（电力电子与电力传动专业论文）基于pic18f6520的多级油泵测控系统的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo f m u l t i - s t a g eo i lp u m p b a s e do np i c l8 f 6 5 2 0 a b s t r a c t o i lp u m pu n i ta r et h ek e ye q u i p m e n to fc r u d eo i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i ti s f a t e f u lf o rt h ee n t e r p r i s ew o r k i n go r d e rt h a tt h e s ee q u i p m e n t sc a nb er u n n i n ga t s a f e t y o i lp u m pu n i ti ns e c u r i t yw i t hr e a lt i m e ，r e f l e c t i n gi t ss t a t u sa tw o r ka n d w i t hr e a lt i m ec o n t r o l l i n ga n df a u l td i a g n o s i sw i t hs c i e n t i f i ca n a l y s i s ，a r et h e t r e n do fm o d e m m a n u f a c t u r i n ga n dt e c h n o l o g y b a s e do nt h ef i e l dr e q u e s t so ft h em u l t i s t a g eo i lp u m p ，am e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hc a nr e a l i z et h em u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t s a n dc o n t r 0 1 s t a r t i n gw i t hd e s c r i b i n gt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h em u l t i s t a g e o i lp u m p ，t h eg e n e r a ls c h e m ew h i c hu s e sp i c l8 f 6 5 2 0a st h ec o n t r o lc o r ei sm a d e c i r c u i t so fm u l t i p a r a m e t e r ( f l o w ，p r e s s u r e ，e t c ) m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r e d e s i g n e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma r ed e s i g n e di np a r t o fm e a s u r e m e n t p r e s s u r eo p e n l o o pc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di np a r to fc o n t r 0 1 i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o le f f e c to ft h i sc o n t r o ls y s t e m ，ai i - s t a g e f u z z yc o n t r o l l e ri sw o r k e do u tb a s e do ng e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e r i nc o n t r o l a l g o r i t h ma r e a s t h es i m u l a t i o ns h o w s t h a tt h i sf u z z yc o n t r o l l e rc a ni m p r o v et h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i tt a k e sl e s st i m ef o rt h es y s t e mt og e tt ot h e g i v e nr o t a t i n gs p e e d i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a sb e t t e rs t a t i cp e r f o r m a n c e a n di nc a s eo fi n c r e a s i n go rd e c r e a s i n gt h em o t o rl o a d ，t h es y s t e mc a ng e tt ot h e g i v e ns p e e dr a p i d l y s i m u l a t i o n i n d i c a t e st h a tt h i s s y s t e mc a nm e a s u r et h e p r e s s u r e ，t h ei n s t a n t a n e o u sf l o wa n dc u m u l a t i v ef l o ww i t hc e r t a i na c c u r a c y ；a n d t h es p e e do ft h em o t o rc a nb er e g u l a t e db yc o n t r o l l i n gt h r e ep h a s ea s y n c h r o n o u s m o t o rw i t hv a r i a b l ef r e q u e n c i e s ，t h ef l o wa n dp r e s s u r eo ft h em u l t i s t a g eo i lp u m p c a nb ea d j u s t e d k e y w o r d sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ：m u l t i s t a g eo i lp u m p ；s p w m ；f u z z y c o n t r 0 1 i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p i c l 8 f 6 5 2 0 的多级油 泵测控系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 杨坤 日期：如口占年午月2 ；日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于p i c l 8 f 6 5 2 0 的多级油泵测控系统的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方 作者签名： 导师签名： 日期：) o d 孑年牛月鸠日 日期：己阳莎年争月a 3 日 )中匕q 事山认 姗杨妇内歹l 免6 匡 - 哈尔滨理t 大学工学硕二l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术和控制理论的高速发展，交流电 机变频调速技术取得了突破性的进展。交频调速以其优异的调速和启制动性 能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国 内外公认为最有发展前途的调速方式，是当今节能、改善工艺流程以提高产品 质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。目前，国内变频调速系统的 研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分份额还是被国 外公司所占据。因此，加快国内变频调速系统的发展以及如何站在高起点上结 合我国国情开发我国自己的产品都具有十分积极的意义【。 多级油泵在石油化工工业中起着输送液体油的作用，是集输过程中不可缺 少的，它广泛应用于化工厂、车站、转运站和码头等场所。随着现代工业、农 业和城市建设的蓬勃发展，各行各业对多级油泵的需求量不断增加，其规模和 投资越来越大，性能要求不断提高，人们对生产安全地要求也越来越高。很多 现场要求对多级油泵运行中的各类参数( 流量、压力、温度及转速等) 同时进行 检测，并通过控制转速来实时调整参数。目前，多级油泵测控技术在国内有很 大的应用空间。变频调速技术的发展和单片机的优势为多级油泵测控系统使转 速实时控制及参数检测的高精度的实现成为可能。 在控制工程中，有一些复杂被控对象的特性难于用一般物理及化学的已有 规律来描述，而且无适当的测试手段或监测法进入被试区，以至于不可能为其 建立数学模型。对于这类不具有任何数学模型的被控对象( 或过程) ，应用传统 控制理论和现代控制理论都很难取得满意的控制效果。然而，这类被控对象 ( 或过程) 在人的手动操作下往往能正常运行，并达到一定的预期的效果。因此 采用模糊控制控制效果较好。 目前，国内对多级油泵运行状态进行检测及工控尚处于起步阶段。由于液 体在油泵内流动情况十分复杂，运行工况因时因地都有变化，无法用完整的数 学解析式来描述多级泵在不同工作状态下的运动特征，要确保油泵在较高的效 率范围内运行，就必须了解油泵性能变化规律，及时检测油泵性能参数，掌握 油泵的实际性能曲线，更好地为生产实践服务，并且达到节能的目的。在国内 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 诸如油田、电厂、化工厂、车站、码头等场所使用的多级油泵仍是常规型号， 外设大量的检测及工控设备，不但需要较大的空间，还大幅度地提高了工程造 价，同时，对与之相配的常规多级油泵现场改动量较大。多数关键的多级输油 泵还以计划维修、定期保养为主，但很多现场要求同时对运行中的各类参数进 行检测，必要时还需要对流量、扬程等参数进行随时调整。原先的油泵试验测 试装置都是机械式读表，人工目测所测量的数据误差较大；由于不同仪表安装 在不同位置，所得到的数据不是同时的，也给测量数据带来一定的误差；并且 所得到的数据要经人工计算和绘制图形，要耗费较多的人力，绘制的曲线也不 规范。而仅仅依赖于传统的外设大量的检测及工控设备很难发现设备的潜在故 障，无法达到预防为主的目的。随着现代技术的进步和发展，设备越来越大型 化，功能越来越多，结构越来越复杂，自动化越来越高。如果潜在的故障没有 做好及时有效的处理，很容易导致设备故障的发生，如电机及泵轴损坏，轴承 过热烧损和机体振动过大等事故，不仅会造成巨大的经济损失，严重时可能会 危及人身安全，影响企业的正常安全生产，产生重大的社会影响。而采用单片 机控制，则可以较好的解决此问题。所以对机械设备的状态进行及时有效的检 测，对多级油泵转速进行实时控制，并通过自身配备的显示屏显示出来。该项 目的研究开发可克服目前多种工控场合工作效率低，人力资源浪费，自动化程 度较低等现状，从而可显著提高多级油泵的高科技含量，对工业发展有深远意 义1 2 】。 1 2 国外多级油泵测控技术现状 近2 0 年来，国际上电子、电气技术发展日新月异，越来越多的技术成果 应用到多级油泵测控系统中，使多级油泵测控系统的综合技术指标和工作可靠 性不断提高，稳定和扩大了多级油泵销售市场。然而，这些技术成果在国内多 级油泵领域的应用尚少，致使国产同类产品无论是综合性能、可靠性还是性价 比都同国外产品有一定差距。 国外多级油泵工频控制系统不断融合先进电子电气技术，目前已经非常完 善，呈现出以下特点和趋势： 1 ) 能够适应湿热、高寒各种气候下的户外使用要求； 2 ) 加装漏电接地保护装置和机械电气连锁保护装置； 3 ) 保护控制功能日益完备。在传统的过载、欠载、短路、电流不平衡等 保护功能的基础上，增加了过压、欠压、电压不平衡、相序指示和防止频繁开 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 机等保护功能。 近年来，将变频技术引入了多级油泵测控系统，以克服工频控制系统启动 电流大、恒转速控制无法调整生产参数等不足。在国外，随着变频技术的逐渐 成熟和成本的降低，变频控制在多级油泵测控系统中的应用变得越来越普遍。 变频控制系统与工频控制系统相比，主要有以下优点： 1 ) 提高系统效率。根据现有的泵和生产指数优化产量，通过变频器随时 调整工作频率，使泵始终工作在特性曲线的推荐范围内，从而使系统整体效率 最大化； 2 ) 使产量最大化。应用变频器，无须换泵就可通过提高工作频率，充分 利用电机容量，并使泵的产量最大化，保证系统经济性； 3 ) 降低了启动过程大电流对机组的危害。工频启动产生较大的浪涌电 流，而变频启动则可通过降低频率大幅度降低启动电流( 近似与变化频率和工 频之比的平方根成正比) 1 3 j 。 随着传感技术的发展和用户需求的增加，国外近年出现了先进的多功能传 感器，如p h o e n i xm u l t i s e n s o r 。它能够对吸入口压力、排出口压力、吸入口温 度、排出口流量、功率因数等参数进行实时测量，并具有很高的精度。压力量 程可达5 0 0 0 1 0 0 0 0 p s i ( 3 5 - - 7 0 m p a ) ，耐温等级达到了1 5 0 度。机组运转情况 进行全面有效地监控，结合其它设备可实现系统闭环控制。 1 3 国内多级油泵测控技术的发展现状 从2 0 世纪八十年代末九十年代初，伴随着电子技术、传感器技术、计算 机技术、自控技术的飞跃发展，在多级油泵参数的自动采集和测试方面，我国 取得了一定的进步。 浙江机械研究所、江苏理工大学、山东农业大学、华北水利电力学院等单 位相继对多级油泵试验装置进行了研究与开发，建立了各具特色的试验装置， 他们为多级油泵自动测试系统的不断完善发挥了先导作用。如中国农业机械化 科学研究等开发的p m s 油泵综合测试系统，它是以工控机为下位机、p c 机为 上位机构成的分布式大型油泵参数测试系统，功能完备，但操作也较复杂。九 十年代初，天津正大电子研究所研制开发出采用标准仪器和i b m 2 8 6 计算机组 成的g c - 4 油泵自动测试系统，该系统采用标准仪器以积木的方式组成，这种 开放式的组成方式使得各仪器脱离计算机都可以独立工作，系统的组成与分 解，维修和计量都十分方便。另外，江苏理工大学t p 自动化( n ，a ) 研发中心 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 开发的泵类产品测试( 试验) 系统为功能比较完善的测试系统，结构紧凑，且安 装方便。以上都是各具特色的油泵性能参数测试设型引。 在我国，许多厂家是由国有企业改制后的中、小型企业，或者是乡镇企 业、民营企业。其生产规模一般不大，而且产品多样，甚至许多油泵厂家是按 照用户的需求生产，所以很难形成统一的系列。这种状况就要求油泵性能测试 系统应具有以下要求： 1 ) 投资少，适合小企业的推广使用； 2 ) 测试系统调整或升级容易，适用不同类型泵类产品测试要求； 3 ) 尽量满足不同工况测试需求，能为油泵改型提供参考； 4 ) 操作简单、易行。 对于这种需求现状，目前的测试系统中存在着一些不足，例如：参数测量 不完整；系统过于庞大且复杂，造价太高而不能为众多小型油泵生产厂家所采 用；功能单一不易推广等等。因此，在大多数小型泵厂，其型式试验和出厂试 验仍然靠手工操作为主。那么，如何按照国家标准的要求，利用高新技术，低 成本的手段实现油泵性能的自动测试与分析已成为国内众多油泵生产厂家及研 究单位的迫切需求。 1 4 本文的主要研究内容 本论文基于多级油泵的现场要求，研究基于恒压频比控制的感应电机模糊 控制系统。对多级油泵的多参量( 流量、压力、温度及转速等) 进行设计以实现 测量功能。对多级油泵传统变频控制系统进行分析，通过逆变功率器件选择 及驱动设计，以实现通过转速调节达到调节油泵压力的目的。为了进一步提高 闭环交流调速系统的控制效果，在变频器系统的控制算法方面，通过对基本模 糊控制器控制性能的分析，提出了一种旨在对模糊控制器的参数进行调节的二 级模糊控制器算法，它由两个双入单出的模糊控制器构成，其中较低一级的模 糊控制器进行控制，较高一级的模糊控制器进行参数的调整。 1 5 本章小结 本章阐述了研究的目的和意义，并分析了国外泵测控技术现状，提出本论 文的研究内容，即提出了集多参量检测与控制为一体的多级油泵测控系统。为 了进一步提高闭环交流调速系统的控制效果，在变频器系统的控制算法方面， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 通过对基本模糊控制器控制性能的分析，提出了一种旨在对模糊控制器的参数 进行调节的二级模糊控制器算法。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第2 章多级油泵的结构及参数检测原理 2 1 多级油泵结构及工作原理 正如绪论所述，流体在油泵中的运动过程十分复杂，以致不能完全用完整 的数学解析式来描述油泵在不同工作状态下的运动特征，所以，目前还必须实 时测量油泵的流量、扬程、转速等参数。该型多级油泵采用轴向节段式结构， 原理图如图2 1 所示，主要由联轴器1 、轴2 、两个轴承体3 、吸入段4 、吐出 段1 3 、中段8 、首级叶轮6 及其它各级叶轮、导叶轮7 、平衡盘1 2 、填料环1 5 及两端的填料密封1 6 等构成。 1 联轴器；2 轴；3 轴承体；4 吸入段；卜密封环；6 首级叶轮； 7 l 导叶；8 一中段；9 一叶轮；1 0 末级导叶；1 1 平衡水管； 1 砰衡盘；1 3 一吐出段：1 4 水封管；1 5 填料环；1 6 填料 图2 - 1 多级油泵结构原理图 h g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo fm u l t i s t a g eo i lp u m p 各级叶轮通过平键与轴2 联接，导叶轮7 与中段8 固定联接，联轴器1 通 过平键与轴2 联接。吸入段4 与各级中段8 和吐出段1 3 依次以端口轴向定位 配合，并通过四个拉紧螺栓装配成一个整体。流量传感器安装在吸入段4 处， 压力传感器安装在吐出段1 3 处，转速传感器安装在联轴器1 下方固定在底座 哈尔滨理t 大学工学硕七学位论文 上。通过控制电机的转速，并经过联轴器1 将动力传给轴2 ，进而带动各级叶 轮做单向旋转运动。油液经吸入段4 流入泵体的首级叶轮6 内，由于离心力的 作用，增压后的油液通过首级导叶轮流进次级叶轮的入口，以此方式通过多次 增压后的油液最后经吐出段1 3 排出泵体【5 】f 6 f 引。 2 2 油泵参数测量原理 2 2 1 油泵流量测量原理 流量就是指油泵在单位时间内通过泵出水口的体积量，通常用q 表示，单 位l s ( 或者z 3 s ) 。在油泵参数检测中，流量是一个重要的物理参量。目前流 量测试仪器仪表有很多，如节流流量计、量水堰、超生波流量计、涡轮流量计 等。考虑到涡轮传感器测量流量比较简单和普遍，自动化程度与测量精度容易 得到保证，利用单片机进行流量数据的采集也特别简单，所以在设计时，我们 首选了涡轮流量计作为测试油泵流量的传感器。在结构上，涡轮流量计主要由 涡轮、支承、永久磁钢、感应线圈、壳体、导流器组成，如图2 2 所示。 图2 - 2 涡轮流量计结构图 1 一涡轮；2 一支承；3 永久磁钢；4 感应线圈；5 一壳体；6 一导流器 f 远2 - 2b l o c kd i a g r a mo ft u r b o f l o w m e t e r 图2 3 给出涡轮流量计测量原理方框图。涡轮流量计是遵循动量守恒的一 种速度式流量仪表。当流体沿管道的轴线方向流动并冲击具有导磁性的涡轮叶 片时，涡轮便周期性地旋转，其旋转速度口一般随流量大小的变化而变化；由 于变送器内装有磁电转换装置( 由永久磁钢和感应线圈组成) ，当导磁性叶片旋 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 转时，叶片便周期性地改变磁电系统的磁阻值，使通过线圈的磁通量发生周期 性的变化，因此感应线圈便感应出连续的脉冲电信号；当液体流速相当大，且 在变送器许可的测量范围内时，变送器电磁阻力矩、机械摩擦阻力矩、粘滞阻 尼矩均可忽略不计，这时涡轮流量计输出的脉动信号c o 与流量q 可近似为线 性关系，即有o j 一鲍。假如通过单片机对脉动信号进行计数，由单位时间的脉 冲数和累计脉冲数不难折算出流过变送器的瞬时流量和累积流量【9 】。 i 。- - - - - - - - - - - - - - - 。- - - - - - - - - - - = l： y i j 1 - - ? 变送器 图2 - 3 涡轮流量计流量测量方框图 h g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo fm e a s u r e m e n tf l u xo ft u r b o - f l o w m e t e r 流量系数芋( 升个) 是涡轮流量计的重要特性参数，须由制造厂家提供。 由于变送器是通过磁电装置将角速度口转换成相应的脉冲数，因此亭的含义是 单位体积流量q 通过变送器时，变送器所输出的脉冲数用表示，所以亭也称 为流量系数。在仪表出厂时，生产制造商均取测量范围内流量系数的平均值作 为仪表常数。则流量总量q 与脉冲总数的计算关系式为 q 。娶( 2 - i ) 皇 2 2 2 油泵压力测量原理 测量油泵液体油压所需的压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感 器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容 式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛 的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特 性。因此测量油压选用的传感器为压阻式压力传感器。下面主要介绍这类传感 器的工作原理。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻 应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压 阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变 片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两 种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生 改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变 化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行 放大，再传输给处理电路( 通常是a d 转换和c p u ) 显示或执行机构1 1 0 j 。 金属电阻应变片的内部结构如图2 - 4 所示，是电阻应变片的结构示意图。 它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。金属 电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变 化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： r p 专( 2 - 2 ) 式中：夕为金属导体的电阻率，单位是o c m 2 m ：s 为导体的截面积，单位是 锄2 ；三为导体的长度，单位是m 。 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都 会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受 外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝 受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在 电阻的变化( 通常是测量电阻两端的电压) ，即可获得应变金属丝的应变情况。 图2 _ 4 金属电阻应变丝的结构 t i g 2 _ 4s t r u c t u r eo fm e t a lr e s i s t a n c es t r a i nw i r e 2 2 3 油泵温度测量原理 在工业应用中，热电偶一般适用于测量5 0 0 c 以上的较高温度。对于 哈尔滨理丁人学t 学硕f ：学位论文 5 0 0 以下的中、低温度，热电偶的输出的热电势很小，这对二次仪表的放大 器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低温区 域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度一般 使用热电阻温度测量仪表较为合适。 与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量 的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电 阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻 两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 r t = r t o 1 + q ( t - t o ) ( 2 3 ) 式中，r t 为温度t 时的阻值；r t 0 为温度t o ( 通常t 0 = 0 ) 时对应电阻值；a 为温 度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 g t = a e b t ( 2 4 ) 式中r 。为温度为t 时的阻值；e 为常量2 7 1 4 ；a 、b 取决于半导体材料的结构 的常数。 相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高( 通常在数 千欧以上) ，但互换性较差，非线性严重，测温范围只有一5 0 - - 3 0 0 左右，大量 用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于2 0 0 5 0 0 范围内 的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极 其广泛。 从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能 用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度 系数、电阻率要大( 在同样灵敏度下减小传感器的尺寸) 、在使用的温度范围内 具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数 关系( 最好呈线性关系) 。 目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧 化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻 在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超 过1 5 0 易被氧化。中国最常用的有r o = 1 0 q 、r o = 1 0 0 f 2 和r o = 1 0 0 0 f 2 等几种， 它们的分度号分别为p t l 0 、p t l 0 0 、p t l 0 0 0 , 铜电阻有r o = 5 0 q 和r o = 1 0 0 f 2 两 种，它们的分度号为c u 5 0 和c u l 0 0 。其中p t l 0 0 和c u 5 0 的应用最为广泛。 对于一些特殊的测温场合，还可以选用一些专业型热电阻，如，测量固体 表面温度可以选用端面热电阻，在易燃易爆场合可以选用防爆型热电阻，测量 震动设备上的温度可以选用带有防震结构的热电阻等【l 。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 2 2 4 油泵转速测量原理 电机转速是反映油泵机组在运行中的一个重要物理参数，目前其测试方法 有很多，例如：光电法、接触式转速测量法等。转速传感器的类型很多，常用 的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式以及测速发电机等。因光电传感器 具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高等优点，所以我们选择光电转速传 感器来进行转速的检测。以下是光电转速传感器的测速原理。 光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变 化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电 信号。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟 量输出装置，其工作原理如图2 - 5 所示。光电式传感器由独立且相对放置的光 发射器和收光器组成。当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感 器输出信号。它是效率最高、最可靠的检测装置。槽形光电开关是对射式的变 形，其优点是无须调整光轴1 1 2 1 3 1 。 具体测速方法见本文第三章。 2 3 本章小节 图2 - 5 光电式传感器原理图 t i t , 2 5c h a r to fp h o t o e l e c t r i cs e n s o r 测物体 本章阐述了多级油泵结构及工作原理，并阐述了多级油泵多参数( 压力、 流量、温度、转速等) 检测原理及相应理论推导，其中包括传感器的选择，常 用计算公式的推导和后续信号的处理方法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章多级油泵参数测量系统的设计与实现 3 1 测量系统的总体设计方案 本文根据多级油泵应用现场的要求确定了实现对其进行测量的总体方案， 原理框图如图3 1 所示。本系统采用单片机为核心控制器，即m i c r o c h i p 公司 生产的高性能的p i c l 8 f 6 5 2 0 为主控芯片，片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序 存储器，高达2 k 字的数据程序r a m ，1 2 个a d 通道，5 个c c p 模块、5 个 通用定时器。通过流量检测电路、压力检测电路、温度检测电路和转速检测电 路来完成多级油泵的流量、压力、温度和转速等参数的采集，经过处理后实时 显示。 i流量检测电路卜_ _ 参数 i压力检测电路卜+主控芯片 p i c l 8 f 6 5 2 0 、，。 显示 i温度检测电路卜一 模块 l转速检测电路卜- 图3 1 测量系统原理框图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo fm e a s u r e m e n ts y s t e m p i c l 8 f 6 5 2 0 的最小系统框图如图3 2 所示，它主要由p i c l 8 f 6 5 2 0 芯片、 电源、时钟、j t a g 仿真接口等组成。 图3 - 2 p i c 最小系统框图 f i g 3 - 2b l o c kd i a g r a mo fl e a s ts y s t e mb a s eo np i c 此外系统采用微芯公司推出的第二代在线调试器m p l a bi c d 2 ( 简称 i c d 2 ) ，i c d 2 支持全系列的p i cf l a s h 闪速存储器单片机的在线调试和烧写及 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 微芯公司1 6 位单片机d s p i c 的在线调试和烧写。 3 2 控制器接口电路 3 2 1 流量检测电路设计 本系统选择耐高压能力强的l w g y 型涡轮流量计作为流量传感器，流量 计安装在多级油泵入口法兰盘的侧面。l w g y 型涡轮流量计技术指标如下： 1 ) 环境温度：2 0 , - , 5 0 。c ； 2 ) 介质温度：2 0 - 1 2 0 ，低温产品可做到5 0 ； 3 ) 输出电压幅值：高电平为b y , 低电平为0 8 v ； 4 ) 供电：d c l 2 v ； 5 ) 电流：为1 0 m a , 电流4 , - - - 2 0 m a 输出，供电2 4 v d c ； 6 ) 传输距离：电流输出型传感器至显示仪表距离可达7 0 0 - - 1 0 0 0 m 。 由于流量信号比较微弱，所以首先进行滤波，以去除干扰，然后进行适当 的放大，经过电压比较器成为脉冲信号。其电路原理图如图3 3 所示。 j r 图3 - 3 流量检测电路图 f i g 3 - 3c o n d i t i o n i n gc i r c u i td i a g r a mo ff l u xm e a s u r e m e n t 由图3 - 3 可以看到，首先对涡轮流量计输出的微弱电压信号进行低通滤 波，去除部分干扰。然后将流量信号进行适当的放大，推导过程如下： 由 丽t r , = 惫 ( 3 - 1 ) r 7 + 足6墨6 、。 可得 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 同理有 rr 6 9 r ， u i 。丽u 5 ( 3 2 ) ；6 9 ( 3 3 ) 综合以上三式，放大倍数为 彳，垃：6 8( 3 4 ) u 由于单片机利用t m r l 计数来采集流量信号，所以放大后的电压要转化成 频率信号。这一转化由比较器完成。比较器是一种用来比较输入信号巩和参 考电压阮的电路。参考电压砺加于放大器的反相端，这里给出的是正值。而 输入信号觇则加于放大器的同相端。这时，放大器处于开环工作状态，具有 很高的开环电压增益。当输入信号电压巩小于参考电压沈时，运放将处于负 饱和状态，u o = z o l ；反之运放将处于正饱和状态，u o = r o r l ，其中l 和r o h 为负、正向幅度，均受供电电源的限制。 从上述说明可知：当输入电压沈每次大于协时，输出就要产生突然的 变化，从而输出电压波形为具有正负极性的方波。由流量检测电路原理图可 得： 一拓( 3 - 5 ) 最后将输出的方波信号送入单片机进行频率计数，得到流量信号。 由上述设计的流量检测电路所得的流量变送器实物图如图3 4 所示。 图3 4 流量变送器实物图 f i g 3 4p i c t u r eo ff l u xt r a n s d u c e r 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 在流量测量中，若电机的转速与规定转速不符，此时所得到的多级油泵流 量值q 也应换算为以规定转速为基准的流量值幼。若实测电机转速与规定转 速间的差异在2 0 范围内，则流量值q o 可用下式换算而得： 函= q 伽s p 刀) ( 3 6 ) 其中：n 为电机的实际转速，r m i r a 为测试中规定的电机转速，r m i n 。 3 2 2 压力检测电路设计 压力检测所用传感器采用麦克传感器有限公司生产的m p m 2 8 1 系列压阻 式o e m 产品。此传感器是一种带隔离、并经过精密补偿的高稳定性硅压阻式 压力测量元件。其中硅压阻式敏感元件采用具有专利技术的高稳定性扩散硅元 件，外壳采用外径0 1 9 m m 的3 1 6 l 全不锈钢结构进行封装。被测压力经过 3 1 6 l 隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现了压力到电信号 的精确转换。m p m 2 8 1 系列产品可以实现对传感器芯体宽温度范围的温度补偿 和零点偏差修正。产品可以广泛应用于各种高性能要求的压力测量场合。其主 要参数如下： 1 ) 宽温度补偿范围1 0 - - - + 8 0 1 2 ； 2 ) 宽压力测量范围0 3 5 m p a ； 3 ) 非线性典型值可达0 i f s ： 4 ) 标准西1 9 m m “0 型圈密封方式； 5 ) 2 倍满量程过载压力。 对传感器输出的微小电压信号进行处理的电路原理图如图3 5 所示。 图3 - 5 压力检测电路原理图 f i g 3 - 5b l o c kd i a g r a mo fp r e s sm e a s u r e m e n t 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 该放大电路的第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以它的输入电 阻很高。若a 和b 选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和漂移电压 也都相等，在通过c 组成的差分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑 制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路有较高的差模电压增益。在使用压 力传感器时，由恒流源l m 3 3 4 向其提供恒定的电流。放大器a 的第3 脚和放 大器b 的第5 脚是传感器的测量输出端。l m 3 3 4 为一种三端可调节电流源， 具有1 0 0 0 0 ：1 的工作电流范围、极佳的电流调节特性和一个1 v - 4 0 v 的宽范围 动态电压。它是真正的浮置电流源，不需要连接分立电源。l m 3 3 4 中用于设定 工作电流的检测电压为6 4 m a ( 2 5 ) 且直接与绝对温度成正比。于是，使用最 简单的连接即一个外部电阻就可产生一个温度影响系数约为+ o 3 3 的电 流。通过额外添加一个电阻和一个二极管可获得零漂移操作。 由原理图可知： 1 ) 由放大器虚短，得到 u a a = u 2 a ( 3 7 ) u 6 b = u m ( 3 8 ) u a c = u 2 c ( 3 - 9 ) 2 ) 输入电压为 u i = u 3 a u s b = u 2 a u 6 b ( 3 - 1 0 ) 3 ) 通过同一支路的电流相等，有 u l = u 1 a - - u t b ( 3 1 1 ) 吼隅+ 1 0 k u t b - u o = u 2 c - u o ( 3 1 2 ) 3 0 0 k 2 0 0 k c = ( 3 - 1 3 ) 由式( 3 1 1 ) 至( 3 1 3 ) 推得 u o - q - 2 u 7 b - 2 等掣u ( 3 - 1 4 ) 综合以上各式能够得到对电压信号的放大倍数 彳= v o = 2 ( 1 0 k + v r a ) ( 3 1 5 ) “i隅 通过调节电位器职1 可以将压力传感器输出的电压信号放大至合适的幅值，供 单片机采样时用。 哈尔滨理工大学工学顾：l ：学位论文 由上述设计的压力检测电路所得的压力变送器实物图如图3 - 6 所示。 鋈一 一鬻心 。 、： 图3 6 压力变送器实物图 f i g 3 - 6p i c t u r eo fp r e s st r a n s d u c e r g b 3 2 1 6 8 9 第8 条规定，在油泵性能参数测试中，若电机的转速与规定转 速不相符，此时所得到的油泵压力值p 应换算为以规定转速为基准的扬程瑚 值。假如实测电机转速与规定转速间的差异在- - - - 2 0 范围以内，则压力即可用 下式换算而得： 饼 ( 3 - 1 6 ) 式中： 为电机的实际转速，r m i n ；r s p 为测试标准中规定的电机转速， r m i n 。 3 2 3 温度检测电路设计 系统选用北京赛亿凌科技有限公司生产的s t r - r 系列p t l 0 0 铂电阻温度传 感器，此传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而 成，尺寸小巧，防水防震性能极佳，广泛应用于液体、气体、冷冻冷藏、医疗 卫生、航空航天、环境等温度的测量。在测量中，油温工作点在4 2 ，考虑油 温波动，温度测量范围可选在2 0 - - 6 0 c 。 p t l 0 0 铂电阻温度传感器是热电阻温度传感器的一种，适用于测量6 0 + 4 0 0 之间的温度。铂的物理和化学性能也都非常稳定，且具有高的熔化温度 和高的电阻率，温度范围很宽。即使在高温高压和潮湿的环境中也不影响它的 使用并且可以把体积做的很小。所以，在设计中选用p t l 0 0 作为温度传感器。 豢 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p t l 0 0 是利用物质( 一般为纯金属) 的电阻随温度变化而变化，并成一定线 性关系的特性，制成温度传感器来实现测温的。如果通过p t l 0 0 的电流一定， 那么温度的变化就会反映到电阻的变化上，电压也就会随之变化，通过测量其 两端的电压就能得到温度值。 在p i c l 8 f 6 5 2 0 内部集成了1 2 路1 0 位精度的a d 转换通道，无需外接附 加的a d 转换芯片。设定r a l 为模拟输入口，其输入电压范围为o v - - 5 v ， 温度检测电路如图3 - 7 所示。 砌 图3 - 7 温度检测电路原理图 f i g 3 7b l o c kd i a g r a mo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 恒流源l m 3 3 4 通过压力传感器后在串接到温度传感器p t l 0 0 上，p t l 0 0 两 端的电压值是温度的函数。a 和b 是两个跟随器，阢a 和矾b 的差值就是 p t l 0 0 的电压降。由电路图可知： 1 ) c 是一个减法器，由 坠二塾=坠(3-17)101 0 0 和 u 1 b - - u 6 c = u 6 c - u t c ( 3 1 8 ) 1 01 0 0 得到 c = l o u m - 1 0 u l b 2 ) d 是一个放大器，将阢b 放大了1 0 倍，有 1 8 - ( 3 1 9 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 u 7 d = i o u l b 3 ) e 是一个减法器，当2 0 0 k 的电位器处于最大阻值时，有 e = i o u 7 c 一1 0 d 再综合式( 3 1 9 ) 和式( 3 2 0 ) 可得 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) e = 1 0 0 u 1 a 一2 0 0 u 。b ( 3 2 2 ) 要测得温度值，必须规定温度的零点，即此时u t e 为零。当电位器v r 3 阻值调至和p t l 0 0 阻值一样时，有u 3 a = 2 b ，即u i a = 2 阢b ，此时为零。 所以电位器r 。的作用是用来调零点的。这是在未进行测量前调好的，是常温 时的温度。 然后查p t l 0 0 的分度表，找到4 2 时p t l 0 0 对应的电阻值。用电阻箱代替 p t l 0 0 ，将阻值调至4 2 时p t l 0 0 对应的电阻值。这相当于达到了测量时的温 度，u 7 e 也随着上升，此时可以调节电位器v r 2 ，使放大出