油泵效率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)*

任羽斌

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

測(cè)量油泵效率一般來說有兩種方法，一種是水力學(xué)法，這種方法應(yīng)用功率平衡的原理，用泵流量和總揚(yáng)程的乘積(即有效水功率)與輸入泵的軸功率之比測(cè)算機(jī)泵效率。但絕大多數(shù)系統(tǒng)都不具備機(jī)泵單機(jī)安放流量計(jì)所要求的直管段，油泵軸功率測(cè)定的繁雜程度也超出現(xiàn)場(chǎng)的承受能力，因此現(xiàn)場(chǎng)基本不具備采用水力學(xué)法的測(cè)試條件。另一種方法是熱力學(xué)方法，熱力學(xué)法不需要測(cè)量流量和軸功率，只要測(cè)量油泵進(jìn)出口之間的溫度差和壓力差就能夠確定泵效率，而且在現(xiàn)場(chǎng)又具備簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，這在較高揚(yáng)程泵的效率測(cè)定上將會(huì)發(fā)揮不可低估的作用。

1 測(cè)量原理

油泵運(yùn)行原理如圖1所示。

泵效率的定義[1-2]可用下式表示：

ΔEm為考慮到平衡盤泄露和軸封泄漏等損失而采取的修正項(xiàng)；Ex為泵軸已提供但為被流體帶走的外部損失，包括軸承、軸封摩擦、泵殼散熱等損失。

圖1 油泵運(yùn)行原理圖

其中，c1、c2為泵的進(jìn)、出口處的平均速度；z1和z2為泵的進(jìn)、出口處的高度；P1、P2為泵入口和出口的壓力；m為泵內(nèi)流體的質(zhì)量；h1，h2為流體入口和出口的焓。

在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量位置通常取為c1=c2，z1=z2，所以式子（1）可寫為如下：

2 儀器的硬件設(shè)計(jì)

儀器的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 儀器硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量及其信號(hào)處理

金屬鉑的電阻值隨著溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，鉑電阻溫度傳感器就是利用這種特性來測(cè)量溫度的。這里采用PT1000，溫度傳感器0℃度阻值為1000 Ω，200℃的電阻值1758.560 Ω，電阻變化率為 3.851 Ω/℃。該傳感器特性為電阻值隨溫度變化而變化，可以采用恒流源將溫度信號(hào)提取出來。隨著阻值的不斷變化，而電流恒定，則電壓就相應(yīng)的變化，電壓的線性變化反應(yīng)溫度的變化，取出這個(gè)電壓信號(hào)并精確放大，以方便準(zhǔn)確的處理。

先產(chǎn)生2.5 V的基準(zhǔn)電壓，通過5.1 kΩ的電阻，可得0.49 mA的穩(wěn)定電流。PT1000接在P1端子處。PT1000在0℃的電阻值：1000 Ω，200℃的電阻值1758.560 Ω。故在PT1000兩端產(chǎn)生的電壓降為 490 mV～862 mV。AD通道的最大輸入電壓為5 V，故應(yīng)將信號(hào)放大5000/（862-490）=13.44倍，才能將精度提高到（200-0）/（4096-0）=0.048℃/AD，這樣既可滿足設(shè)計(jì)0.1℃的要求。取溫度信號(hào)電路如圖3所示。

前置放大2倍，后級(jí)放大6倍既可滿足要求。由于該信號(hào)為一個(gè)高共模信號(hào)，故采用三運(yùn)放的儀表放大器AD620作為前端放大器（高共模抑制比）。先放大2倍，此時(shí)由AD620輸出的信號(hào)范圍為：980 mV～1724 mV。

增益計(jì)算公式：

已知增益時(shí)外部電阻大小計(jì)算公式：

外接一個(gè)49.3kΩ的外部電阻使信號(hào)放大一倍，其中電阻有0.1%的誤差。信號(hào)就放大至原來的2倍了。需要一個(gè)差分電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)零再放大6倍。該差分放大電路，輸出電壓為：

此時(shí)需調(diào)節(jié)Ref至980mV，這樣可以得到一個(gè)信號(hào)輸出范圍為：0 mV～4464 mV。將此信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換芯片即可。

圖3 取溫度信號(hào)

2.2 壓力測(cè)量及其信號(hào)處理

由于流體在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過程中壓力變化很顯著，所以在壓力的測(cè)量上對(duì)精度的要求不是很高，達(dá)到B級(jí)精度即可，采樣CW800J壓力變送器。該壓力變送器采用24伏直流供電，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電流值，為4 mA～20 mA。電路如圖4所示。P3為接線端子，將兩個(gè)壓力變送器分別接在這里：1、2腳接一個(gè)；3、4腳接一個(gè)。這樣會(huì)在每條支路上產(chǎn)生4 mA～20 mA的電流，通過240歐姆的采樣電阻，可以將壓力信號(hào)提取出來，信號(hào)電壓范圍為：960 mV～4800 mV。將這個(gè)信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換芯片即可。用兩個(gè)104的電容來進(jìn)行信號(hào)濾波。

2.3 單片機(jī)及其外設(shè)

本項(xiàng)目采用STC12C5A60S2單片機(jī)，STC12C5A60S2是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有運(yùn)算速度快，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。這里采用液晶顯示模塊1602顯示計(jì)算結(jié)果，此款屏可顯示漢字及圖形，可與CPU直接接口。

圖4 取壓力信號(hào)

3 儀器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的思路[3]見圖5。

3.1 程序結(jié)構(gòu)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括頭文件、A/D轉(zhuǎn)換程序處理、溫度和壓力數(shù)據(jù)處理、效率計(jì)算的程序，字符顯示及復(fù)位。

圖5 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序

將自傳感器傳來的0～5 V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，此部分編程包含兩個(gè)部分：對(duì)A/D芯片的驅(qū)動(dòng)函數(shù)和在此基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)換函數(shù)。其中驅(qū)動(dòng)函數(shù)包括初始化程序和啟動(dòng)一次相應(yīng)通道的A/D轉(zhuǎn)換程序，返回A/D值。

3.3 AD轉(zhuǎn)換程序及后續(xù)計(jì)算

數(shù)據(jù)處理部分包括兩個(gè)部分：將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化為溫度值和壓力值，再利用轉(zhuǎn)化得到的值通過設(shè)定的公式進(jìn)行計(jì)算得到目標(biāo)效率值。主要是依據(jù)數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系編寫，如0℃-4 mA-0 V；200℃-20 mA-5 V等。再嚴(yán)格按照之前推算出的公式進(jìn)行程序編寫。主要應(yīng)用浮點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算。

3.4 字符輸出

此部分主要依靠對(duì)1602編程控制實(shí)現(xiàn)，包括依據(jù)其技術(shù)資料進(jìn)行位定義，判斷LCD是否處于忙狀態(tài)，初始化LCD，寫字符函數(shù)。

4 結(jié)論

用單片機(jī)來出控制計(jì)算油泵的運(yùn)行效率具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化的優(yōu)點(diǎn)，此外還有可靠性高，工程強(qiáng)速度快的特點(diǎn)，做此類控制比較合適。但是限于目前測(cè)溫元件精度水平，為達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，僅在壓力較高時(shí)測(cè)量效果比較好。

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