基于單片機(jī)的散體流量計的設(shè)計與開發(fā)

郭琳

（商洛學(xué)院 陜西 商洛 726000）

現(xiàn)有的固體測試技術(shù)還沒有氣、液兩相深入和完善，尤其針對單一散狀固體的動態(tài)測試技術(shù)還存在流動性等瓶頸問題[1]。應(yīng)用中對于科里奧利質(zhì)量流量計的研究也較多，但通過查詢國內(nèi)外的研究成果來看，也僅應(yīng)用于氣、液兩相流。國內(nèi)比如2012年浙江大學(xué)王立軍和胡亮研究的工業(yè)用科里奧利質(zhì)量流量計[2]，2013年北京航空航天大學(xué)鄭德志對DN1型科氏力流量傳感器做了仿真研究[3]；國外比如2011年日本岡山大學(xué)Masahiro Kazahaya，在科里奧利質(zhì)量流量計基礎(chǔ)上建立一個數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差分析[4]，2012年荷蘭特文特大學(xué)對微科氏質(zhì)量流量傳感器進(jìn)行了優(yōu)化研究[5]。利用單片機(jī)結(jié)合微計算技術(shù)與測量技術(shù)，組成智能化的測量儀表，可以解決許多傳統(tǒng)儀表不易完成的難題，同時可以簡化儀表電路、提高可靠性、加快新產(chǎn)品開發(fā)速度。比如2014年海軍潛艇學(xué)院的王宗亮，設(shè)計了一種V型氣體流量計，利用單片機(jī)對氣體的溫度、壓差和壓力進(jìn)行測量與換算后顯示氣體的流量[6]。本文研究的散體流量計亦是基于單片機(jī)（SCM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)散狀固體的在線測量，可以為后續(xù)應(yīng)用中的流量大小控制提供基礎(chǔ)，設(shè)計重點(diǎn)從傳統(tǒng)模擬設(shè)計思路轉(zhuǎn)向單片機(jī)模塊化、單片機(jī)程序智能化開發(fā)和低功耗等設(shè)計的新思路。

1 流量計的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

流量計主要以科氏力散體流量測量機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和電動機(jī)為主要硬件的檢測系統(tǒng)，如圖1。當(dāng)圖1中測量機(jī)構(gòu)的應(yīng)變電橋電路檢測到間接的流量信號，傳輸給集成放大器，然后將微弱電壓信號放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，最后由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、計算，最后用數(shù)碼管顯示。

2 流量計硬件系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 流量測試系統(tǒng)Fig.1 Flow measurement system

散體微粒在以某角速度轉(zhuǎn)動的圓盤中除受到離心力及摩擦力外，還有垂直于其運(yùn)動方向的科氏力，實(shí)際中要測量該力的反力矩，即為作用于驅(qū)動軸的力矩M為：

式中為測盤受力矩，Q為散體流量，ω為測盤角速度，r1、r2為葉片內(nèi)半徑、外半徑。由式（1）可知，M與Q成正比。散體流量計的硬件系統(tǒng)主要由科氏力散體流量測量機(jī)構(gòu)、電動機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等組成。散體流量測量機(jī)構(gòu)主要由傳動軸、導(dǎo)流錐和測輪3個核心零件組成，下面分別計算與設(shè)計它們的尺寸。

2.1 科氏力散體流量測量機(jī)構(gòu)

1）軸的設(shè)計。設(shè)計中假定轉(zhuǎn)動軸需要承受16 000 N·mm的額定轉(zhuǎn)矩，材料選用40，且傳動軸只受扭矩。按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來計算，驗(yàn)證轉(zhuǎn)軸直徑是否滿足強(qiáng)度條件：

式中：τmax為轉(zhuǎn)軸最大剪應(yīng)力，WP為抗扭截面模量，T為軸所受最大轉(zhuǎn)矩，D為實(shí)心轉(zhuǎn)軸直徑。由機(jī)械設(shè)計手冊，軸的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為 35～55 MPa，這里選較小值[τ]=34 Mpa，由（3）式得軸徑大小約為13.3 mm，取 20 mm。軸右端開有鍵槽，與電動機(jī)相連，軸徑D：

2）測輪的設(shè)計。利用測輪受到散體顆粒的科氏反力矩來間接計算散體流量，它的尺寸如圖2所示，其中1是導(dǎo)向葉片、2是轉(zhuǎn)向裝置、3是驅(qū)動軸。

圖2 測輪的設(shè)計Fig.2 The design of masurement disc

3）導(dǎo)流錐的設(shè)計。錐形導(dǎo)流體利用內(nèi)螺紋與軸相連，在導(dǎo)流錐上部打了一個橫向圓形通空，利用桿柱控制導(dǎo)流錐，如圖3。

圖3 導(dǎo)流錐的設(shè)計Fig.3 The design of diversion cone

2.2 轉(zhuǎn)矩的測量

軸轉(zhuǎn)矩的測量采用應(yīng)變型轉(zhuǎn)矩傳感器，將被測轉(zhuǎn)矩傳遞到彈性元件上，根據(jù)其物理參數(shù)變化來測量轉(zhuǎn)矩。在扭矩軸上，應(yīng)變片組成差動全橋，要求輸出電壓正比于扭轉(zhuǎn)軸所受的矩：

式中，U0為電橋輸出電壓，u為電源電壓，k為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，μ為泊松系數(shù)，E為彈性模量，Wn為抗扭截面模量，M 為所受扭矩。 由已知 k=2，u=5v，Wn=7.85×10-7。 查表得：μ=0.28，E=210×109Pa 當(dāng) Mmax=16Nm 時，U0≈1.25×10-3v， 在應(yīng)變允許范圍內(nèi)得：

2.3 轉(zhuǎn)速傳感器的選用

選用SZGB-6型光電轉(zhuǎn)速傳感器，它具有測量距離長、不受光線干擾，輸出電平適應(yīng)性好，能與各種數(shù)字顯示儀配套和接口電路聯(lián)接。光源光束照射到光敏元件上，接收反射回來的光束，被測器件連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周光束掃過光敏元件一次，光敏元件就會產(chǎn)生一次脈沖信號，記錄脈沖信號的頻率或周期，就可計算回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。

2.4 電機(jī)的選用

由前面知機(jī)構(gòu)工作最大轉(zhuǎn)矩為16 N·m，最大轉(zhuǎn)速設(shè)為1 250 r/min，求得電動機(jī)所輸出功率為2.15 kW。綜合發(fā)熱、過載和啟動等因素，根據(jù)電動機(jī)輸出功率選用YCT160-4B變頻電動機(jī)。

2.5 總體裝配結(jié)構(gòu)

硬件還需要散體物料的進(jìn)料、出料等配套裝置，圖4為該流量計的三維效果。

3 流量計信號接收與顯示系統(tǒng)的設(shè)計

流量計后續(xù)的信號接收與顯示系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換器、整流放大器、單片機(jī)、數(shù)碼二極顯像管和軟件部分等組成。單片機(jī)是系統(tǒng)核心，選用單片機(jī)AT89C51作為主控制器，它完成信號采集、計算和顯示的協(xié)調(diào)工作。

圖4 流量計三維模擬圖Fig.4 The flowmeter of 3D effect drawing

3.1 放大電路

整流放大選用AD624芯片，由系統(tǒng)中直流電橋輸出0～1.25 mV的信號，信號處理板輸入端為 0～5 V的信號，放大倍數(shù)設(shè)為4 000倍。如果采用芯片內(nèi)預(yù)設(shè)置增益，其放大倍數(shù)不在內(nèi)設(shè)增益檔位，須通過外部電阻器設(shè)定增益值，其阻值RG=40 kΩ/（G－1），當(dāng)放大器增益 G 為 4 000，RG≈10 Ω。 為達(dá)到良好效果，在腳3與16之間連接低溫度系數(shù)精密電阻器RG。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換

選用偉福單片機(jī)的ADC0809，電位器提供模擬量輸入，編制A/D轉(zhuǎn)換程序，模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量后，通過P1口輸出到LED發(fā)光二極管顯示。由于0809芯片沒有片選信號輸入端，因此必須通過時序分析。編寫并執(zhí)行程序，旋動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的電位器，觀察LED狀態(tài)變化。在正常工作中，ADC0809 的分辨率為 5 v/（256－1），這里即為 19.6 mv。 當(dāng)傳感器承受16 N·m的載荷，放大器輸出為5 V，對應(yīng)載荷為16 N·m/5 000 mV=0.003 2 N·m/Mv，ADC0809 的分辨能力為19.6 mV×0.003 2 N·m/mV=0.062 72 N·m。

3.3 數(shù)碼管顯示

該顯示電路以AT89C51為核心，外接一個鎖存器SN74LS373N，再并聯(lián)一排電阻，最后與數(shù)碼管相連。A/D轉(zhuǎn)換后的測量數(shù)據(jù)，先濾波及軟件補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)換為BCD碼送到操作面板在線顯示。圖5所示為由單片機(jī)系統(tǒng)組建的4位LED動態(tài)顯示電路。

圖5 LED顯示電路Fig.5 Dynamic LED display circuit

4 測量系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)與仿真

通過Proteus畫原理圖；在Keil uVision軟件編寫程序，運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)測量功能。這里選用Keil Cx51語言編譯器，通過uVision3開發(fā)平臺編寫應(yīng)用程序。測量系統(tǒng)的應(yīng)用程序包括主程序模塊、顯示模塊、外部中斷模塊等，流程如下圖6所示。在主程序中首先對系統(tǒng)初始化，同時組織調(diào)用各子程序，按預(yù)定要求完成控制功能；顯示模塊，對所測的流量值進(jìn)行顯示；外部中斷模塊，要響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷INT1，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號傳至單片機(jī)。軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應(yīng)的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器是比較好選擇。這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的現(xiàn)象。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

5 流量計的測試與數(shù)據(jù)分析

前面從理論上推導(dǎo)了轉(zhuǎn)矩與電信號之間的關(guān)系，由上式（1）和式（5）得：

這就得到了流量與電信號之間的正比關(guān)系。其中，是轉(zhuǎn)速傳感器所測得的實(shí)際轉(zhuǎn)速，r為測輪半徑0.2 m。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n=1 000 r/min，即有Q=3.056×103U0，當(dāng)最大扭力矩為16 N·m 時，Q=3.82 kg/s。 在實(shí)驗(yàn)中，以 Q=GL/ω r2為儀表輸入的真值，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2所示。在上面的實(shí)驗(yàn)中看到，小于0.10 N·m的力矩?zé)o實(shí)際應(yīng)用意義，流量計不能有效測量。表2中測量值與流量真值之間的差值即為測量誤差，取0.2～16 N·m量程范圍內(nèi)63個數(shù)值進(jìn)行整理得誤差樣本均值和樣本方差值。表1中的數(shù)據(jù)為流量計測量誤差總體的一個樣本，測量誤差X在設(shè)計量程范圍內(nèi)滿足要求。

6 結(jié) 論

研究開發(fā)的散體流量計已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)和設(shè)計要求，其誤差除個別值外均處于2%以下，測量精度的一致性較好，特別是流量較大時精度較高，對于直徑較小的散體能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的實(shí)時測量；由于散體物料與測輪間的摩擦或散體間的摩擦對測量幾乎沒有影響，抗外界干擾能力強(qiáng)，測量精度比較高，尤其是短期精度在10 s內(nèi)精度可達(dá)1%以內(nèi)，具有良好的介質(zhì)動態(tài)適應(yīng)性；它的運(yùn)動部件結(jié)構(gòu)簡單，具有使用方便、日常維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、能源計量和糧食生產(chǎn)等行業(yè)中有廣泛應(yīng)用價值。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析（200℃）Tab.1 Experimental data and analyze（20℃）

[1]章世秀，丁永前.固體顆粒料質(zhì)量流量測量技術(shù)現(xiàn)狀分析及設(shè)想[J].中國農(nóng)機(jī)化，2004（5）:52－53.ZHANG Shi-xiu，DING Yong-qian.Analysis and several advices on present situation of solid mass flow measurement technology[J].Chinese Agricultural Mechanization，2004（5）:52－53.

[2]WANG Li-jun，HU Liang，LEE K M.Analytical magnetic field and driving force models based on measured boundary conditions for industrial coriolis mass flowmeters[J].IEEE Transactions on Industrial Electrionics，2012，59（12）:4753－4760.

[3]ZHENG De-zhi，LIU Bei.Analysis of the sensitivity of DN1 coriolis mass flow sensor[J].The 11th IEEE International Conference on Electronic Measurement&Instruments，2013:379－384.

[4]Masahiro Kazahaya.A Mathematical Model and Error Analysis of Coriolis Mass Flowmeters[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（4）:1163－1174.

[5]Groenesteijna J，Lammerink T S J，Wiegerink R J，et al.Optimization of a micro Coriolis mass flow sensor using Lorentz force actuation[J].Sensors and Actuators A，2012（186）:48－53.

[6]王宗亮，徐杭田，楊占錄.基于AVR單片機(jī)的便攜式氣體流量計設(shè)計與應(yīng)用[J].自動化與儀表，2014（1）:23－26.WANG Zong-liang，XU Hang-tian，YANG Zhan-lu.Design and application of portable gas flowmeter based on AVR SCM[J].Automation ＆ Instrumentation，2014（1）:23－26.