電阻式舊砂在線檢測(cè)水分儀設(shè)計(jì)

史先傳，顧玉凱，潘禮正

（常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，常州 213000）

在鑄造結(jié)束后， 鑄件上和澆鑄模具內(nèi)的型砂（舊砂）需經(jīng)過振動(dòng)落砂、砂塊破碎、溫濕與稱重檢測(cè)、灑水增濕、冷卻、除塵等一系列步驟，才可達(dá)到再生標(biāo)準(zhǔn)。 再生利用舊砂過程中，舊砂含水量關(guān)系到舊砂除塵效果以及舊砂再利用質(zhì)量，因此需要對(duì)舊砂含水量進(jìn)行測(cè)量。 目前，測(cè)量型砂含水量的方法主要有：電阻法、電容法、中子法、紅外法[1]等方法，一般根據(jù)被測(cè)型砂含水量的范圍、測(cè)量環(huán)境和成本等情況，選擇合適的檢測(cè)方法。 由于在線檢測(cè)的舊砂含水量較高且測(cè)量精度要求不高，所以選擇電阻法測(cè)量較為合適[2-4]。 電阻式水分儀是利用型砂含水量與其阻值的對(duì)數(shù)近似成線性的關(guān)系來檢測(cè)含水量[5]，具有快速性、準(zhǔn)確性以及成本低的特點(diǎn)。但現(xiàn)有的電阻法水分儀通常由分立元件、模擬電路構(gòu)成，測(cè)量電路內(nèi)包含多個(gè)電位器，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)零、校準(zhǔn)，操作繁瑣。 另外，這些分立元件也易受環(huán)境溫度和機(jī)械振動(dòng)影響，因此設(shè)計(jì)一款新型電阻法水分儀成為一種現(xiàn)實(shí)需求。

1 技術(shù)要求

電阻式水分儀主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)由傳送帶運(yùn)送的舊砂含水量[6]，并輸出相應(yīng)電流信號(hào)給上位機(jī)，其性能要求為：①測(cè)量的舊砂含水量在18%～40%之間；②含水量相對(duì)應(yīng)的輸出的電流為4～20 mA；③電流檢測(cè)值與真實(shí)值的誤差小于3%。

根據(jù)用戶要求，水分儀檢測(cè)電極之間的型砂不同含水量的阻值與水分儀輸出的4～20 mA 電流信號(hào)應(yīng)滿足規(guī)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1 所示。

表1 型砂阻值與電流值的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between sand resistance and current value

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電阻式水分儀的檢測(cè)原理

電阻式水分儀檢測(cè)原理如圖1 所示，Rx為測(cè)量電極之間的型砂阻抗，R1為采樣電阻。施加激勵(lì)電壓Ui，電流流過Rx和R1，在R1上產(chǎn)生壓降Uo，在10 V電壓作為激勵(lì)電壓與100 Ω 作為采樣電阻時(shí)，通過Uo與Rx的歐姆定律關(guān)系， 將型砂含水量與電阻的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榕c壓降Uo的變化關(guān)系。 如式（1）所示[7]：

圖1 電阻式水分儀檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic of resistance moisture meter detection

型砂阻值與壓降值隨含水量變化關(guān)系如圖2所示，根據(jù)表1 型砂阻值測(cè)得的電壓值隨含水量大小近似成線性增長(zhǎng)。 再進(jìn)行濾波放大電路和AD 轉(zhuǎn)換電路傳遞到微控制器中，經(jīng)過分段線性計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)電流值。 由此采用線性關(guān)系的電壓代替非線性的阻值，可有效地提高測(cè)得含水量的準(zhǔn)確度。

圖2 型砂阻值與壓降值隨含水量變化關(guān)系Fig.2 Diagram of resistance and pressure drop of molding sand with water content

2.2 水分儀硬件結(jié)構(gòu)

水分儀由電源電路、激勵(lì)電壓電路、采樣電路、有源濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電流轉(zhuǎn)換電路、線路檢測(cè)電路以及由微控制器STM32F103C8T6 構(gòu)成的最小系統(tǒng)等電路構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 水分儀硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Hardware structure diagram of moisture meter

電源電路將交流220 V 電源轉(zhuǎn)換為水分儀所需的各種直流電源，激勵(lì)電壓電路產(chǎn)生10 V 穩(wěn)定的電壓源施加在測(cè)量電極和采樣電阻上，采樣得出的壓降Uo經(jīng)有源濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路得出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，從而經(jīng)串行總線傳送到微控制器。 微控制器根據(jù)表1 對(duì)應(yīng)關(guān)系編寫相對(duì)應(yīng)的電流值，并采用分段線性計(jì)算法，使電流值隨含水量變化具有連續(xù)性，再經(jīng)串行總線寫入到電流轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20 mA電流信號(hào)，以此傳遞到上位機(jī)，由上位機(jī)控制加水量。 電極故障檢測(cè)模塊則用于判別檢測(cè)的電極是否發(fā)生短路或斷路，若有短路或斷路，則輸出報(bào)警信號(hào)。

2.3 電源模塊

由于水分儀所需的直流電源較多，同時(shí)在舊砂制備的大型設(shè)備下，很容易受環(huán)境以及機(jī)械振動(dòng)的產(chǎn)生電磁干擾，因此所設(shè)計(jì)的電源模塊需具備體積小，抗干擾能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 電源供電電路如圖4 所示。

圖4 電源供電電路Fig.4 Power supply circuit

總體供電電源如圖4（a）所示，主要是采用小體積、高效率，安全隔離的LHE10-20C 開關(guān)電源模塊將交流電220 V 轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕分绷鬏敵鲭妷海?再經(jīng)過兩個(gè)不同的電源穩(wěn)壓芯片，在拓展輸出電源數(shù)量的情況下也對(duì)不同模塊所需的電源進(jìn)行了隔離。 其中兩路輸出相同的5 V 電壓， 一路轉(zhuǎn)換成為微控制器供電的3.3 V，如圖4（b）所示；一路轉(zhuǎn)換成為AD 轉(zhuǎn)換芯片供電的2.5 V，如圖4（c）所示，±15 V 輸出電壓則負(fù)責(zé)給有源濾波電路中的運(yùn)算放大器元件供電，而單獨(dú)的15 V 電壓則供電給D/A 轉(zhuǎn)化芯片。

2.4 激勵(lì)電壓電路

由圖1 工作原理可知，在測(cè)量過程中，若激勵(lì)電壓Ui發(fā)生波動(dòng)，會(huì)直接影響到采樣電阻兩端的壓降Uo，從而影響到水分儀測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以Ui必須穩(wěn)定、準(zhǔn)確。 為了獲得穩(wěn)定的激勵(lì)電壓Ui，采用精度高、溫度系數(shù)小的基準(zhǔn)電壓芯片AD780B 產(chǎn)生2.5 V電壓，再經(jīng)過功率運(yùn)算放大器OPA551 放大4 倍后產(chǎn)生10 V 作為激勵(lì)電壓，如圖5 所示。

圖5 激勵(lì)電壓電路Fig.5 Excitation voltage circuit

2.5 電極故障檢測(cè)模塊

電極故障檢測(cè)電路用于檢測(cè)電極連線是否發(fā)生斷路故障以及電極間是否產(chǎn)生短路故障。 在輸出電流值之前， 微控制器首先進(jìn)行電極故障檢測(cè)，檢測(cè)電路如圖6 所示。

圖6 電極故障檢測(cè)電路Fig.6 Electrode fault detection circuit

由微控制器控制干簧繼電器觸點(diǎn)K1接通、觸點(diǎn)K2斷開，如果此時(shí)電極1 的端子1 和端子2 之間連線正常，則10 V 電壓信號(hào)經(jīng)R3、觸點(diǎn)K1、端子1 和端子2，使得m 點(diǎn)的電平為高電平，再經(jīng)電阻R5、反相器A 和反相器B，到達(dá)光耦U1的2 腳，由于U1的2 腳為高電平，U2的輸入側(cè)無電流流過，所以Vout1為高電平，表示電極1 的連線正常；反之，如果電極1 的端子1 和端子2 之間的連線發(fā)生斷路， 則圖中m 點(diǎn)電壓為低電平，使得Vout1 為低電平，表示電極1 連線發(fā)生斷路。 如果電極1 和電極2 之間發(fā)生短路，則10 V 電壓信號(hào)經(jīng)R3、觸點(diǎn)K1、端子1、端子3，使得n 點(diǎn)的電平為高電平，n 點(diǎn)的高電平再經(jīng)電阻R6、反相器C 和反向器D，到達(dá)光耦U2的2 腳，由于U2的2 腳為高電平，U2的輸入側(cè)無電流，此時(shí)Vout2為高電平， 表示電極1 和電極2 之間發(fā)生短路；反之，Vout2 低高電平，表示電極1 和電極2 之間沒有發(fā)生短路。同理，由微控制器控制觸點(diǎn)K1斷開、觸點(diǎn)K2接通， 可以判斷電極2 的連線是否發(fā)生斷路，以及電極1 和電極2 之間是否發(fā)生短路。

2.6 有源濾波放大電路

被測(cè)量的舊砂電阻值是隨著傳送帶的運(yùn)動(dòng)而不斷變化，再加上周圍環(huán)境中噪聲等影響，測(cè)得的電壓信號(hào)并不穩(wěn)定，具有較多雜波。 因此需要對(duì)其先進(jìn)行濾波再比例放大。 本設(shè)計(jì)采用的是OPA2277集成芯片，其構(gòu)成的電路如圖7 所示。 一級(jí)運(yùn)算放大器主要是作為二階低通濾波器[8]，其傳遞函數(shù)為

圖7 濾波放大電路Fig.7 Filter amplifier circuit

二級(jí)運(yùn)算放大器電路則用于比例放大，放大輸出的電壓值控制在AD 轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓之內(nèi)，同時(shí)增大的電壓經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換獲得的電壓值與實(shí)際誤差越小，準(zhǔn)確度越高。 根據(jù)理論得出的壓降值和AD轉(zhuǎn)換的參考電壓范圍，將放大倍數(shù)設(shè)置為8 倍。

2.7 A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換電路采用12 位逐次比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7895， 它主要包含了1 個(gè)3.8 us 的ADC 轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)跟蹤/保持器和1 個(gè)高速SPI 串行接口。 A/D轉(zhuǎn)換電路與微控制器之間使用SPI 通信， 為了避免外界電磁干擾影響到微控制器，轉(zhuǎn)換電路與微控制器之間的SPI 通信在硬件上添加了數(shù)字隔離芯片。

微控制器傳遞的二進(jìn)制值則通過AD5410 的12 位D/A 轉(zhuǎn)換芯片，該芯片輸出對(duì)應(yīng)的電流值在4～20 mA 范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)換公式為

式中：D 為輸入的代碼的十進(jìn)制值；N 為DAC 的分辨率。

2.8 主控模塊

主控芯片采用STM32F103C8T6 微控制器[9-10]，主要是其具有高速的工作頻率（可達(dá)7 MHz），使上位機(jī)可快速獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息。 電極故障檢測(cè)模塊則是通過微控制器的定時(shí)器3 對(duì)IO 輸入的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行中斷判斷； 采用2 個(gè)SPI 串口分別對(duì)AD轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行接收與電流值傳遞給DA 轉(zhuǎn)換芯片，其中SPI 總線的傳輸速率可達(dá)每秒幾兆字節(jié)。 同時(shí)開啟微控制器內(nèi)的看門狗定時(shí)器，在出現(xiàn)死機(jī)情況時(shí)自動(dòng)重啟水分儀。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序編寫選擇Keil 5 軟件，用C 語言對(duì)電極故障檢測(cè)和舊砂含水量進(jìn)行測(cè)量編程， 其流程如圖8所示。 首先檢測(cè)導(dǎo)線是否與兩電極連接，若已連接成功，則進(jìn)行輸入的數(shù)字量定時(shí)采集，每1.5 ms 采集一個(gè)數(shù)據(jù)，讀取5 個(gè)值便計(jì)算平均值，當(dāng)數(shù)字量≤300 時(shí)，則固定為最小值；在300～2047 之間的數(shù)字量則設(shè)定為其本身。 再用分段線性的計(jì)算方法，將得到的相應(yīng)數(shù)字量，傳遞給AD 轉(zhuǎn)換模塊。

圖8 軟件總體設(shè)計(jì)Fig.8 Overall design of the software

由表1 顯示標(biāo)定的值是有限的，而采樣8 獲得的電壓值是連續(xù)的， 因此采用分段線性的計(jì)算，首先判斷讀取的AD 值在哪兩個(gè)標(biāo)定的AD 值之間，再利用公式將AD 值轉(zhuǎn)成DA 值。 如式（4）所示：

式中：DAout為讀取的AD 轉(zhuǎn)化DA 值；ADin為AD 讀取值；DA1，DA2分別為標(biāo)定的相鄰DA 最小值和最大值；AD1，AD2分別為標(biāo)定的相鄰AD 最小值和最大值。 通過該計(jì)算公式編程，即可得到連續(xù)性的DA 值。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

按表1 對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)水分儀進(jìn)行標(biāo)定，將阻值為表1 所列的精密電阻分別連接水分儀，對(duì)輸出電流進(jìn)行標(biāo)定。 標(biāo)定過程如圖9 所示。

圖9 電阻式水分儀標(biāo)定過程Fig.9 Calibration process of resistive moisture meter

電阻盒內(nèi)有12 個(gè)精密電阻，在不同檔位輸出不同的阻值，在電流輸出端聯(lián)一個(gè)500 Ω 的電阻，示波器采集電阻兩端的電壓， 從而得出輸出的電流值。在水分儀測(cè)量舊砂含水量時(shí)，測(cè)試電極間的阻值在850～4700 Ω 之間且不是上述阻值， 則按公式（4）輸出電流值；小于850 Ω，則直接輸出20 mA；阻值大于4700 Ω，則直接輸出4 mA 電流。同時(shí)實(shí)際測(cè)得的電流值與理論的電流值的對(duì)比圖如圖10 所示，可以發(fā)現(xiàn)誤差范圍很小，一般在0～1.1%之內(nèi)。

圖10 實(shí)際電流值與理論值對(duì)比Fig.10 Comparison of actual and theoretical current values

5 結(jié)語

電阻式水分儀在運(yùn)行過程中檢測(cè)電極是否發(fā)生短路或斷路情況，從而避免因電極短路或斷路而輸出錯(cuò)誤結(jié)果。 并且通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以得出該水分儀可以將檢測(cè)出的連續(xù)電阻值轉(zhuǎn)化為連續(xù)性的電流值， 同時(shí)實(shí)際輸出的電流值與理論值誤差變化小，較為精準(zhǔn)。 水分儀實(shí)際投入使用1年表明，基于微控制器的水分儀運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定，輸出的電流值誤差范圍在0～1.1%，具有較高的精度。 基于微控制器的水分儀電路上沒有電位器，避免了機(jī)械振動(dòng)影響。 采用低溫度系數(shù)的電阻也減小了溫度對(duì)測(cè)量電路的影響。