饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置和检测方法

本发明涉及管道物料检测，特别是涉及饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置和检测方法。

背景技术：

1、稀料饲喂的方式已广泛应用于生猪养殖中，输送稀饲料主要采用管道输送。由于物料打浆不均匀或不同物料流动性差异，导致在管道输送过程中出现堵塞，此外，由于物料输送流动不均匀，要想实现精准下料，需要准确监测管道内物料浓度。当前国内外针对管道的堵塞检测问题，大多使用热成像检测法、化学特性法、管道应力应变法、γ射线法等。但是这些传统的检测手段成本较高。

2、虽然管道堵塞故障检测方法众多，但是这些检测手段存在操作困难、对人员要求较高和检测成本高的问题。在各种检测方法中，声学检测方法表现出显著优势，主要体现在声音信号在固液气三态中均可传播，不会受到管路复杂程度的影响。管道堵塞识别属于管道故障识别研究中的一种，相关领域的研究主要集中在堵塞故障检测和泄漏故障检测两个方面，基于声学方法的研究又分为被动检测(声发射)和主动检测(声反射)两种方式。但相关研究主要集中于管道内部的检测，为完成实验研究，难免会破坏管道，也与实际检测存在差异。现有基于声学的检测方法应用对象受限，难以满足饲喂管道物料堵塞状态检测要求。目前市面上还没有一款可以根据自激励声音信号，实现管道物料浓度与堵塞状态检测的装置。

3、因此，如何提供饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置，可利用外部激振敲击管道外壁产生声波，并采集音频信号进行分析以检测判断管道堵塞情况，无需打开管道即可进行检测，且具有安装和操作简单、使用方便的特点是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置和自动脱钩方法，旨在解决上述技术问题。本发明提出的饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置可利用外部激振敲击管道外壁产生声波，并采集音频信号进行分析以检测判断管道堵塞情况，无需打开管道即可进行检测，且具有安装和操作简单、使用方便的优点。

2、为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置，包括：

3、激振器，所述激振器设置在待测管道的外壁的一侧，且所述激振器的激振头可抵接并振动敲击所述待测管道的外壁，以在所述待测管道(6)内产生声波；

4、声波转换器，所述声波转换器设置在所述待测管道外壁与所述激振器相对的另一侧；且所述声波转换器的接收端与所述待测管道外壁间隙设置或接触设置，以接收和产生声波反馈信号；

5、主控系统和上位机，所述激振器与所述声波转换器均与所述主控系统电性连接，且所述激振器与所述声波转换器均受控于所述主控系统；所述主控系统内置无线通讯模块，且与所述上位机无线通讯连接；

6、供电机构，所述供电机构与所述主控系统电性连接。

7、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供的饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置可利用激振器的激振头从管道外一侧敲击管道外壁产生声波，并通过位于待测管道外壁另一侧的声波转换器采集声波信号并反馈给主控系统，并最终将声波反馈信号远程无线传输给上位机进行分析以检测判断管道内输送状态下的物料浓度以及管道堵塞情况；本发明技术方案无需打开管道且在管道正常输送物料的条件下即可对饲喂管道内部物料浓度及是否存在堵塞的情况进行检测，具有安装和操作简单、使用方便的优点。

8、作为上述技术方案的进一步改进，还包括：

9、壳体，所述壳体包括壳体一和壳体二，所述壳体一和所述壳体二分别抵接在所述待测管道相对的两侧壁，且所述壳体一和所述壳体二相对的侧部均具有与所述管道外壁相适配的凹槽结构；所述壳体一和所述壳体二之间通过连接件紧固连接；

10、所述供电机构和所述激振器均固定在所述壳体一内部；所述壳体一对应所述激振头的位置具有第一避让通孔；所述声波转换器固定在所述壳体二内部，所述壳体二对应所述声波转换器的接收端的位置具有第二避让通孔。

11、作为上述技术方案的进一步改进，所述主控系统包括单片机、设定键、显示屏、继电器模块；所述供电机构包括电池、稳压模块、可调稳压模块；所述稳压模块分别与所述电池和所述单片机电性连接，用于将所述电池的电压转换为所述单片机的工作电压；所述继电器模块分别与所述激振器和所述单片机电性连接，所述单片机通过控制所述继电器模块进而控制所述激振器产生激振；所述可调稳压模块分别与所述电池和所述继电器模块电性连接，所述可调稳压模块用于调节所述激振器的供电电压；所述单片机内置无线通讯模块且与所述上位机无线通讯连接；

12、所述单片机、所述设定键和所述显示屏均设置在所述壳体二上；所述电池、所述稳压模块、所述可调稳压模块和所述继电器模块均设置在所述壳体一内部。

13、壳体一和壳体二便于激振器和声波转换器的相对固定，且实现了电池、所述稳压模块、所述可调稳压模块和所述继电器模块与声波转换器和单片机的分离布置，可在一定程度上避免了复杂的线路电流及电磁对声波转换器和单片机的信号干扰，利于后期声波反馈信号的分析和处理，进一步提高了检测精确度。稳压模块的作用是将电池的电压降至单片机的工作电压，并提供稳定电压；可调稳压模块的作用是为激振器提供电压，并可通过调节供电电压的大小来控制激振器的振动强度。

14、作为上述技术方案的进一步改进，所述激振器的激振头为撞针，所述激振器还包括驱动所述撞针振动的电磁驱动部，所述电磁驱动部固定在所述壳体二内；所述撞针的一端螺纹连接在所述电磁驱动部的驱动端，另一端穿过所述第一避让通孔且与所述待测管道外壁抵接；所述电磁驱动部与所述继电器模块电性连接。

15、与电磁驱动部的驱动端螺纹连接的撞针可进行拆卸与更换，可根据管路的不同特性适配不同规格的撞针，利于产生有效的声波信号，便于提高检测精确度。

16、作为上述技术方案的进一步改进，所述电磁驱动部包括架体、电磁线圈、铁芯、弹性件；

17、所述架体固定在所述壳体一内部；

18、所述电磁线圈固定在所述架体内部；所述电磁线圈与所述继电器模块电性连接；

19、所述铁芯一端活动穿设在所述电磁线圈的一端，另一端贯穿所述架体且位于所述架体外部，并与所述撞针螺纹连接；

20、所述弹性件套设在所述铁芯上，且位于所述架体外部；所述弹性件两端分别与所述架体和所述铁芯端部的凸台抵接。

21、继电器模块接收主控系统的信号用于控制电磁线圈的通断，可调稳压模块可调节电磁线圈的电压高低，进而改变电磁线圈对铁芯的电磁吸力大小；铁芯在电磁线圈的电磁吸力作用下可压缩弹性件并缩回至电磁线圈中，电磁线圈断电时弹性件可进一步将铁芯弹出，从而带动撞针敲击管道外壁；通过可调稳压模块调节电磁线圈的电压高低即可控制弹性件压缩量，进而控制敲击管壁时产生声波的能量。

22、作为上述技术方案的进一步改进，所述激振器还包括导向连杆和定位螺母；所述导向连杆的一端活动穿设在所述电磁线圈内，且与所述铁芯远离所述撞针的一端固定连接；所述导向连杆的另一端穿过所述架体且与所述定位螺母螺纹连接。

23、可通过调节定位螺母改变弹性件压缩量，进而调节撞针与管道外壁的初始抵压力的大小。

24、作为上述技术方案的进一步改进，所述声波转换器为声电换能器；所述单片机为esp32单片机；所述电池为12v锂电池；所述稳压模块为5v稳压模块；所述可调稳压模块为0v-12v连续可调。

25、作为上述技术方案的进一步改进，所述无线通讯模块采用wifi模块和双蓝牙模块。

26、本发明的另一个方面提供了一种饲喂管道物料浓度与堵塞的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

27、步骤1：将饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置安装在正常输送状态下的所述待测管道上，安装时可根据待测管道管网长度及分布面积的实际情况，将多个装置呈分布式安装在待测管道管网的不同位置进行多点检测；

28、步骤2：根据管网中不同位置的所述待测管道管壁材质或厚度的不同，对多个装置的所述激振器的工作参数进行针对性地设定；通过所述设定键进行设定所述激振器的敲击时间、敲击次数和敲击频率，设定的敲击时间、敲击次数和敲击频率可显示在所述显示屏上；通过所述可调稳压模块进行调节所述激振器的敲击强度；所述声波转换器将接收到的声波信号转换成模拟电信号反馈传输至所述单片机；

29、步骤3：所述单片机将接收到的声波反馈信号通过无线通讯模块无线传输至所述上位机；

30、步骤4：采用完全经验模态分解ceemd对不同堵塞程度的声波反馈信号进行分解，得到本征模态函数imf；

31、步骤5：使用改进rnn-lstm算法模型进行识别声波反馈信号，为整个装置的实际运行提供算法支持；完成对饲喂管道管网中不同检测点的输送饲料浓度的识别和管道堵塞状态的检测。

32、作为上述技术方案的进一步改进，步骤5的使用改进rnn-lstm算法模型进行识别声波反馈信号的具体步骤为：

33、步骤5.1：从分解后得到的本征模态函数imf分量中提取特征能量占比、近似熵和中心频率等特征向量用于表征被检测对象的不同状态，并进行特征选择；

34、步骤5.2：利用皮尔逊相关系数结合距离可分性判据对特征向量进行筛选，剔除相关性差和区分度低的特征向量；

35、步骤5.3：将经过筛选后的特征向量构成特征集合；

36、步骤5.4：采用循环神经网络rnn—长短期记忆模型lstm算法模型对信号进行识别；

37、步骤5.5：完成对饲喂管道中输送饲料浓度的识别和管道堵塞的检测。

38、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置和检测方法，具有以下优点及有益效果：

39、1、本发明采用声波分析的方法在管道外部直接检测，确定管道堵塞情况，实时测定管道内物料浓度或者水料比，不受管道长度和堵塞位置的影响；可在管道不截断或开口的情况下直接获得浓度与堵塞状态数据。

40、2、本发明采用无线通信的方式，将模拟信号发送至上位机，适用于在特殊位置以及特殊环境中使用。

41、3、本发明利用声振信号获得物料浓度与堵塞状态的算法，采用了ceemd分解声音反馈信号，从分解后得到的本征模态函数imf分量中提取特征向量并进行特征选择，使用改进rnn-lstm算法模型进行识别声信号，为整个装置的实际运行提供算法支持，提高了测量的准确性。

42、4、本发明可将多个饲喂管道物料浓度与堵塞检测装置分布式安装在管道管网中组合使用，通过对多个检测点的声波反馈信号分析处理，可综合判断管道内物料浓度的分布与堵塞情况。