效果。因此，对卷盘式喷灌机PE换层、移动速度等的监测成为其发展重点之一。
近年来，随着喷灌机自动化程度的提高，国内学者提出了除水涡轮以外的其它驱动装置，农机化研究“卷管式喷灌机绞盘速度自动控制系统的研究”2007年第1期采用51单片机控制步进电机驱动卷盘，实现了喷头车速度的调节。农机化研究“平移式喷灌机太阳能驱动自动控制装置的研制”2014年第8期提出，采用直流伺服电机驱动卷盘式喷灌机组中的喷头车和卷盘，同时需要进行PE管速度的监测，另外，PE管的移动速度和回收长度可用于喷灌机的运行剩余时间的预测。
发明内容
为了提高卷盘式喷灌机的自动化水平，本发明提出一种可监测卷盘式喷灌机PE管运行监测装置和方法，主要用于监测PE管换层、移动速度和回收长度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种卷盘式喷灌机PE管运行监测装置，包括卷盘车架，所述卷盘车架上安装有卷盘，所述卷盘上缠绕有PE管，还包括导向杆和信号监测系统，所述导向杆通过导向杆轴承安装在所述卷盘车架上，所述导向杆与滑块滑动副连接，缠绕在所述卷盘上的所述PE管的卷盘出水口与所述滑块在导向杆上的位置处于同一垂直面；所述滑块上固定有信号挡板，所述信号挡板正对红外测距传感器，所述红外测距传感器与所述信号监测系统连接，所述信号监测系统包括电源模块、信号处理模块、单片机模块和显示模块，所述电源模块用于供电；所述红外测距传感器根据所述信号挡板位移的变化产生不同频率的脉冲信号，所述信号处理模块将脉冲信号处理成标准脉冲信号，所述单片机模块读取标准脉冲信号的频率并控制所述显示模块实时显示所述PE管的层数、移动速度和收管长度。
上述方案中，所述信号挡板焊接在所述滑块左上方。
上述方案中，所述红外测距传感器安装在支架上，所述支架焊接在所述导向杆右端面上方的卷盘车架上，并与所述信号挡板保持同一水平线。
上述方案中，所述卷盘上缠绕的单、双层PE管缠绕的排列倾斜方向相反，其偏移横向距离为PE管的半径。
本发明还提供了一种利用卷盘式喷灌机PE管运行监测装置对PE管进行监测的方法，确定卷盘式喷灌机型号、所述PE管半径d及总层数N；测量所述空卷盘的外径D、每层所述PE管的圈数n；每一层的所述PE管总长度LN如式(1)所示
Figure BDA0003406500310000021
其中，LN为每一层所述PE管的总长度，单位为m；d为PE管半径，单位为mm；D为空卷盘的直径，单位mm；N为PE管层数；n为每一层PE管的圈数。
由于每层所述PE管回收结束，滑块在导向杆的的移动方向发生转变，因此，PE管回收长度、移动速度与滑块在导向杆的活动长度、移动速度呈对应系数关系，该系数的计算公式如(2)所示
Figure BDA0003406500310000022
其中，κN为第N层PE管长度与滑块在导向杆的活动长度比例系数；l1和l2分别为红外测距传感器与信号挡板的最远和最近距离，单位为m。
当所述红外测距传感器检测到所述信号挡板移动到活动边界时，即他们距离为l1或l2，所述PE管开始换层，并在所述显示模块中变更卷管层数。
一个速度读取的周期内，所述红外测距传感器监测某一层PE管的移动速度计算方法如式(3)所示
Figure BDA0003406500310000023
其中，VN为所述PE管在时间周期内的移动速度，单位为m/s；t为所述红外测距传感器监测滑块移动距离的时间周期，单位为s；l′与l″分别为所述红外测距传感器在时间周期t内监测到信号挡板与其的起始距离和终止距离，单位为m。
监测所述卷盘1已回收PE管总长度的计算方法如式(4)所示
Figure BDA0003406500310000031
其中，L′总为所述卷盘1回收PE管的总长度，单位为m；L′N为在某一时刻以回收的第N层PE管总长度，单位为m；l为某一时刻信号挡板与红外传感器的距离，单位为m。
所述单片机模块读取标准脉冲信号的频率、记录所述卷盘回收所述PE管的运行时间与层数N和设置红外测距传感器发射脉冲信号时间周期，经式(1)、(2)、(3)、(4)计算后，并控制所述显示模块实时显示所述PE管的层数、移动速度和收管长度。
本发明的有益效果：(1)与现有技术相比，本发明能够直接监测PE管的换层、移动速度和已回收长度，运用卷盘收起PE管前的排管位置与滑块垂直位置处于同一垂直面的特点，通过信号挡板、红外测距传感器和信号监测系统对滑块位置实时监测而实现对PE管运行的监测。(2)该方法精度高、监测功能全面、试验量低，为卷盘式喷灌机PE管换层和移动的监测提供了一种有效的方案。(3)采用卷盘上缠绕的单、双层PE管缠绕的排列倾斜方向相反和PE管出管位置与排管架位置处于同一垂直面等特点，通过每层PE管总长度与信号挡板滑动距离得到对应系数κN，结合红外测距传感器和信号监测系统监测、换算，实现对PE管换层和移动速度、回收长度实时读取。该装置及方法只需一套装置即可实现监测，成本低廉，精度高，降低了劳动工作量。(5)该方法操作简便，解决了PE管换层移动速度和回收长度实时监测的问题，实现对它们的直接测量和实时显示。
附图说明
图1为本发明卷盘式喷灌机PE管卷管方式示意图。
图2是本发明的排管架位置示意图。
图3为本发明的红外测距传感器监测原理示意图。
图4为本发明信号监测系统结构示意图。
图中，1、卷盘；2、导向杆轴承；3、排管架；4、PE管；5、滑块；6、导向杆；7、信号挡板；8、红外测距传感器；9、电源模块；10、信号处理模块；11、单片机模块；12、显示模块；13、信号监测系统；14、卷盘出水口；15、支架；16、卷盘车架。
具体实施方式
请参阅图1和图2，卷盘式喷灌机PE管运行监测装置包括卷盘车架16，所述卷盘车架16上安装有卷盘1，所述卷盘1上缠绕有PE管4，其特征在于，还包括导向杆6和信号监测系统13，所述导向杆6通过导向杆轴承2安装在所述卷盘车架16上，所述导向杆6与滑块5滑动副连接，缠绕在所述卷盘1上的所述PE管4的卷盘出水口14与所述滑块5在导向杆6上的位置处于同一垂直面；所述滑块5上固定有信号挡板7，所述信号挡板7正对红外测距传感器8，所述红外测距传感器8与所述信号监测系统13连接，所述卷盘1上缠绕的单、双层PE管4缠绕的排列倾斜方向分别相反、角度相同，其偏移横向距离为PE管4的半径；缠绕在卷盘1上的PE管4的出管位置与滑块5在导向杆6的位置处于同一垂直面。
请参阅图3，所述信号挡板7焊接在滑块5左边上方(信号挡板足够长和宽)，所述红外测距传感器8安装在支架15上，支架15焊接在导向杆6的右端面上方的卷盘车架16上，并与信号挡板7保持同一水平线。
请参阅图4，信号监测系统13包括电源模块9、信号处理模块10、单片机模块11和显示模块12，所述电源模块9用于供电；所述红外测距传感器8根据所述信号挡板7位移的变化产生不同频率的脉冲信号，所述信号处理模块10将脉冲信号处理成标准脉冲信号，所述单片机模块11读取标准脉冲信号的频率并控制所述显示模块12实时显示所述PE管4的层数、移动速度和收管长度。
利用上述装置对PE管进行监测的方法，确定卷盘式喷灌机型号、所述PE管4半径d及总层数N；测量所述空卷盘1的外径D、每层所述PE管4的圈数n；每一层的所述PE管4总长度LN如式(1)所示
Figure BDA0003406500310000041
其中，LN为每一层所述PE管4的总长度，单位为m；d为PE管4半径，单位为mm；D为空卷盘的直径，单位mm；N为PE管层数；n为每一层PE管的圈数。
由于每层所述PE管4回收结束，滑块5在导向杆6的的移动方向发生转变，因此，PE管回收长度、移动速度与滑块5在导向杆6的活动长度、移动速度呈对应系数关系，该系数的计算公式如(2)所示
Figure BDA0003406500310000042
其中，κN为第N层PE管4长度与滑块5在导向杆6的活动长度比例系数；l1和l2分别为红外测距传感器8与信号挡板7的最远和最近距离，单位为m。
当所述红外测距传感器8检测到所述信号挡板7移动到活动边界时，即他们距离为l1或l2，所述PE管4开始换层，并在所述显示模块12中变更卷管层数。
一个速度读取的周期内，所述红外测距传感器8监测某一层PE管4的移动速度计算方法如式(3)所示
Figure BDA0003406500310000051
其中，VN为所述PE管4在时间周期内的移动速度，单位为m/s；t为所述红外测距传感器8监测滑块5移动距离的时间周期，单位为s；l′与l″分别为所述红外测距传感器8在时间周期t内监测到信号挡板7与其的起始距离和终止距离，单位为m。
监测所述卷盘1已回收PE管4总长度的计算方法如式(4)所示
Figure BDA0003406500310000052
其中，L′总为所述卷盘1回收PE管4的总长度，单位为m；L′N为在某一时刻以回收的第N层PE管4总长度，单位为m；l为某一时刻信号挡板7与红外传感器8的距离，单位为m。
所述单片机模块11读取标准脉冲信号的频率、记录所述卷盘1回收所述PE管4的运行时间与层数N和设置红外测距传感器8发射脉冲信号8时间周期，经式(1)、(2)、(3)、(4)计算后，并控制所述显示模块12实时显示所述PE管4的层数、移动速度和收管长度。
实施例：本发明采用江苏华源节水灌溉有限公司卷盘式喷灌机为例，确定卷盘机型号JP50-180，所述PE管4外径为50mm、层数共为5，所述空卷盘1可容纳每层所述PE管4的圈数是13，由于受所述PE管4总长度影响，第5层的圈数较少(由于计算需要，暂定13圈)，所述空卷盘1卷管区域的外径D为0.908m，所述信号挡板7在所述导向杆6的活动长度为0.672m。
如图1、图2、图3和图4，卷盘式喷灌机回收所述PE管4时，所述滑块5第一次从左向右移动，所述显示模块12显示所述PE管4层数为1；所述滑块5到达右边界，第一次从右向左移动，显所述示模块12显示所述PE管4层数为2；所述滑块5到达左边界，第二次从左向右移动，所述显示模块12显示所述PE管4层数为3；所述滑块5到达右边界，第二次从右向左移动，所述显示模块12显示所述PE管4层数为4；所述滑块5到达左边界，第三次从左向右移动，所述显示模块12显示所述PE管4层数为5。
通过式(1)计算得到所述卷盘1每一层所述PE管4总长度分别为L1＝39.13m、L2＝41.37m、L3＝43.64m、L4＝45.98m，则L5＝48.38m(该值用于计算κ5，实际剩余长度为9.88m)；试验测得的1～-5层所述PE管的每层总长度分别为39.13m、41.45m、43.87m、46.08m、9.47m，则1～4层所述PE管4的测得总长度与计算总长度的累加值偏差率基本在0.5％以内，由于第5层的PE管相对于其它层的长度短很多，偏差较大，约为4.3％(偏差长度也仅为0.41m，该偏差由1～4层PE管偏差长度的累加造成)，说明该方法总体比较合理、精度较高；根据式(2)计算出κ1＝58.30，κ2＝61.56，κ3＝64.94，κ4＝68.42，κ5＝71.99，根据式(3)得所述PE管4瞬时的移动速度VN如式(5)所示
Figure BDA0003406500310000061
所述卷盘1已回收所述PE管4长度L′总的计算方法如式(6)所示
Figure BDA0003406500310000062
当所述卷盘1回收PE管时，单片机开始记录时间，显示模块12实时显示PE管4的移动速度、层数和回收长度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换的方法均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种卷盘式喷灌机PE管运行监测装置，包括卷盘车架(16)，所述卷盘车架(16)上安装有卷盘(1)，所述卷盘(1)上缠绕有PE管(4)，其特征在于，还包括导向杆(6)和信号监测系统(13)，所述导向杆(6)通过导向杆轴承(2)安装在所述卷盘车架(16)上，所述导向杆(6)与滑块(5)滑动副连接，缠绕在所述卷盘(1)上的所述PE管(4)的卷盘出水口(14)与所述滑块(5)在导向杆(6)上的位置处于同一垂直面；所述滑块(5)上固定有信号挡板(7)，所述信号挡板(7)正对红外测距传感器(8)，所述红外测距传感器(8)与所述信号监测系统(13)连接，所述信号监测系统(13)包括电源模块(9)、信号处理模块(10)、单片机模块(11)和显示模块(12)，所述电源模块(9)用于供电；所述红外测距传感器(8)根据所述信号挡板(7)位移的变化产生不同频率的脉冲信号，所述信号处理模块(10)将脉冲信号处理成标准脉冲信号，所述单片机模块(11)读取标准脉冲信号的频率并控制所述显示模块(12)实时显示所述PE管(4)的层数、移动速度和收管长度。
2.根据权利要求1所述的一种卷盘式喷灌机PE管运行监测装置，其特征在于，所述信号挡板(7)焊接在所述滑块(5)左上方。
3.根据权利要求1所述的一种卷盘式喷灌机PE管运行监测装置，其特征在于，所述红外测距传感器(8)安装在支架(15)上，所述支架(15)焊接在所述导向杆(6)右端面上方的卷盘车架(16)上，并与所述信号挡板(7)保持同一水平线。
4.根据权利要求1所述的一种卷盘式喷灌机PE管运行监测装置，其特征在于，所述卷盘(1)上缠绕的单、双层PE管(4)缠绕的排列倾斜方向相反，其偏移横向距离为PE管(4)的半径。
5.一种利用权利要求1所述的卷盘式喷灌机PE管运行监测装置对PE管进行监测的方法，其特征在于，
确定卷盘式喷灌机型号、所述PE管(4)半径d及总层数N；测量所述空卷盘(1)的外径D、每层所述PE管(4)的圈数n；每一层的所述PE管(4)总长度LN如式(1)所示
Figure FDA0003406500300000011
其中，LN为每一层所述PE管(4)的总长度，单位为m；d为PE管(4)半径，单位为mm；D为空卷盘的直径，单位mm；N为PE管层数；n为每一层PE管的圈数；
由于每层所述PE管(4)回收结束，滑块(5)在导向杆(6)的的移动方向发生转变，因此，PE管回收长度、移动速度与滑块(5)在导向杆(6)的活动长度、移动速度呈对应系数关系，该系数的计算公式如(2)所示
Figure FDA0003406500300000012
其中，κN为第N层PE管(4)长度与滑块(5)在导向杆(6)的活动长度比例系数；l1和l2分别为红外测距传感器(8)与信号挡板(7)的最远和最近距离，单位为m；
当所述红外测距传感器(8)检测到所述信号挡板(7)移动到活动边界时，即他们距离为l1或l2，所述PE管(4)开始换层，并在所述显示模块(12)中变更卷管层数；
一个速度读取的周期内，所述红外测距传感器(8)监测某一层PE管(4)的移动速度计算方法如式(3)所示
Figure FDA0003406500300000021
其中，VN为所述PE管(4)在时间周期内的移动速度，单位为m/s；t为所述红外测距传感器(8)监测滑块(5)移动距离的时间周期，单位为s；l′与l″分别为所述红外测距传感器(8)在时间周期t内监测到信号挡板(7)与其的起始距离和终止距离，单位为m；
监测所述卷盘1已回收PE管4总长度的计算方法如式(4)所示
Figure FDA0003406500300000022
其中，L′总为所述卷盘1回收PE管(4)的总长度，单位为m；L′N为在某一时刻以回收的第N层PE管(4)总长度，单位为m；l为某一时刻信号挡板(7)与红外传感器(8)的距离，单位为m；
所述单片机模块(11)读取标准脉冲信号的频率、记录所述卷盘(1)回收所述PE管(4)的运行时间与层数N和设置红外测距传感器(8)发射脉冲信号时间周期，经公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)计算后，并控制所述显示模块(12)实时显示所述PE管(4)的层数、移动速度和收管长度。
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