（机械电子工程专业论文）气浮净水旋喷加压最佳气量控制系统研制.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的高速发展和城市化进程的加快，水污染问题日趋严重，研制 高效节能的废水处理工艺是解决水污染问题的措施之一。本论文在国内外废水处 理技术发展的基础上，提出了基于高压旋喷泵的射流溶气工艺的气浮净水方案。 该气浮净水方案可精确地控制气体的流量使其达到最佳，在提高单位体积溶气水 进而提高系统溶气效率的同时，还要保证整个溶气系统运行的稳定性。因此，研 究开发可实现气体流量实时自动控制系统对保证高压旋喷射流净水系统高效运 行起着重要的作用。 本论文首先从溶气效率、经济成本等方面对几种典型的加压气浮净水工艺进 行了比较，在现有工艺的基础做出改进，提出了高压旋喷射流溶气工艺。然后， 从本工艺过程研制的实际需要出发，提出了以单片机为核心的根据旋喷加压系统 输出压力进行气体流量测量控制技术方案，开发了控制系统的软硬件。 硬件设计选用高性能的a t 8 9 s 5 1 单片机为核心处理器，涡街流量计和光电 转速计分别用于气体的体积流量和电动机转速的测量。为使得流量计和转速计测 量的输出信号与单片机的输入信号相匹配，在输入通道中设计了i 转换和 a d c 0 8 0 9 模数转换电路；为使单片机输出信号与执行机构电动调节阀的信号相 匹配，在输出通道中，设计了v i 转换电路和d a c 0 8 3 2 数模转换电路。在人机 交流中，为了便于观察，采用8 2 7 9 连接键盘数码管显示接口，用于显示流量值。 在控制算法方面，根据控制对象的特点，将模糊算法和p i d 算法相结合， 设计了一个“双输入三输出的二维模糊自适应控制器，用于控制调节阀的开度 达到调节流量的目的。 设计了系统软件，主要进行数据采集、数据处理、流量控制、数据输出、数 据显示等模块程序化设计，并采用c 语言、汇编语言对部分程序做了编程。 在m a t l a b 环境下，应用f u z z y 工具箱和s i m u l i n kt 具箱对系统进行了仿 真，通过对旋喷加压射流溶气工艺及其控制系统的仿真试验，分析可以看出，模 糊自适应p i d 控制比传统p i d 控制的稳定性、动态响应好。 本论文开发的旋喷加压溶气气体流量控制系统，以单片机为核心，并将模糊 自适应控制技术应用其中，与传统的溶气系统相比，使系统结构简单、稳定可靠、 青岛理工大学工学硕士学位论文 实时性好且调试方便，提高了整个溶气系统的运行效率和稳定性。 关键词：气浮净水系统；高压旋喷溶气；气体流量控制；模糊p i d 控制器； 单片机 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t i o no f u r b a n i z a t i o n ，w a t e rp o l l u t i o ni sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s d e v e l o p i n ge n e r g y e f f i c i e n tw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si so n eo ft h em e a s u r e st os o l v ew a t e rp o l l u t i o n p r o b l e m s b a s e do nt h ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，an e wj e t d i s s o l v e da i rs y s t e mi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s i nt h ep r o c e s s ，c o n t r o l i n gg a sf l o w d y n a m i c a l l yc a ng u a r a n t e et h eu n i tv o l u m eo fg a sd i s s o l v e di nw a t e r , a l s oc a ni m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fd i s s o l v e da i ra n dt h es t a b i l i t yo fs y s t e m s ot h ed e v e l o p m e n to ft h e g a sf l o wc o n t r o ls y s t e m i sv e r yi m p o r t a n t f i r s t ，t h i s t h e s i sa n a l y z e da n dc o m p a r e ds e v e r a l t y p i c a lp r e s s u r i z e dw a t e r p u r i f i c a t i o np r o c e s sf r o mt h ee f f i c i e n c ya n de c o n o m i cc o s t s ，e t c b a s e do i le x i s t i n g t e c h n o l o g y , h i g hp r e s s u r ej e ts t r e a md i s s o l v e da i rp r o c e s sw a sp r o p o s e d t h e n ，i no r d e r t om e e tt h ea c t u a ln e e d so ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h et e c h n i c a ls c h e m eo ft h eg a s f l o wm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw a sp r o p o s e da n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w a sd e s i g n e d t h i ss y s t e mu s e ds i n g l ec h i pc p ua st h ec o r ep a r tt oc o n t r o lg a sf l o w a c c o r d i n gt ot h eo u tp r e s s u r ef r o mt h ej e tp r e s s u r es y s t e m i nh a r d w a r ed e s i g n ，a t 8 9 s 51w a sc h o s e na sm i c r o c o n t r o l l e r v o r t e xf l o w m e t e r a n do p t i c a lt a c h o m e t e rw e r eu s e dt om e a s u r eg a sv o l u m ef l o wr a t ea n dm o t o rs p e e d s e p a r a t e l y i nt h ei n p u tc h a n n d ，i t r a n s f e rc i r c u i ta n da d c 0 8 0 9w e r ed e s i g n e dt o m a t c ht h eo u t p u ts i g n a l so ft h ef l o wm e t e ra n dt a c h o m e t e r da n dt h ei n p u ts i g n a lo f s i n g l ec h i p i nt h eo u t p u tc h a n n e l ，v it r a n s f e rc i r c u i ta n d d a c 0 8 3 2w e r ed e s i g n e dt o m a t c ht h eo u t p u ts i g n a lo fs i n g l ec h i pa n dt h ei n p u ts i g n a lo fe l e c t r i cc o n t r o lv a l v e t o f a c i l i t a t em a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ，8 2 7 9d i s p l a yi n t e r f a c ew a sd e s i g n e dt od i s p l a y s p e e da n df l o wr a t e i nt h ec o n t r o la l g o r i t h m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o lo b j e e t , a d o u b l ei n p u t sa n dt h r e eo u t p u t c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e dc o m b i n gf u z z ya l g o r i t h m a n dp i da l g o r i t h m t h et w o d i m e n s i o nf u z z ya d a p t i v ec o n t r o l l e rw a su s e dt oc o n t r o l v a l v eo p e n i n g s o f t w a r ew a sm o d u l a rd e s i g n e di n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t a i u 。却此d a t ad i s p l a yp r o g r a m t h e nt h ep r o c e d u r e sp r o g r a m m e d w i t hcl a n g u a g e 锄d a s s 锄b l yl 龃9 1 1 a g ew e r ec o m p i l e d a n dd e b u g g e di nk e i l 51s o f t w a r e 咖衄e n t 。 c 0 瑚p a r e dt ot r a d i t i o n a l d i s s o l v e da i rs y s t e m , t h ef u z z y - p i dg a sf l o wc o n 仃o l s v s t 锄u s e di nd i s s o l v e da i rj e tp r e s s u r ei sm o r es i m p l ei ns t r u c t u r ea n de a 5 1 盯t 0 d e b u g ，a l s of u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d s t a b i l i t y k e y w o r d sf l o t a t i o nw a t e rp u r i f i c a t i o ns y s t e m ，h i g hp r e s s u r ej e td i s s o l v e dg a s g a st i c i wc o n t r o l ，f u z z y - p i dc o n t r o l l e r , s i n g l ec h i p i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 气浮净水目前已在工业废水及生活废水中得到应用，近年来在缩短净水时间 和微化气泡直径等方面的研究成果及应用较多，但在提高净水系统效率、降低运 行成本方面始终未获得突破性进展和实用性成果，严重制约了气浮净水的推广。 因此，探索新型高效低能耗气浮净水理论和工艺，对大幅降低净水成本、扩大系 统应用范围具有重要的现实意义。 1 1 1 社会经济意义一高效节能 1 传统气浮净水高能耗 气浮净水凭其很多独特优点在工业废水及生活废水处理中得到了广泛应用。 运行连续高能耗是传统气浮净水的主要弊端，近年国内外在降低其运行成本方面 虽多有研究，但始终未获得突破性的进展，严重制约了系统的节能减排。通常溶 气能耗占净水总成本8 5 以上【1 1 ，因此提高溶气效率是降低净水成本的关键。虽 然近年溶气技术不断改进，但基本可归结为如下两类： ( 1 ) 压力溶气减压释气 典型的加压溶气( d f a ) 系统，加压使气体溶解于水，然后释压产生微气泡。 由h e n r y 定律：溶解度系数为日的气体在水中的溶解度c 与溶解压力p 成正比， 即： c = 日p( 1 1 ) d f a 系统溶气压力一般为o 3 0 6 m p a ，系统的气泡质量稳定，但存有缺点如 下： 1 ) 溶气所需净化水回流量大，能耗高。常需约2 0 的净化水用于回流溶气， 增加了回流水用量； 2 ) 气体溶解饱和度远低于理想状态。气体溶水过程需一定时间，气体饱和 度随时间变化如图1 1 所示【3 1 。 若溶气罐出水、进水口处气体溶解度分别为、c 加，则溶气水饱和度p 为 青岛理工大学工学硕士学位论文 9 = ( c o 一巳) ( c + 一c 加) ( 1 2 ) 其中c 为饱和溶解度。虽然加大气液交换界面的更新速度可加快气体溶解， 但由于溶气罐结构尺寸等因素限制，溶汽水饱和度远达不到最大值，理论溶气率 进一步降低【4 】； 勺 一 勺 进水气液交换出水 t 图1 - 1d f a 系统溶气饱和度随时间变化不惹图 3 ) 稳态时溶气罐中气体溶解度系数日低于新鲜空气的日。空气主要由2 、 0 ：和a ，组成，在溶气罐中溶解度系数较高的n 2 先溶解于水，改变了罐中气体组 分进而改变了其中气体平均溶解度系数日，致使日比新鲜空气h 。低7 0 0 , - , 9 ， 进一步同比例降低了溶气率。h 2 ( 氏，。) 、日d 2 ( 矗，。) 、日加( 以，o ) 为新鲜空气中 2 、d 2 和彳，的溶解度系数( 质量分数) ，常规气浮净水溶气罐中混合气体的溶解 度系数为【4 】： h = 1 ( f n , ，。日2 + 尼，。日0 2 + 丘，。日4 ) 3 趔 磊 冰 熏 趔 翅 剐 泵水流量( m 。h ) 图2 7 泵前射流挟气与水泵空压机溶气效率试验比较 在图2 7 中，射流器的作用使空气进入水泵溶解于水中，与前面讨论的射流 器的功能是不同的，而且这里的气体溶气压力比射流器直接溶气时的压力高的 多。从图中可以看出，在泵水流量较小时，泵前射流挟气比水泵空压机的溶气 效率低，但是随着泵水流量的增加，前者的溶气效率逐渐升高，且两者的实际溶 气量相差不大。 无论是在溶气效率、气泡直径还是净水的适用范围等方面，这两种溶气方式 都是很客观的，但是由于有空压机供气时存在系统的操作复杂且成本高、能耗大 等缺点，因此不考虑用空压机。在普通泵前射流挟气的基础上加以改进，将高压 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 旋喷泵的小流量高扬程特点和高压射流器的引气、溶气的作用相结合，进而提出 高压旋喷泵前高压射流器供气方式。 表2 - 1 几种加压溶气工艺效果比较【2 刀 溶气方式溶气效率气泡直径 净水效果适用范围 泵前射流挟气中等较小较好较小污粒 泵后射流挟气中等较小较好较小污粒 水泵空压机溶气较高较小较好较小污粒 2 2 3 影响溶气效率主要因素分析 空气的消耗量是衡量溶气效率的一项重要指标，在一定条件下提高溶气系统 的空气溶解量是提高气浮净水效率的重要措施之一。根据亨利定律知，某一温度 及一定的压力范围内，气体在水中的溶解量与溶解压力成正比。亨利定律公式： v = k r p ( 2 - 1 ) 式中y 气体在水中的溶解量，l m 3 ； 七，溶解度系数； 尸绝对压力，p a 。 在气浮进水过程中，用于上浮的微细泡是通过降压使过饱和的空气以微细气 泡的形式从加压容器中释放出来的。由亨利定律公式看出增加气体压力或改变溶 解度系数都可以达到提高气体在水中的溶解量，进而产生更多的饱和空气。下面 从影响溶解度的因素出发一一分析溶气压力、温度对溶气效率的影响。 1 溶气压力对溶气效率的影响 文献2 卅给出了两种溶气方式下不同溶气压力对应的溶气效率的实验分析曲 线图，实验结果如图2 8 所示。 由图2 8 分析可知，空罐溶气和射流溶气两种溶气方式的溶气效率在0 1 0 - - - 0 2 0 m p a 内都随着溶气压力的增大而增强，在0 2 0 - - 0 3 0 m p a 范围内溶气效率保 持在较高的范围内趋于平稳。因此，在一定的压力范围下，提高溶气压力有利于 增加单位体积水中的溶气量进而提高系统的溶气效率。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 摹 供 露气压为m p a 图2 8 溶气压力与溶气效率的关系 2 温度对溶气效率的影响 一般情况下，温度升高时，气体溶解亨利常数降低，气体的饱和溶解度随之 降低；另一方面，随着温度的升高，气体的溶解速率升高，溶气水的溶气量将随 之提高，因此温度对溶气量的影响是比较复杂的【1 1 。文献分析了q = 0 4 0 m 3 h ， 压力降a 尸= o 0 5 m p a 的测试条件下不同温度对溶气效率的影响。实验分析结果 如图2 - 9 所示。 9 0 冰 酽 缝7 0 图2 - 9 温度与溶气效率的关系 从图2 - 9 可以看出，在一定压力下温度升高时，溶气效率也相应升高，原因 是当温度升高时，气液分子间碰撞机会增多，从而加快了相互间的传质速率；同 时由图也可以看出，在同一温度下，压力升高时，溶气效率也随之升高。 上面的内容主要通过实验结果分析了与溶解度有关的两个因素压力和 温度对溶气效率的影响，得出结论：增大系统的溶气压力有利增加单位体积水中 青岛理工大学工学硕士学位论文 的空气溶解量，升高温度有利于增加气液分子间的传递速率加速溶解，因此通过 适当的方法增大溶气压力、控制温度范围有利于提高系统的溶气效率。 2 3 旋喷加压溶气系统的研究 旋喷加压溶气系统是在旋喷泵的进水管处安装一高压射流器，利用射流器负 压挟气特性将吸入的空气与压力水一并进入旋喷泵的吸水管，然后经加压后进入 高压溶气罐实现高压溶气。 2 3 1 旋喷加压溶气总体方案 3 e 图2 l o 旋喷加压溶气系统流程示意图 1 一回流水管：2 一旋喷高压装置： 3 一高压射流器： 4 一智能气液比例控制器：5 溶气罐：6 一放气阀：7 - - 压力表： 8 一出水减压阀：9 - - 旋喷高压溶气水：l o 气浮池 该系统的工作流程是空气由高压射流器吸入与回流水一并进入高压旋喷泵 进行加压溶解，然后由泵的出水管流出进入高压溶气罐中进行高压溶气形成溶气 水，溶气水经出水减压阀的释压作用形成微小气泡，微小气泡在气浮池内粘附杂 质和絮粒将污水中的污粒浮起形成浮渣，从而完成固液分离。 2 3 2 旋喷加压装置的工作特性 1 旋喷加压装置 旋喷加压装置主要是指旋转喷射泵【3 0 】削( 简称为旋喷泵) ，是一种极低比转 速( 小流量、高扬程) 的单级高压泵( 压力可高达i o m p a 以上) ，该种泵的结构 原理是由f w k r o g h 于1 9 2 3 年提出的，将皮托管的原理推广到泵的设计中应 用，基于皮托管原理的旋喷泵的模型直到2 0 世纪6 0 年代才最终形成。该装置的 结构简单，主要由主轴、转子、集流管、叶轮、吸入室等部件组成，其结构如图 2 一儿所示。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 旋喷泵的工作原理是在负压的作用下液体被吸入流经集流管的四周和转子 盖构成的流道中，然后进入叶轮，由于叶轮的高速旋转，在离心力的作用下，液 体在叶轮中获得较高的能量，并由流道的出口轴向排出进入转子腔，在集流管的 入口处液体速度达到最大值，高速液体流到静止的集流管中后，速度能转换为压 能，成为平稳、无脉动、压头很高的液体，从而在旋喷泵内完成了机械能转换为 液体能量的过程，然后通过出口管排出泵体。 】23456 泵出 吸入 图2 1 1 旋喷泵结构示意图 卜主轴2 一转子3 一集流管4 一叶轮5 一机械密封6 - 吸入室 2 旋喷泵在本系统中的主要功能 旋喷泵产生的压力可高达i o m p a 以上，是常规加压提供的溶气压力( 0 3 0 6 m p a ) 的1 0 - - 3 0 倍，因此将旋喷泵应用于气浮系统中，利用旋喷泵的高压特 性可以提高溶气压力从而达到提高气体在水中的溶解量的目的。旋喷泵在该系统 中的作用主要有： ( 1 ) 提供较高的溶气压力增大单位体积水中气体的溶解度； ( 2 ) 泵叶轮高速旋转切割分散气体且泵内压力高，为实现泵内直接加压溶 气创造条件。 2 3 3 高压射流器的工作特性 1 高压射流器 射流器是一种利用压力较高的工作流体抽吸引射物料，使两者相互混合进行 能量和物质的交换，形成一股压力居中的混合物的机械装置【3 6 】 3 7 1 。其结构主要 有导管、吸气管、喷嘴、喉管、引流管组成，如图2 - 1 2 所示。 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 1 2 射流器结构示意图 1 导管2 吸气管3 喷嘴4 喉管5 引流管 射流器的工作原理是当液体高速通过喷嘴时，在喷嘴处形成负压，因此空气 便由吸气管吸进，液体和空气在喉管处混合，然后通过引流管流出。在本装置中 具体的吸气过程表现为高压水在喷嘴处高速喷出时形成负压，空气通过吸气管吸 入，在喉管处空气受到高速液体的切割形成微气泡，同时高压作用下空气雾化混 溶于水中。 2 射流器的作用 射流器在本系统中的作用表现在两个方面： ( 1 ) 利用喷嘴处形成负压吸入空气，起到吸气装置的作用； ( 2 ) 在射流器的喉管部分切割分散气体，加速形成微小气泡提高溶气效率。 2 4 本章小结 本章主要对不同净水工艺的溶气效率进行了对比，将高压旋喷泵和高压射流 器综合应用于旋喷加压溶气系统中，通过对该净水系统的组成和装置特点进行分 析，可以看出新的高效溶气系统不仅能进行高压溶气，还能完成高压力梯度射流 碎气，具有结构简单、系统集成度高等优点。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第3 章旋喷加压溶气特性及仿真研究 3 1 旋喷泵的原理及特点分析 旋转喷射泵又称皮托泵( 以下简称旋喷泵) ，是一种结构和工作原理都很独 特的新型小流量、极低比转速高压泵，其比转速一般小于3 0 ，甚至达到1 0 以下。 1 旋喷泵的发展 法国的e w k r o g h 在1 9 2 3 年提出了皮托管的结构原理，2 0 世纪2 0 年代人 们把皮托泵的原理特性应用到泵的设计中研制出了闭式皮托泵。二战爆发后，德 国和英国为了开发研究火箭开始研制旋喷泵。直到1 9 6 2 年美国k o b e 公司生产 了第一台商业用旋喷泵，实现了旋喷泵的工业化生产。旋喷泵在国外的使用和生 产已经比较成熟【3 3 】。 旋喷泵在国内的发展基本上经历了引进、吸收、开发生产这三个过程。1 9 8 7 年我国最早引进美国r o 2 6 6 型旋喷泵应用于炭黑行业新工艺生产线中原料油的 输送，投入使用半年后其运行状况保持平稳。随着旋喷泵的在石油化工行业的推 广使用，国内出现了一批对其结构、原理、工作特性进行深入研究的学者。1 9 8 8 年，文献 3 2 】专题介绍了旋喷泵及其结构和工作原理，分类列出了产品性能范围、 使用材料，并对旋喷泵在小流量高扬程范围内的发展前景进行了说明。1 9 8 9 年， 北京化工机械厂对旋喷泵进行调研试制，1 9 9 2 年其产品通过了化工部的鉴赳3 3 1 。 文献【蚓专门对美国贝克休斯公司生产的旋喷泵进行了介绍，并详细列出了该公 司生产的三种旋喷泵的主要参数及部件材料。文献【3 7 1 1 3 8 1 对旋喷泵的工作原理、 结构特点、水力设计及使用条件进行了设计，并取得了一定的成果。目前，旋喷 泵已在石油化工、液压系统、锅炉给水、食品、造纸、矿山、水处理等行业得到 广泛应用。 2 旋喷泵的工作原理 旋喷泵的电动机通过皮带轮或齿轮箱带动泵的主轴高速旋转，泵内的转子腔 和叶轮紧密连接随主轴进行同步旋转，集流管是静止不动的。集流管在转子腔内 部，与转子腔为一体代替常规泵中的蜗壳作用，转子腔本身不对液体做功，因此 没有能量的输入。由结构图2 1 1 可以看出，其工作的具体过程是液体在负压的 作用下由吸水管经吸入室进入叶轮，由于叶轮高速旋转，在叶轮内收到离心力的 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 作用，流体的速度逐步增大，并通过叶轮流道的出口轴向排出进入到转子腔内， 液体在集流管的入口处速度达到最大值，具有高速动能的液体流到静止的集流管 中，其速度能转化为压力能，成为平稳、无脉动、压头很高的液体，最后通过排 水口流出泵体。 3 旋喷泵的特点分析 与普通离心泵、高速泵、多级泵相比，旋喷泵主要具有以下特点【3 2 】【3 3 】： ( 1 ) 结构简单。旋喷泵的零件数目少，无须蜗室，体积小，维修量小，费 用低，使用寿命长。 ( 2 ) 密封可靠性强。旋喷泵仅在低压进口处装有机械密封，而高压输出部 件集流管是静止的，只需用静密封，因此其主轴端不存在密封问题。 ( 3 ) 性能平稳。由于旋喷泵没有圆盘摩擦损失，叶轮的出口角大，且液体 流出叶轮进入转子腔，在转子腔中具有稳定过程。其功率一扬程曲线( 如图3 1 所示) 无突变较平坦，性能较稳定。 功翠p ( k w ) 图3 - 1 性能曲线对比 ( 4 ) 小流量、高压力。一般流量在每小时十几立方米，扬程为数百米，比 普通离心泵的扬程要高；旋喷泵集流管产生的压力可达1 0 o m p a 3 刁以上，远大于 普通泵，将旋喷泵应用于气浮净水过程中正是利用其产生压力高的特点。 ( 5 ) 效率高。泵的内部损失主要有机械损失、水力损失及容积损失三部分。 其中机械损失包括轴承、密封环损失和圆盘摩擦损失。在低比转速泵中圆盘摩擦 损失占到总损失的2 5 左右，因此，圆盘摩擦损失是导致低比转速离心泵效率不 高的一大原因【3 8 1 。由于旋喷泵的转子腔和叶轮随主轴同步转动，就不存在圆盘 摩擦损失，与离心泵相比，旋喷泵内部没有蜗壳，流体的高速动能无法经过蜗壳 缓冲转化，因此会造成水力损失较大。但是在小流量、高扬程、低比转速的工况 下，与多级泵对比，旋喷泵的效率还是比较高的。由图3 2 看出来，相同效率时 高速泵的比转速比旋喷泵大很多。综合比较可知，与高速泵、多级泵相比，在小 流量、高扬程工况下旋喷泵具有较高的效率。 、 摹 褂 较 图3 - 2 泵的效率对比 ( 6 ) 全特性运行。由于旋喷泵的径向和轴向载荷与泵的流量是相互独立的， 这样就使得泵在运行曲线的任一点不会对轴或轴承造成损害，从而实现泵在任一 工况下地无级运行。 ( 7 ) 耐久力强。由于旋喷泵的机械密封不安装在主动轴上，这样密封不足 造成的泄漏和温升都不会对轴承造成损害，旋喷泵可以经受住恶劣工况产生的冲 击，因此在泵的设计中不需要考虑轴的公差等因素。 ( 8 ) 适应性强。由于泵的流量和扬程分别与集流管的开口直径大小和泵的 转速有直接关系，可以通过改变泵的部分参数如集流管或泵的转速来得到一个新 的流量和扬程性能曲线。 以上是旋喷泵的结构性能特点，旋喷泵还具有轴向力较小、便于系列化应用 等特点。 2 l 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 旋喷泵结构参数对其特性影响分析 由旋喷泵的结构示意图及工作过程可以知道，旋喷泵的主要过流部件是叶轮 和集流管。小流量工况下，低比转速的泵流道内极容易发生脱流和二次回流现象， 导致泵出现水利损失大、工作稳定性下降、扬程和效率降低等问题。旋喷泵的叶 轮属极低比转速叶轮，为了避免以上现象的出现，该类型泵叶轮多采用复合叶轮， 如图3 1 所示。 旋喷泵的集流管一般由扩散段和直管段两段组成 3 7 1 ，结构如图3 2 示。集流 管在旋喷泵中的作用相当于一个压水室，收集来自转子腔中的高速旋转液体，由 横截面渐变的扩散管将液体的动能转化为压力能，被输送的液体以能量损失最小 的速度通过直管段进入管路中。 1 叶轮结构参数特性分析 下面对长短叶片相结合的复合型叶轮的外径、入口直径、出口安放角、进口 安放角、叶片数、叶片宽度及流道中短叶片的位置等结构参数依次做分析。 ( 1 ) 叶轮的外径 叶轮的外径d 2 由经验公式确定： 砬= p 竺n 斛2 ， l ，一， 式中阡一泵的设计扬程，1 1 1 7 r 扬程系数，初步设计是一般取0 5 6 - 0 7 ； ，r - 转速，r m i n 。 由式( 3 - 1 ) 可见，叶轮外径的设计对泵的设计扬程有一定的影响，在转速 为定值的情况下，泵的设计扬程会随着外径增大而升高。 ( 2 ) 短叶片的入口直径 长短叶片相结合的叶轮中，短叶片入口直径d ；根据相对速度比准则确定， 文献 3 9 】给出了确定d ；的准则： 0 9 堕堕1 7( 3 2 ) 所矾 q 加) = ( 0 4 o 6 ) ( d f ( 。- 1 ) + d 2 ) ( 3 3 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 式中叶片进口处液流的相对速度，m s ； 叶片出口处液流的相对速度，m s ； 短叶片起始处液流的相对速度，m s ； 刀短叶片的级数，取整数1 ，2 ，3 。 由式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 可以看出，叶轮外径的设计直接影响到短叶片的入口直 径的设计，叶片的进出口处液流的速度与叶轮外径成比例关系，因此叶轮外径依 根据设计扬程确定为定值后，相应的短叶片的入口直径数值也就确定了。 ( 3 ) 叶片数 由经验知，在复合叶轮流道中，随着短叶片数量的增多，相应地要求泵的扬 程系数变大，安全储备要求高；但是叶片数的多少对泵的气蚀性能有一定的影 响，数量越多，气蚀度就越明显。考虑以上因素，旋喷泵的复合叶轮进出口叶片 数通常取为： 进口叶片数： 4z18(3-4) 出口叶片数： z ，= k z l ( k = 1 , 2 ，3 。) ( 3 5 ) ( 4 ) 叶片的进口安放角 叶片的进口安放角对气蚀性能也存在一定的影响，考虑气蚀因素，按照设计 经验，其取值一般为： 1 5 。夕l 2 5 。 ( 3 - 6 ) ( 5 ) 叶片的出口安放角 旋喷泵本身具有的特点是无圆盘摩擦损失，同时采用复合叶轮又阻止了脱流 和二次流现象。由泵的设计手册知，叶片的出口安放角越小，对应的流量一扬程 曲线就越陡。从提高扬程系数出发，叶片的出口安放角通常尽量取大一些，根据 经验一般取： 8 0 。3 ，9 0 。 ( 3 7 ) ( 6 ) 叶片的宽度 由于旋喷泵小流量的特点，按照设计经验，旋喷泵的叶片宽度通常都较窄， 青岛理工大学工学硕士学位论文 文献给出了叶轮出口宽度预估式： o 6 3 5 ( 孟) 5 6 争m b _ 舶o y x c 瓦挖5 i 0 鹊强 乾6 in 罚y z 挖7 p 嚣田 口巾 l j 一 c s 2c s l l 0 1 弧 旺 图6 - 5 数据存储器扩展电路 6 1 3 输入信号处理电路开发 本系统采集的信号包括转速、流量等数字和模拟量，首先通过传感器对电动 机的转速及气体的流量等原始信号进行采集，传感器的作用是将被测的非电物理 量( 如压力、力矩、位移、温度、流量、转速等) 转换为与之对应的易于精确处 理的电量或电参量( 如电压、电流) 。信号处理的作用是将传感器产生的电信号 进行缓冲、放大、衰减、隔离、滤波及线性化等处理，以转化为a d c 所需要的数 字化信号。由于传感器输出的信号不能直接满足单片机输入信号的要求，因此， 需要通过信号调理电路对测得的信号进行调理。本系统需要对转速信号和流量信 号分别信号电路调理，已达到后续电路所需要的信号要求。 1 转速信号处理电路设计 本系统采用的光电转速传感器输出的脉冲信号微弱，直接使用无法满足单片 7 0 机的t t l 电平，利用一个二级电路对脉冲信号进行放大整形，该二级电路主要由 开关三极管零偏置放大器和施密特触发器的反相器7 4 h c l 4 两部分构成。 第一级零偏置放大器采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应 能力，当输入信号为零或负电压时，三极管截止，电路输出高电平；当输入信号 为正电压时，三极管导通，输出电压随着输入电压的上升而下降，这样一方面能 测量任意方波信号的频率，另一方面也可以测量任意正弦波信号的频率。在此系 统中，由于放大器自身具有放大功能，因此降低了对被测信号的幅度要求，这样 就可以实现对幅值大于o 5 v 的正弦波和脉冲信号的测量。 v c c 喇d 图6 - 6 转速信号调理电路 由于施密特触发器在状态转换过程中具有正反馈作用，边沿变化缓慢的周期 性信号需要变换为边沿很陡的同等频率的矩形脉冲信号，在此过程中即可采用施 密特触发器。电路设计中采用反相器7 4 t i c l 4 把放大器生成的单相脉冲信号转换 成与c m o s 电平相兼容的方波信号。转速信号处理电路如图6 6 所示。 2 流量信号处理电路设计 根据涡街流量传感器的工作特点，该测量模块设计的信号处理电路包括i v 转换电路和模数转换电路两部分。 图6 7 流量信号转换电路 7 i 青岛理工大学工学硕士学位论文 i v 转换电路是将流量传感器输出的电脉冲信号( o 一1 0 m a ) 与模拟转换器的 输入电压( 0 - 5 v ) 进行转换，首先利用变换电路在电容两端产生电压，然后采用 l m 3 9 3 放大器进行同相放大，本系统采用的信号处理电路如图6 7 所示。 转换计算公式为： 州+ 铷= ( 1 + 扣 t ) k = ( 1 + 云= ( 1 + 云脚 饰。) 电流i 、电阻r 的数值确定了，放大器的放大倍数，即： a = i + - - y(62r) 冠 图6 8a d c 0 8 0 9 与单片机连接图 i v 转换电路输出的信号是电压信号，再采用逐次逼近式八位a d c 0 8 0 9 进行 模数转换，将电压信号转换为数字信号送入a t 8 9 s 5 1 单片机中。a d c 0 8 0 9 模数转 换器与单片机的接口电路如图6 - 8 所示。从图中看出，a d c 0 8 0 9 的e o c 用作外部 中断请求，用中断方式读取a d 转换结果。a d c 0 8 0 9 的时钟信号c l k 由单片机的 地址锁存允许信号a l e 提供，单片机的晶振频率为1 2 删z ，即有单片机的地址信 号a l e 的频率为删z ，通过4 分频器后频率为5 0 0 k h z ，满足c l k 信号频率的要求。 当】，1 和w r 引脚同时为零时，a d c 0 8 0 98 位a d 转换信号启动；当】，1 和r d 引 脚同时为零时，o e 高电平有效，三态输出缓冲器锁存器打开，a d 转换结果通过 青岛理工大学工学硕士学位论文 三态输出锁存器输出，单片机接收数据。 6 1 4 输出信号处理电路开发 经模糊自适应控制器运算处理后的输出量是数字量，选用d a c 0 8 3 2 数模转换 器进行数模转换为电压信号，为了满足执行机构输入信号的要求，再通过v i 变换电路将0 一- 5 v 的电压信号转换为调节阀直接接收的4 - 2 0 m a 电流信号。 1 d a 转换电路接口设计 d a c 0 8 3 2 是八位的d a 转换器，片内有输入寄存器和d a c 寄存器两个数据缓 冲器。d a c 0 8 3 2 的工作方式采用直接工作方式，将片选信号c s 与7 4 l s l 3 8 的输 出端y 2 引脚连接，写选通线w r ，与单片机的写信号豚连接、写选通线w r ，和 传送信号x f e r 引脚直接接地，基准电压v r n f 、i l e 引脚接高电平，芯片处于直 通状态，八位数字量输入到d 。d ，进行d a 转换，转换的结果从l o u t l 、i o t r r 2 以 模拟电流形式输出，由于输出两个方向电流不利于后续电路的控制，通过外接运 算放大器进行i v 转换为v o 端输出单级模拟电压，设置参考电压v r e f 为+ 5 v ，则 v o 输出电压范围为0 ，- - - + 5 v 。d a c 0 8 3 2 与单片机的接口电路如图6 - 9 所示。 p 0 0 i ) 0 y c c f 。_ 一 卜、 i l e - j d 7 v 他r- - 吣 p 0 t - 5 v a | t 8 9 s 5 1 d a c 0 8 3 2 慨 崛1 r 噩 p 2 5 翘 c s i 叩n# p 2 6 p 2 7 1 日叮r z 厩 a g 如 j i 赢 图6 - 9d a c 0 8 3 2 与单片机连接图 2 v i 变换电路设计 模数转换器输出的信号是0 一- - 5 v 电压信号，而执行机构能直接接收的信号是 4 - 2 0 m a 的电流信号，在此设计v i 变换电路将0 一- 5 v 的电压信号转换为4 - 2 0 m a 7 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 的电流信号。设计的v i 电路中l m 3 5 8 运算放大器做电压跟随器、开关三极管用 起着开关、电流放大作用，转换电路如图6 - 1 0 所示。 由电路可以看出，前端电压包括v i ( v o ) 和v b ，其中v b 的作用是在v l = 0 时 保证输出电流最小值为4 m a ，输入电压v 1 在a l 电压跟随器和r l 下产生电流i l ： 同理，v b 经a 2 电压跟随器和电阻r 2 组合后产生1 2 电流，i l 、1 2 分别作为t l 、t 2 的发射极电流，根据三极管的基本特性分析知电流i l 与1 2 的和近似为电流1 3 ， 即： 厶= i i + 2 ( 6 - 3 ) 又有： 图6 - 1 0i 转换电路 i l = r , r l 1 2 = y bf r 2 将式( 6 - 4 ) 、( 6 5 ) 代入式( 6 3 ) 得 ，：互+ 生 3 r lr 2 7 4 ( 6 4 ) ( 6 5 ) ( 6 6 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 进一步分析电路可以看出r 3 、i h 由同一电源引出分别接在a 2 的正负两端， 因此有厶r ；= i o r 。，综合以上公式可以推出： i o = 葛r , t 百v i + 惫) c 6 m 从而得出输出电流i 。与输入电压l 间的关系，为了计算方便，令 k = r 3 r 4 = 2 0 ，取r 3 = 6 0 0 f l 、r 4 = 3 0 f l ，= 1 0 v ，r l = 6 2 5 0 f l 、r 2 = 5 0 0 0 0 f l 时，就可以实现0 - - 5 v 电压到4 , - - , 2 0 m a 的电流的转换。 6 1 5 系统人机接口开发 在单片机应用系统中，人机对话是控制系统和操作人员进行交流的重要窗 口。人机对话能够实现人对应用系统的状态干预、数据的输入以及运行状态与结 果显示输出等功能。实现人机对话的常用设备是键盘和显示器，本系统的人机接 口设计主要是利用8 2 7 9 可编程键盘显示专用接1 2 芯片来扩展键盘和l e d 显示器， 用于选择和显示不同类型泵体在一定工作状态下的流量实际值和预设值。其电路 扩展如图6 - 1 1 所示。 1 系统显示器接口设计 显示器作为单片机应用系统的常用输出设备，用来显示键输入值、中间信息 及运算结果等。常用的显示器有l e d 数码管显示器和l c d 液晶显示器，这两种显 示器都具有耗电少、配置灵活、线路简单、安装方便等优点，相比而言，l e d 显 示器价格更低廉、结构更简单。因此，在本系统中选l e d 数码管用做显示器。 l e d 数码管显示器由8 个l e d 显示字段构成，通常有共阴极和共阳极两种接 法，其显示方式有静态显示与动态显示两种方式【6 9 1 。静态显示方式是指共阴极 或共阳极点连接在一起接地或是同为高电平状态，每位的段选线通过驱动电路与 限流电阻和一个8 位并行口相连，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位 就能保持相应的显示字符。而动态显示方式常用的是动态扫描式，分时轮流选通 数码管的公共端，使得各个数码管轮流导通，即各数码管是由脉冲电流通电的， 软件控制循环使每位显示器分时点亮。虽然各个数码管是分时轮流通电，但由于 发光的数码管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留作用，因此适当选取循环扫描频 率是，就使得所有数码管看上去是同时点亮的，人眼察觉不出闪烁现象。与静态 7 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 显示相比，这种方式的各个数码管的字段线是并联使用的，大大简化了硬件线路， 节省了成本，同时也提高了数码管的发光效率。综合比较，本系统采用动态扫描 方式驱动8 位l e d 实现转速、预设流量、瞬时流量及总流量等数值的显示。 2 系统键盘接口设计 单片机应用系统中往往需要进行人工干预，键盘是作为人机联系的一种必要 手段。通常，计算机所用的键盘有全编码和非编码两类，由于非编码键盘只需通 过简单的行列矩阵由软件就可以实现其功能，具有经济实用特点，因此，在单片 机应用系统中广泛地应用非编码键盘。非编码键盘接口的连接方式有独立式和行 列式两种，其中，独立式的每一个按键单独占有一根i o 口线，对于按键数较多 时，采用独立式按键会造成i 0 线的过多使用造成浪费，而采用行列式键盘接口 就可以减少i o 线的数量，避免占用过多硬件资源。本系统采用动态扫描行列式 键盘，设置6 个按键，1 - 3 按键分别用来选择转速值、