一種旋漿式流速傳感器率定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾瑄，涂振宇

（南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

一種旋漿式流速傳感器率定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾瑄，涂振宇

（南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為主控單元的智能化低流速傳感器率定系統(tǒng).該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制測(cè)量車(chē)在水槽上的行進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流速的標(biāo)定，可同時(shí)自動(dòng)率定8支旋槳式流速傳感器，從而提高低流速測(cè)定的準(zhǔn)確性，使流速的測(cè)定誤差小于1%.

流速儀；傳感器；單片機(jī)；率定系統(tǒng)

水工模型測(cè)量的準(zhǔn)確性關(guān)系到水利工程的質(zhì)量與安全.微型旋漿式流速儀在低流速的水工模型測(cè)量領(lǐng)域被廣泛使用，分析這種流速儀的產(chǎn)生誤差的原因，主要就在旋槳傳感器.要保證準(zhǔn)確地測(cè)量，就應(yīng)該定期對(duì)旋槳傳感器進(jìn)行標(biāo)定.傳統(tǒng)的比托管測(cè)定法既費(fèi)時(shí)又耗電，而且精度較低，滿足不了現(xiàn)代測(cè)量的需要.本文設(shè)計(jì)一種由單片機(jī)為主控單元的智能化低流速傳感器率定系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方法的諸多缺點(diǎn)，具有較明顯的實(shí)用價(jià)值.

1 總體方案

運(yùn)用單片計(jì)算機(jī)技術(shù)，以玻璃水槽的水為靜水，跑車(chē)為勻速運(yùn)動(dòng)，速度范圍為2～200cm·s－1，一次率定8支流速儀傳感器.具體有如下6個(gè)方面的要求：1）采用步進(jìn)電機(jī)控制速度，以達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度以4位數(shù)碼顯示；2）一次可率定8支流速傳感器；3）運(yùn)行的距離總長(zhǎng)度為17m，分布為3個(gè)區(qū)段（勻加速、勻速、勻減速），區(qū)段分界點(diǎn)布置金屬標(biāo)識(shí)；4）運(yùn)行的方向由手動(dòng)控制；5）為防止跑車(chē)出軌，兩端設(shè)斷電保護(hù)；6）開(kāi)始運(yùn)行由遙控器點(diǎn)擊，并且由蜂鳴器報(bào)告運(yùn)行情況.

在一個(gè)長(zhǎng)18m，寬1m的玻璃水槽上，平行固定2條等長(zhǎng)的鋼軌.跑車(chē)工作狀態(tài)圖，如圖1所示.設(shè)置2個(gè)變速工作區(qū)和1個(gè)勻速工作區(qū)，變速工作區(qū)的長(zhǎng)度為3.5m，勻速工作區(qū)的長(zhǎng)度為10m.在區(qū)間分界點(diǎn)設(shè)置金屬標(biāo)識(shí)，跑車(chē)上裝接近開(kāi)關(guān)K，當(dāng)K接近界標(biāo)時(shí)，跑車(chē)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的工作狀況［1］.

在設(shè)置好跑車(chē)速度后，由遙控器點(diǎn)擊開(kāi)始，跑車(chē)?yán)锏姆澍Q器發(fā)出聲響，跑車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)，并根據(jù)所設(shè)定的速度計(jì)算出加速值而勻加速；在進(jìn)入勻速段前，逐步勻加速到設(shè)定的速度，在經(jīng)過(guò)勻加速和勻速區(qū)段分界點(diǎn)的接近開(kāi)關(guān)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲響，跑車(chē)進(jìn)入勻速段，此時(shí)，流速計(jì)數(shù)器開(kāi)始測(cè)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù).在經(jīng)過(guò)勻速和勻減速區(qū)段分界點(diǎn)的接近開(kāi)關(guān)時(shí)，蜂鳴器又發(fā)出聲響，流速計(jì)數(shù)器停止測(cè)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)，跑車(chē)進(jìn)入勻減速段，并且在勻減速段將跑車(chē)的速度減至到零，工作結(jié)束.

圖1 跑車(chē)工作狀態(tài)圖Fig.1 Work status of sports car

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 跑車(chē)部分

2.1.1 電機(jī)和機(jī)械部分 由于跑車(chē)的速度要求勻速，而異步電機(jī)的速度難以控制.步進(jìn)電機(jī)具有精確步進(jìn)和定位，只要輸出恒定的頻率，步進(jìn)電機(jī)就能以給定的速度前進(jìn).因此，所選配BQH－300型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用高壓恒流斬波方式驅(qū)動(dòng)，具有高頻特性好、輸出轉(zhuǎn)距大、功耗較低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小等特點(diǎn)，且其內(nèi)部設(shè)有過(guò)流和短路保護(hù)電路，提高了電機(jī)使用的安全性［2］.然而，當(dāng)電機(jī)處于暫停狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的一相或二相繞組始終不能斷電，容易使電機(jī)燒壞，所以采用了MOC3041雙相晶閘管（內(nèi)含過(guò)零檢測(cè)電路）作為交流負(fù)載隔離器.

圖2為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電路.由P1.4決定電機(jī)是否得電，這樣既保護(hù)了電機(jī)，又降低了電路的能耗.為減少磨損和噪音，車(chē)輪采用鑄鐵輪，滾動(dòng)部分采用含油軸承.

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電路Fig.2 Control circuit of the stepper motor driver

2.1.2 控制部分 由于跑車(chē)路程是開(kāi)環(huán)運(yùn)行，跑車(chē)需要來(lái)回運(yùn)行，方向的控制需要十分可靠，否則將會(huì)發(fā)生跑車(chē)出軌事故.采用硬件和軟件同時(shí)控制，意在提高可靠性.圖3為方向控制電路.從圖3可知：運(yùn)行方向開(kāi)關(guān)的狀況采用雙保險(xiǎn)分二路讀入［3］，并與上一次的運(yùn)行方向開(kāi)關(guān)狀況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不一致則啟動(dòng)跑車(chē)；若一致，控制器則自動(dòng)輸入與上一次的運(yùn)行方向相反的命令，再啟動(dòng)跑車(chē).

加速區(qū)和減速區(qū)的長(zhǎng)度主要由電機(jī)的變速率決定，勻速區(qū)由流速儀傳感器率定工作區(qū)，長(zhǎng)度由鋼軌和工作場(chǎng)地所決定，長(zhǎng)度長(zhǎng)則率定流速范圍大.工作場(chǎng)地為17m，勻速區(qū)有10m，若率定時(shí)間100s，最大流速是100cm·s－1，若將率定時(shí)間縮短為50s，則率定流速可加大.

勻速區(qū)、加速區(qū)、減速區(qū)間分界點(diǎn)設(shè)置一金屬標(biāo)識(shí)，跑車(chē)上裝一電感式接近開(kāi)關(guān)K，當(dāng)金屬物體接近此作用表面時(shí)，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而起到“開(kāi)”、“關(guān)”的控制作用，速度控制電路如圖4所示.從圖4可知：當(dāng)開(kāi)關(guān)K接近金屬標(biāo)識(shí)時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)光電耦合器傳送給反相器，觸發(fā)D觸發(fā)器74LS74，ˉQ端輸出一低電平，申請(qǐng)中斷［4］，控制器根據(jù)中斷的次數(shù)，可以知道跑車(chē)運(yùn)行在何區(qū)間.

圖3 方向控制電路Fig.3 Circuit of direction control

率定系統(tǒng)的測(cè)量精度很大部分取決于運(yùn)行速度的精度.雖然采用了步進(jìn)電機(jī)，但仍然需要考慮其他因素，如機(jī)械傳動(dòng)部分的誤差等.速度的常數(shù)是儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器里，在每次使用前，系統(tǒng)首先檢查速度常數(shù)是否正常，以免執(zhí)行錯(cuò)誤的速度常數(shù)；同時(shí)，將運(yùn)行的速度在面板上顯示出來(lái)，供操作者檢查.

2.2 計(jì)數(shù)部分

在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)，同步記錄8個(gè)通道旋漿的轉(zhuǎn)數(shù)，該部分采用8線智能流速儀，其啟動(dòng)和關(guān)閉均由控制器決定.

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)量流速和旋漿轉(zhuǎn)速之間滿足關(guān)系式

其中：v為測(cè)量流速；N為旋漿的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)；t為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間；K，C均為需要率定的旋漿參數(shù).

一般情況下，旋漿的率定均需取采樣點(diǎn)8點(diǎn)以上，因此在2～200cm·s－1的速度區(qū)間選取了10個(gè)速度點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，將實(shí)測(cè)速度（v實(shí)測(cè)）與理想速度（v理想）對(duì)比后，用最小二乘法擬合線性，然后對(duì)K，C值加以修正，使最終的修正速度（v修正）與設(shè)定速度的誤差控制在1%的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.表1中：N為t＝50s測(cè)量的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù).

表1 旋漿率定修正表Tab.1 Correction table of propeller calibration

4 結(jié)束語(yǔ)

利用單片機(jī)對(duì)測(cè)量車(chē)得運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)低流速儀的傳感器——旋漿的率定.其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清晰，在測(cè)定過(guò)程中對(duì)旋漿進(jìn)行修正和完善，保持了測(cè)量的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，已達(dá)到系統(tǒng)誤差小，使用簡(jiǎn)單方便的設(shè)計(jì)目標(biāo).因此，在水利工程和其他低流速測(cè)量領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值［5］.

［1］吳葆仁，吳辰.旋槳式海流計(jì)的水槽率定［J］.海洋技術(shù)，1997，16（1）：41－46.

［2］曾瑄，陳云翔，樊宜.一種智能化的流速率定系統(tǒng)［J］.江西水利科技，2000，26（4）：214－216.

［3］蔡明生.電子設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2004.

［5］吳新生，許明，魏國(guó)遠(yuǎn).長(zhǎng)江防洪模型量測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2009，40（19）：72－74.

Design of Propeller－Velocity Sensor Calibration System

ZENG Xuan，TU Zhen－yu
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

A calibration system for an intelligent low flow velocity current meter is designed with the single－chip microprocessor as the main control unit.The calibration of flow velocity is implemented by the measuring the movement of a survey vehicle in the sink controlled by the single－chip microprocessor，also the main parameters of the eight propeller velocity sensors can be automatically calibrated at the same time to improve the correctness of velocity determination so that the velocity measurement error could be reduced to less than 1%.

current meter；sensor；single－chip microprocessor；calibration system

陳志賢 英文審校：鄭亞青）

P 335.1

A

1000－5013（2012）01－0006－03

2011－07－30

曾瑄（1967－），女，副教授，主要從事智能化傳感器率定系統(tǒng)的研究.E－mail：zengxuan3＠yahoo.com.cn.

江西省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（GJJ11643）