一種油水混勻裝置的研制

劉廣銀，任素萍，劉 帆，李 波，武靈杰

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

石油作為一種常規(guī)能源和化工基礎(chǔ)原料，在我國的國民經(jīng)濟中占有重要地位。隨著石油開采量的增加，油田化學(xué)研究也得到很大的發(fā)展，其中原油脫水是原油開采中必須進行的環(huán)節(jié)。原油破乳劑是快速高效去除原油中水分的最有效辦法。針對我國目前原油破乳的使用和研究現(xiàn)狀，以及越來越嚴格的環(huán)保要求，對新型高效的破乳劑的研究和應(yīng)用顯得日益緊迫。

在破乳劑的研究中，需要混勻原油和破乳劑。本文研制了一種用于稠油降黏實驗中混勻破乳劑和原油的裝置，提高混勻效率，縮短脫水時間，降低人力成本，并且能夠廣泛地應(yīng)用于實驗室中各類液液混勻?qū)嶒灐?/p>

1 組成結(jié)構(gòu)及工作原理

該機構(gòu)由一組凸輪搖臂、連接搖臂、主動齒輪和動齒輪構(gòu)成，基于此結(jié)構(gòu)，研制了一種反復(fù)搖勻試管的實驗裝置。裝置由可編程微處理器控制，通過鍵盤顯示電路設(shè)定參數(shù)，經(jīng)直流電機驅(qū)動器放大輸出信號，電機帶動往復(fù)運動機構(gòu)，實現(xiàn)試管的振蕩。同時采用光電編碼器采集試管的轉(zhuǎn)動位置，反饋到控制器，進而適時控制電磁閥對試管中的廢氣周期性排出。實驗裝置如圖1 所示。

1.1 往復(fù)擺機構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)試管的擺動，并且使電機的控制簡單化，采取在保持電機轉(zhuǎn)向不變的情況下周期性改變力矩轉(zhuǎn)向的往復(fù)擺機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。從動齒輪、主動齒輪和電機，連桿兩個節(jié)點均為活動鏈接。電機帶動連桿轉(zhuǎn)動時，主動齒輪會在連桿的束縛下在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)運動，從而帶動從動齒輪往復(fù)運動。從動齒輪帶動中心主軸反復(fù)運動，即可實現(xiàn)試管的往復(fù)擺。經(jīng)過實驗驗證，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且輸出力矩大，能夠帶動較重的試管。

圖1 油水混勻裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Oil and water mixing device

圖2 機械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure

光電編碼器通過連接齒輪與定位齒輪嚙合，從而獲得中心主軸的轉(zhuǎn)動位置信息。由于實驗過程中存在僅一組實驗的情況，也存在同時幾組對照實驗的可能，因而結(jié)構(gòu)在后期的改進中在同一中心軸上增加了多個試管固定結(jié)構(gòu)。

1.2 部分參數(shù)及理論計算

（1）傳動比的計算。主動齒輪、從動齒輪參數(shù)如表1所示。其傳動比：i= Zb/Za=60/100=0.6。

（2）最大擺動角度的計算。主動齒輪轉(zhuǎn)動角度范圍為-90°～+90°，轉(zhuǎn)過的齒數(shù)為50，故從動齒輪轉(zhuǎn)過50，折合轉(zhuǎn)動角度為360/60×50=300°，完全可以實現(xiàn)試管的振蕩要求。

表1 齒輪參數(shù)Tab.1Gearparameters

2 控制電路設(shè)計

2.1 MCU 的選用

選用MSP430G2553 單片機作為控制器。MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。具有超低功耗、處理能力強、開發(fā)環(huán)境方便簡捷等優(yōu)點。

2.2 電機驅(qū)動器設(shè)計

L298N 是SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A 以下的電機。

L298N 有兩路電源，分別為邏輯電源和動力電源，圖中5V 為邏輯電源，12V 為動力電源。J4 接入邏輯電源，J6 接入動力電源，J1 與J2 分別為單片機控制兩個電機的輸入端，J3 與J5 分別與兩個電極的正負極相連，見圖3。

ENA 與ENB 直接接入5V 邏輯電源，即兩個電機時刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機的運行狀態(tài)只有通過J1與J2 兩個接口。

2.3 鍵盤顯示電路

圖3 L298N 電路圖Fig.3 L298N Circuit diagram

采用HD7279 鍵盤顯示電路芯片，該芯片是一片智能顯示驅(qū)動芯片，具有串行接口，能夠驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨立LED）。該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。

鍵盤顯示電路中，用一片HD7279 芯片驅(qū)動4 位共陰極數(shù)碼管，供裝置相關(guān)參數(shù)的顯示。同時，外接一4×4 的按鍵模塊，用于進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)定。

3 控制程序設(shè)計

系統(tǒng)的控制流程圖如圖4 所示。電機PWM 調(diào)速[1]：

在對直流電動機電壓的控制和驅(qū)動中，半導(dǎo)體功率器件（L298）在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。

半導(dǎo)體功率器件工作在線性放大驅(qū)動方式，器件工作在線性區(qū)。其優(yōu)點為控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小。同時也存在功率低和散熱問題嚴重缺點。

而開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈調(diào)制（PWM）來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。

當開關(guān)管的驅(qū)動信號為高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓U。t1秒后，驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，驅(qū)動信號重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U 為：

U =（t1×U）/（t1+t2）=( t1×U)/T=D×U

式中：D—占空比（D= t/T）。占空比D 表示了在一個周期T 里開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。D 的變化范圍為0≤D≤1。當電源電壓U 不變的情況下，輸出電壓的平均值U 取決于占空比D 的大小，改變D 值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM 調(diào)速。

圖4 流程圖Fig.4 Flow chart

在PWM 調(diào)速時，占空比D 是一個重要參數(shù)。改變占空比的方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法等。常用的定頻調(diào)寬法，同時改變t1和t2，但周期T（或頻率）保持不變。

4 總結(jié)

該控制系統(tǒng)簡單高效，能夠?qū)崿F(xiàn)油水混勻的自動化進行，具有很高的實用價值。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4 版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]趙正宏，許絳垣，劉孝,等．工業(yè)安全管理的實用事故模型及剖析[J]．勞動保護科學(xué)技術(shù)，1999，3．

[3]張勝強．我國煤礦事故致因理論及預(yù)防對策研究[D]．杭州:浙江大學(xué)，2004．