CN114324966A - 航速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航速测量系统及方法，所述系统包括电磁计程仪和速度解算单元，在一个激磁周期内，使用三值交流方波对所述电磁计程仪进行激磁；所述三值交流方波包括一个正值方波脉冲、一个零值和一个负值方波脉冲，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲的幅值相等；将脉冲激磁阶段采集的所述电磁计程仪的电极电压输入所述速度解算单元得到航速。本发明可以有效减小由于通用正弦波激磁方式导致的90度正交干扰引起的电磁计程仪测速误差，在无外界明显干扰情况下，误差等级可下降至0.05节。

Description

航速测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种航速测量系统及方法，属于船舶设备领域。

背景技术

电磁计程仪是利用法拉第电磁感应原理测量船舶航速的传感器，由航速可计算出航程。电磁感应公式为E＝BLV，即长度为L的导体在磁感应强度为B的磁场中以速度V运动时，导体上就会产生感应电动势E，在B、L一定的情况下，E的大小与V的大小成正比。磁场由船上安装的电磁计程仪的测量杆中的铁芯上缠绕的激磁线圈产生，电磁计程仪中的两个电极与航行水域中的水接触使水成为导体。船以速度V相对于水运动，可反过来，将船视作静止，即水相对于船在运动，也就是导体相对于磁场运动，从而在电磁计程仪的两电极间产生感应电势E，通过两电极引线将与速度关联的电压信号送至速度解算系统解算出航速V。

目前，电磁计程仪通常为50Hz正弦波激磁方式，由于电极不会与激磁线圈完全处于平行状态，故电极、电极导线、海水(作为导体)将形成一个闭合回路，随着交流电压所引起的磁场变化会产生另一个感应电势，从而引发90度正交干扰，该干扰随着激磁频率的增加而增大，使得电磁计程仪在船体不运动时的零位随着时间而成周期性变化，引发了较大的零位干扰，同时在船体运动时，该误差叠加在实际测速信号中，作为加性误差随时间变化，较难得到清除，影响测速准确性。

发明内容

本发明的目的是解决上述背景技术中提及的缺陷。

为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供一种航速测量系统，包括电磁计程仪和速度解算单元，在一个激磁周期内，使用三值交流方波对所述电磁计程仪进行激磁；所述三值交流方波包括一个正值方波脉冲、一个零值和一个负值方波脉冲，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲的幅值相等；将脉冲激磁阶段采集的所述电磁计程仪的电极电压输入所述速度解算单元得到航速。

进一步地，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲的幅值均为60V。

进一步地，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲源于稳恒电压源。

进一步地，采集所述电磁计程仪的电极电压时进行延时采样，待电压幅值稳定后才采样。

进一步地，在零值阶段采集所述电磁计程仪的电极电压用于进行实时零位补偿。

进一步地，所述实时零位补偿用于电极磨损、电路热效应、电极生长部分海生物所导致的零位变化。

第二方面，本发明提供一种航速测量方法，包括以下步骤：(1)用三值交流方波对电磁计程仪进行激磁，所述三值交流方波包括一个正值方波脉冲、一个零值和一个负值方波脉冲；激磁频率避开50Hz的n倍；(2)由脉冲激磁阶段采集的所述电磁计程仪的电极电压解算出航速。

进一步地，步骤(2)中，采集所述电磁计程仪的电极电压时进行延时采样，待电压幅值稳定后才采样。

进一步地，还在零值阶段采集所述电磁计程仪的电极电压用于进行实时零位补偿

进一步地，所述实时零位补偿用于电极磨损、电路热效应、电极生长部分海生物所导致的零位变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.可以有效减小由于通用正弦波激磁方式导致的90度正交干扰引起的电磁计程仪测速误差，在无外界明显干扰情况下，误差等级可下降至0.05节。

2.可以实时对电磁计程仪的零位进行测量及补偿，减小因多种原因导致的零点偏移所引入的测速误差。

3.可以通过零位实时测量对电磁计程仪接收回路进行状态判断，特别是对电极状态进行估查，可对实际航行人员及维修人员起到帮助。

附图说明

图1是本发明系统/方法一个实施例中的三值交流方波激磁脉冲的时序图；

图2是本发明系统/方法一个实施例中电极电压信号的波形图；

图3是本发明方法一个实施例的流程图；

图4是本发明系统/方法一个实施例中一种航速时的电极电压示波器实测图；

图5是本发明系统/方法一个实施例中另一种航速时的电极电压示波器实测图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

在本发明系统或方法的实施例中，如图1所示，选用交流方波进行激磁，其中正方波与负方波幅值相同，方向相反，从而避免极化现象。在正方波与负方波之间，有一段时间区间不进行激磁，该段区域主要通过海水、电极、导线及采样系统形成接收回路，对海水、电极实时小电压零位信号进行采集，用于对传感器的零位进行实时测量，并补偿至整个测量算法中。

不同于正弦波激磁会在整个激磁期间引入正交干扰，在交流方波激磁时，由于激磁电压的交流方波仅仅在方波的开始及结束段存在电压突变，这种特性使得引入的因电压突变而感应的电势干扰大大减小且位置可判，通过延迟采样技术，可完全避免该部分干扰对电磁计程仪电极采样信号的影响。

因方波由正相变成负相而引发的磁场变化导致的感应电动势所产生的电极电压信号实质为一脉冲信号，不会叠加在电极采样信号中，故该种类的激磁方式为信号后处理滤除干扰信号提供了可能。

理论感应电动势的计算公式

E_速＝E_真+E_干扰＝BLV+E_干扰 ①

公式①为理论上电磁计程仪的航速信号公式；

其中B为电极所在位置磁感应强度，该磁感应强度由激磁所产生，由于激磁的频率选用低频，故可使用毕奥萨法尔定律进行估算，选用通电螺线进行近似估算，得到在空间内某一点的磁场强度为

其中r为通电螺线的半径，为一定值，μ₀为真空中的磁导率，为一定值，L为整个线圈的积分路径，线圈圈数固化后也为一定值，e_r为指向待求电流元指向磁场位置的单位向量，该些值均为定值，故式子中磁场强度值仅与激磁电流I有关，而激磁电流I仅与激磁电压U有关。

将②带入至①式，可得下式

故理论上在电极处由于船舶相对海水而切割磁感应线所产生的航速信号E_速在固定传感器上仅与激磁方式导致的电流强度I、实际船舶航速V所产生的E_真以及E_干扰有关。

在实际固定船舶航行航速下，V为定值，激磁电流I在周期范围内也为定值，故E_真为一定值，故E_速的真实正确与否与E_干扰关系很大，故需要将E_干扰降低或者找出其所在信号的位置，避免进行采样从而去除其影响，需要对其进行分析。

根据楞次定律，由于激磁电压的变化导致磁感应强度变化从而产生电流阻碍磁场变化，也就是通常所说的磁生电现象，该部分产生的电流也就是电磁计程仪的主要干扰源，该干扰源的幅值如下式④所示：

其中

其中dB为电极处磁场改变大小，S为电极及导线至磁场方向的投影面积，

实际磁通量在投影面积的改变量，将⑤代入④式，得到

其中U(t)即为激磁电压，故可以明显看出，该干扰信号的大小与激磁电压的导数有直接关系。

通常选用正弦波激磁手段进行激磁，

激磁电压有公式为U(t)＝ASin(Ωt)⑦

其中A为正弦波幅值，Ω为激磁频率，将⑦代入⑥后，会用

从⑧式中可以看出，干扰信号在整个时间域内长时间存在，与原激磁信号呈现

相移，且随频率Ω的增加而增大。

在本专利中，选用矩形方波进行激磁，在一个周期内，激磁的方波公式如下⑨所示

U_激磁(t)＝A*{U[t]-U[t-t₀]-U[t-t₁]-U[t-t₂]} ⑨

将⑨代入②并代入⑥式对t求导，有如下结果

因

代入⑾，即得

由式⑿可得出在t＝0、t＝t₀、t＝t₁、t＝t₂时刻，即激磁电压发生变化的时刻，对应于图1中的T1、T2、T3、T4时间段的脉冲边沿幅值的变化点，分别在电极上感应出了冲击信号，对应于图2的T1、T2、T3、T4时间段的脉冲边沿幅值的变化点，该冲击信号引入了电极上的采样误差，与正弦波激磁的式⑾对比，如图4所示，在一个激磁周期内，三值方波激磁方式仅在感应出的电极电压波形的四个边沿点的位置引入了冲击脉冲信号，即图4中的四处尖峰脉冲，可以较容易地规避该误差，而正弦波激磁方式会在整个激磁周期内都存在误差叠加，且较难规避。

为了避免激磁信号由0信号至方波幅值突变后，求导后产生的冲击脉冲干扰引发的电极信号过冲，故选择延迟采样技术，这样就可以完全避免因矩形波激磁所产生的电极信号过冲所带入的测量信号误差，延迟的时间根据非理想方波激磁信号的正脉冲上升沿和负脉冲下降沿所需的时间进行确定，如图2所示，上升沿时间和下降沿时间均为△t，则实际电极信号采样需避开这段脉冲幅值不稳定的时间，即延迟△t后再采样，正脉冲的采样时间为T1时间段，负脉冲的采样时间为T3时间段。

为了对传感器的零位进行实时修正，需要在激磁信号为0时对电极信号进行采样，如图2和图3所示，需获取T₂时间段的前位零点和T₄时间段的后位零点的电极电压，对两个零点的电极电压进行算术平均后，得到实际动态的零位，并通过该零位实时对测速值进行补偿，同时作为一个辅助检测手段对整个电磁计程仪的接收环路进行检测。

图1是激磁脉冲时序图，横向为时间线，纵向为激磁电压幅度。激磁线圈在正向脉冲T1时间段和反向脉冲T3时间段内分别进行正向激磁和反向激磁，激磁脉冲幅值为60V，这样可以满足切割磁感应线所需要的磁场强度，在零值的T2和T4时间段内不激磁，用于从电极采集电磁计程仪零位。由于电磁计程仪的工作电源为50Hz正弦波交流电，而正弦波交流电会引发90度正交干扰，故整个激磁频率不能够选择50Hz交流电的倍数频率n*50Hz(n＝1、2、3…)，通过换算，

即知一个周期激磁时间(T1+T2+T3+T4)应避开20ms的

倍。例如，可选择40Hz的矩形波激磁，激磁周期选择T1＝5ms，T2＝7.5ms，T3＝5ms，T4＝7.5ms，即激磁周期为25ms，从而可以避开电网50Hz正弦波交流电倍频干扰引起的90度正交干扰。

图2中的波形图为实际情况下电极上感应的电压，当激磁电压发生突变时，电极上感应的电压信号会叠加一个与电压幅值上升或下降时间△t成反比的电压信号1/△t，此处称之为脉冲干扰，其生成原因是激磁电压突变时所引起的楞次现象所产生的感应电流，该电流即为电极的干扰电压，

实际采样时需要避开该干扰信号，故实际采样时间T1、T2、T3、T4需要进行必要的延迟采样，这样即可规避该干扰源。在图2中，对T2、T4时间内的电极电压进行采样，可以得到激磁信号为0时的零位。在电磁计程仪的实际使用过程中，零位会随着其使用时间的长短发生变化，零位的主要影响因素为电极被海水的腐蚀或磨损程度、电路热效应、是否被海生物遮挡导致导电率下降等各种情况，而在不激磁的情况下，可以通过观察电极、接收系统形成的回路信号，从而进行整体判断及采样信号补偿。该零位可以用于补偿以实时修正航速为零时的传感器零点，并起到观测整个设备接收回路状态的作用。

图4为航速10Kn下电极电压的实测波形，图5为航速3.5Kn下电极电压的实测波形。如图4和图5所示，为便于示波器显示，上方的方波激磁脉冲为幅值由60V衰减300倍后的波形，故显示的激磁电压为200mv；下方为感应得到的电极电压的采样信号波形。

图4、图5中在不同的航速下电极电压在激磁开始段及激磁结束段均存在信号干扰，这与理论分析之脉冲干扰相符合，除去这段存在的脉冲干扰外，其余激磁时段内，电极电压较为平缓，故这段信号即可以作为航速采样信号进行航速推算。

电极电压与航速成正比关系，参见图4，采集到的电极电压为20mv，参见图5，采集到的电极电压为7mv，定义电极电压与流速之间的换算关系为200mv/Kn，则图4中对应的流速为10Kn，图5中对应的流速为3.5Kn。电极电压的波动范围在4mv，则换算成流速的波动误差为0.02Kn。这个误差还可在后续运算中通过算术平均来降低，故完全满足实船使用需求。

在未激磁时电极信号波形平缓，且在两种航速下，该段信号的值一致性良好，可以体现未激磁时的设备零位信号，故该段信号可以作为实时零位校准信号对实测航速值进行算法实时补偿。

通过本发明方法进行的三值激磁及与之对应的数据处理方法，可以大大减小电磁计程仪因正弦波激磁方式所引起的90度正交干扰误差，使得测速更平稳，精度得到了大大提高，同时该方法提供了一种通过非激磁时刻零位值测量从而判断传感器接收回路状态的手段，对实际使用状态下对设备的排故具有较强的实践价值，经本发明专利方法系统处理后的数据适合电磁计程仪的原本设计要求，具有较高的经济价值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航速测量系统，其特征在于，包括电磁计程仪和速度解算单元，在一个激磁周期内，使用三值交流方波对所述电磁计程仪进行激磁；所述三值交流方波包括一个正值方波脉冲、一个零值和一个负值方波脉冲，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲的幅值相等；将脉冲激磁阶段采集的所述电磁计程仪的电极电压输入所述速度解算单元得到航速。

2.根据权利要求1所述的航速测量系统，其特征在于，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲的幅值均为60V。

3.根据权利要求1所述的航速测量系统，其特征在于，所述正值方波脉冲与所述负值方波脉冲源于稳恒电压源。

4.根据权利要求1所述的航速测量系统，其特征在于，采集所述电磁计程仪的电极电压时进行延时采样，待电压幅值稳定后才采样。

5.根据权利要求1所述的航速测量系统，其特征在于，在零值阶段采集所述电磁计程仪的电极电压用于进行实时零位补偿。

6.根据权利要求5所述的航速测量系统，其特征在于，所述实时零位补偿用于电极磨损、电路热效应、电极生长部分海生物所导致的零位变化。

7.一种航速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用三值交流方波对电磁计程仪进行激磁，所述三值交流方波包括一个正值方波脉冲、一个零值和一个负值方波脉冲；激磁频率避开50Hz的n倍，n＝1、2、3…；

(2)由脉冲激磁阶段采集的所述电磁计程仪的电极电压解算出航速。

8.根据权利要求7所述的航速测量方法，其特征在于，步骤(2)中，采集所述电磁计程仪的电极电压时进行延时采样，待电压幅值稳定后才采样。

9.根据权利要求7所述的航速测量方法，其特征在于，还在零值阶段采集所述电磁计程仪的电极电压用于进行实时零位补偿。

10.根据权利要求9所述的航速测量方法，其特征在于，所述实时零位补偿用于电极磨损、电路热效应、电极生长部分海生物所导致的零位变化。

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