一种超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法及系统与流程

本发明涉及高温超导磁悬浮技术，特别涉及一种超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法及系统。

背景技术：

与以电磁吸力和电磁斥力为基础的电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)技术相比，高温超导磁悬浮技术依靠高温超导体块材与外部磁场之间的磁通钉扎作用实现无源自稳定悬浮。高温超导磁悬浮技术通过将超导块材浸泡在液氮中，使其温度降低进入超导状态，进入超导态的超导块材与外磁场作用可达到稳定悬浮。该技术无需主动控制，且结构简单，因此已经成为实用磁悬浮技术的理想选择之一。

西南交通大学于2000年研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车，此后开展的大量针对悬浮、导向和驱动方面的研究工作大大推进了高温超导磁悬浮列车的实用化发展。在实际应用中，必须保证超导体浸没在液氮里面，才能避免发生失超现象。高温超导体失超将导致列车失去悬浮力，和轨道发生摩擦甚至脱轨。所以，必须保证车载杜瓦内液氮液位高于一定的安全阈值。由于液氮属于低温液体，蒸发损耗较大，在列车运行过程中，需要实时监控液氮液位以及及时补充液氮。然而，传统的人工加注液氮的方式在实际运用中费时费力，因此，有必要使用一种快速自动液氮补给装置对车载杜瓦进行及时的液氮补给。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法及系统，从而可以实现车载杜瓦液氮液位的实时控制以及液氮的全自动灌装，有助于节约时间、节省人力、进行更高效的运行操作。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给系统，该系统包括：至少两个传感器、控制器、自增压式液氮储存罐、主电磁阀、多个次级电磁阀和排气阀门；

所述传感器分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部，用于测量温度；

所述控制器与分别与各个传感器、主电磁阀、各个次级电磁阀和排气阀门连接；所述自增压式液氮储存罐与所述主电磁阀连接；所述主电磁阀还与各个次级电磁阀和排气阀门连接；各个次级电磁阀分别与对应的灌注液氮的容器连接；

所述控制器，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据实时计算得到容器内的当前液面高度；当容器内的当前液面高度低于预设的安全阈值时，对输送液氮的管道进行预冷，关闭连接到各个容器的次电磁阀，打开主电磁阀和输送液氮的管道末端的排气阀门，从自增压式液氮储存罐中输入预设数量的液氮，将蒸发形成的氮气从排气阀门排出；预冷结束后，关闭排气阀门，打开次电磁阀，开始进入灌装阶段，将液氮从自增压式液氮储存罐中灌入容器内；当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，停止液氮的灌装，关闭次电磁阀，打开排气阀门，通以一定气流使管道内液氮回流至自增压式液氮储存罐内，最后关闭主电磁阀。

较佳的，所述控制器中进一步包括：液面高度估计模块和液氮灌装控制模块；

所述液面高度估计模块，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据实时计算得到容器内的当前液面高度；

所述液氮灌装控制模块，用于当容器内的当前液面高度低于预设的安全阈值时，对输送液氮的管道进行预冷，关闭连接到各个容器的次电磁阀，打开主电磁阀和输送液氮的管道末端的排气阀门，从自增压式液氮储存罐中输入预设数量的液氮，将蒸发形成的氮气从排气阀门排出；预冷结束后，关闭排气阀门，打开次电磁阀，开始进入灌装阶段，将液氮从自增压式液氮储存罐中灌入容器内；当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，停止液氮的灌装，关闭次电磁阀，打开排气阀门，通以一定气流使管道内液氮回流至自增压式液氮储存罐内，最后关闭主电磁阀。

较佳的，所述液面高度估计模块还进一步包括：模型生成子模块、计算子模块和修正子模块；

所述模型生成子模块，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；

所述计算子模块，用于根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；

所述修正子模块，用于通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

较佳的，所述传感器为铂电阻温度传感器。

本发明还提供了一种超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法，该方法包括：

根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度；

当容器内的当前液面高度低于预设的安全阈值时，启动自动补给流程，对输送液氮的管道进行预冷；

预冷结束后，关闭排气阀门，打开次电磁阀，开始进入灌装阶段，将液氮灌入容器内；

当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，停止液氮的灌装。

较佳的，所述对管道进行预冷的操作包括：

关闭连接到各个杜瓦的次电磁阀；

打开主电磁阀和管道末端的排气阀门，通以预设数量的液氮；

将蒸发形成的氮气从末端排气阀门排出。

较佳的，所述停止液氮的灌装包括：

关闭次电磁阀，打开排气阀门，通以一定气流使管道内液氮回流至储液罐内，最后关闭主电磁阀，完成整个灌装任务。

较佳的，在对管道进行预冷之前，该方法还进一步包括：

系统进行故障自查；

如系统正常，则进入灌装流程，对管道进行预冷；否则，开启手动灌装操作模式，手动进行液氮的灌装。

较佳的，所述的手动进行液氮的灌装包括：

通过按键操作控制主电磁阀和各个次级电磁阀的通断，人工控制灌液时间。

较佳的，所述根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度包括如下步骤：

A、预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；

B、通过设置在灌注液氮的容器内顶部的传感器测量得到当前的温度数据；

C、根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到容器内的当前液面高度的估计值；

D、通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

较佳的，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：

预先根据不同工况下静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程；

预先对灌注液氮的容器进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程；

根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型；

较佳的，所述系统状态转移方程为：

h_k＝h_k-1+Δh+ξ_k-1；

其中，h为设置在灌注液氮的容器顶部的温度传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列；Δh为液氮液面的下降速度，ξ_k-1为系统噪声。

较佳的，所述系统状态转移方程为：

T_k＝T_LN+a·h_k+η_k；

其中，T_k为设置在灌注液氮的容器顶部的温度传感器在第k个时刻所测得的温度，T_LN为液氮温度，a为温度分布系数，η_k为观测噪声。

较佳的，在步骤D之后还进一步包括：

当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤B；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。

如上可见，在本发明所提供的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法及系统中，由于使用温度传感器作为测温元件测量灌注液氮的容器内的温度变化情况，再通过测量容器顶部温度的变化得到液氮液位的变化，从而可以对容器内的液氮液位进行实时监测，并根据监测结果实现灌装过程的全自动闭环控制，完成液氮自动灌装过程中的预冷、灌液、回流、检测等步骤，实现车载杜瓦液氮液位的实时控制以及液氮的全自动灌装，有助于节约时间、节省人力、进行更高效的运行操作。

附图说明

图1为本发明实施例中的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法的流程示意图。

图3为本发明实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。

图4为本发明另一实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例中的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给系统主要包括：至少两个传感器11、控制器12、自增压式液氮储存罐13、主电磁阀14、多个次级电磁阀15和排气阀门16；

所述传感器11分别设置在灌注液氮的容器内的顶部和底部，用于测量温度；

所述控制器12与分别与各个传感器11、主电磁阀14、各个次级电磁阀15和排气阀门16连接；所述自增压式液氮储存罐13与所述主电磁阀14连接；所述主电磁阀14还与各个次级电磁阀15和排气阀门16连接；各个次级电磁阀15分别与对应的灌注液氮的容器连接；

所述控制器12，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器11测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据实时计算得到容器内的当前液面高度；当容器内的当前液面高度低于预设的安全阈值时，自动补给系统启动，对输送液氮的管道进行预冷，关闭连接到各个容器的次电磁阀15，打开主电磁阀14和输送液氮的管道末端的排气阀门16，从自增压式液氮储存罐13中输入预设数量的液氮，将蒸发形成的氮气从排气阀门16排出；预冷结束后，关闭排气阀门16，打开次电磁阀15，开始进入灌装阶段，将液氮从自增压式液氮储存罐13中灌入容器内；当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，停止液氮的灌装，关闭次电磁阀15，打开排气阀门16，通以一定气流使管道内液氮回流至自增压式液氮储存罐13内，最后关闭主电磁阀14。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述控制器12中可进一步包括：液面高度估计模块121和液氮灌装控制模块122(图1中未示出)；

所述液面高度估计模块121，用于接收设置在灌注液氮的容器内的顶部的传感器11测量得到当前的温度数据，并将接收到的温度数据实时计算得到容器内的当前液面高度；

所述液氮灌装控制模块122，用于当容器内的当前液面高度低于预设的安全阈值时，对输送液氮的管道进行预冷，关闭连接到各个容器的次电磁阀15，打开主电磁阀14和输送液氮的管道末端的排气阀门16，从自增压式液氮储存罐13中输入预设数量的液氮，将蒸发形成的氮气从排气阀门16排出；预冷结束后，关闭排气阀门16，打开次电磁阀15，开始进入灌装阶段，将液氮从自增压式液氮储存罐13中灌入容器内；当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，停止液氮的灌装，关闭次电磁阀15，打开排气阀门16，通以一定气流使管道内液氮回流至自增压式液氮储存罐13内，最后关闭主电磁阀14。

较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述液面高度估计模块121还可进一步包括：模型生成子模块、计算子模块和修正子模块(图1中未示出)；

所述模型生成子模块，用于预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集；

所述计算子模块，用于根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到当前液面高度的估计值；

所述修正子模块，用于通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述传感器11为铂电阻温度传感器。相对于传统的铂电阻液位计，本发明中所使用的铂电阻温度传感器的数量可以更少，而且性能更稳定、测量精度更高。

另外，本发明中还提出了一种超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法。

图2为本发明实施例中的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法主要包括如下所述的步骤：

步骤21，根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度。

随着容器(例如，车载杜瓦)内的液氮的蒸发损耗，液氮液位逐渐降低，位于容器顶部的传感器所测得的温度也会随之升高，所以，根据传感器所测得的温度数据，即可间接测得容器内的液氮液位高度。

因此，在本步骤中，将根据容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度，从而可以实时监测容器内的当前液面高度。在本发明的上述超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法中，该步骤将一直持续进行，即实时地一直监测容器内的当前液面高度。

步骤22，当容器内的当前液面高度低于预设的安全阈值时，启动自动补给流程，对输送液氮的管道进行预冷。

在本发明中，当启动自动补给流程时，在进行灌装之前需要先对输送液氮的管道进行预冷，防止因液氮蒸发过快在管道内形成大量气泡，影响灌液。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述对管道进行预冷的操作可以包括：

关闭连接到各个杜瓦的次电磁阀；

打开主电磁阀和管道末端的排气阀门，通以预设数量的液氮；

将蒸发形成的氮气从末端排气阀门排出。

步骤23，预冷结束后，关闭排气阀门，打开次电磁阀，开始进入灌装阶段，将液氮灌入容器内。

步骤24，当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，停止液氮的灌装。

由于在步骤21中，一直在根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度，因此，在本步骤中，当容器内的当前液面高度高于预设的灌装阈值时，表示该容器已经被灌满，此时可以停止液氮的灌入，完成整个灌装任务。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述停止液氮的灌装可以包括：

关闭次电磁阀，打开排气阀门，通以一定气流使管道内液氮回流至储液罐内，最后关闭主电磁阀，完成整个灌装任务。

通过上述的步骤21～24，即可实现灌装过程的全自动闭环控制，完成液氮自动灌装过程中的检测、预冷、灌液、回流等步骤。

另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，在对管道进行预冷之前，本发明中的上述方法还可以进一步包括：

系统进行故障自查；

如系统正常，则进入灌装流程，对管道进行预冷；否则，开启手动灌装操作模式，手动进行液氮的灌装。

其中，所述的手动进行液氮的灌装是指：通过按键操作控制主电磁阀和各个次级电磁阀的通断，人工控制灌液时间。

另外，在本发明的技术方案中，可以通过多种方式来实现上述的步骤21，以下将以其中的一种具体方式为例，对本发明的技术方案进行详细介绍。

图3为本发明实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。例如，较佳的，如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，上述的步骤21中的根据设置在容器内顶部的传感器测量得到的当前温度数据，实时计算得到容器内的当前液面高度可以包括如下所述的步骤：

步骤31，预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型，并进行粒子集初始化，即生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集。

在本发明的技术方案中，在进行当前液面高度的计算之前，需要预先建立一个状态空间模型，并生成包括一组分布特征满足液位先验概率分布的粒子的粒子集，即进行粒子集初始化。

在本发明的技术方案中，可以有多种具体实现方式来实现上述的步骤31。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，较佳的，在本发明的技术方案中，所述预先根据实际的实验测量数据建立状态空间模型包括：

步骤311，预先根据不同工况下(例如，不同环境温度、不同容器)静态蒸发实验的液氮蒸发特征数据，得到液氮蒸发经验公式，并根据液氮蒸发经验公式建立系统状态转移方程。

步骤312，预先对灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)进行模拟振荡试验和实测振荡试验，对试验数据进行分析，统计测试噪声分布模型，建立系统观测方程。

步骤313，根据所述系统状态转移方程和系统观测方程建立状态空间模型。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述系统状态转移方程可以是：

h_k＝h_k-1+Δh+ξ_k-1

其中，h为设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的温度传感器到容器内的液氮液面的距离，脚标k和k－1分别示不同时间的变量序列，即表示不同时刻，例如，h_k表示第k个时刻的h的值，h_k-1表示第(k－1)个时刻的h的值；Δh为液氮液面的下降速度，ξ_k-1为系统噪声。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述系统状态转移方程可以是：

T_k＝T_LN+a·h_k+η_k

其中，T_k为设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的温度传感器在第k个时刻所测得的温度，T_LN为液氮温度，a为温度分布系数，η_k为观测噪声。

在本发明的技术方案中，可以基于液氮蒸发在近似环境下基本呈线性的特点，建立包含干扰噪声和线性变量的液氮液位变化模型(即状态空间模型)，从而可以根据状态空间模型完成对液位的预测。

因此，通过上述的步骤311～313，根据上述的所述系统状态转移方程和系统观测方程，即可建立状态空间模型。当然，所述状态空间模型中的各种参数的取值(例如，杜瓦尺寸、环境温度等)可能会根据实际应用环境的变化而变化，在此不再赘述。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，在进行粒子集的初始化时，所述粒子集中的各个粒子是根据液位先验概率分布生成的，因此所述粒子集中的各个粒子的分布特征满足液位先验概率分布。

较佳的，在本发明的技术方案中，可以通过实际的实验测量数据预先获取液位先验概率分布。

步骤32，通过设置在灌注液氮的容器内顶部的传感器测量得到当前的温度数据。

另外，较佳的，在本发明的技术方案中，所述设置在灌注液氮的容器(例如，车载杜瓦)顶部的传感器可以是铂电阻温度传感器，也可以是其它的温度传感器。

步骤33，根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，计算得到容器内的当前液面高度的估计值。

在本发明的技术方案中，由于在步骤31中已经建立状态空间模型，并进行粒子集初始化，而在步骤32中测量得到了当前的温度数据，因此在本步骤中，即可根据所述状态空间模型、粒子集和当前的温度数据，使用粒子滤波的方法计算得到容器内的当前液面高度的估计值。

步骤34，通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

由于粒子滤波算法本身就是对偏差信号进行加权修正的一种方法，因此，在本步骤中，可以通过粒子滤波算法对计算得到的当前液面高度的估计值进行修正，得到修正后的当前液面高度。

通过上述的步骤31～34，即可得到修正后的当前液面高度的估计值，从而得到精度较高的实时液面高度。因此，通过上述的方法，可以很好的消除灌注液氮的容器(例如，高温超导体磁悬浮列车上的车载杜瓦)在运行过程中的振荡干扰，对灌注液氮的容器的液氮液位进行准确的检测，得到更接近于真实值的液氮液位。

另外，图4为本发明另一实施例中的当前液面高度的计算方法的流程示意图。例如，较佳的，如图4所示，在本发明的另一个具体实施例中，上述步骤34之后还可以进一步包括：

步骤35，当当前采样点不是最后一个采样点时，根据修正后的当前液面高度对粒子集进行重采样和加权，返回执行步骤32；当当前采样点为最后一个采样点时，则结束流程。

在本步骤中，将根据修正后的当前液面高度对粒子集进行重采样和加权(即根据修正后的当前液面高度的计算值对粒子集进行筛选，例如，可以通过加权的方式使得小概率事件的粒子的权重小，从而降低小概率事件的粒子对最后结果的影响)，对粒子集进行更新，然后再返回执行步骤32，进行下一个时间点采样，即使用重采样后的粒子集结合传感器测量得到的下一时刻的温度数据，计算下一时刻的当前液面高度。依此类推，每更新一次粒子集，就重新计算一次，得到一个当前液面高度的计算值，直到对最后一个采样点完成上述操作，即对所有采样点完成计算，从而可以对液面高度进行实时而精确的监测，实时得到容器内的当前液面高度。

综上可知，在本发明所提供的超导磁悬浮车辆车载杜瓦液氮自动补给方法及系统中，由于使用温度传感器作为测温元件测量灌注液氮的容器内的温度变化情况，再通过测量容器顶部温度的变化得到液氮液位的变化，从而可以对容器内的液氮液位进行实时监测，并根据监测结果实现灌装过程的全自动闭环控制，完成液氮自动灌装过程中的预冷、灌液、回流、检测等步骤，实现车载杜瓦液氮液位的实时控制以及液氮的全自动灌装，有助于节约时间、节省人力、进行更高效的运行操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。