流体喷射装置供水系统

1、目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21.1课题的提出及意义21.2 研究现状21.3 主要研究内容22 移动式流体喷射试验装置机械部分的设计32.1总体结构设计32.2 行走系统的设计42.2.1车架的设计42.2.2 车轮与缓冲弹簧的选用52.2.3 转向与刹车装置的设计62.3 供水系统的设计62.3.1 压力泵的选择72.3.2 电机的选择72.3.3 稳压罐与水箱的设计82.3.4 安全装置的设计及安全阀的选用92.3.5 管路联接与过滤系统的设计112.4 本章小结113 移动式流体喷射试验装置监测系统的设计123.1 监测系统的总体设计123.1.1 系

2、统的整体结构123.1.2 系统工作过程123.2 硬件结构及设计123.2.1 传感器的选择123.2.2 单片机的选择143.2.3设计数据采集部分153.2.4 数据显示部分173.2.5 串行通讯部分193.2.6 电源部分203.3 软件设计203.3.1下位机处理程序213.3.2 上位机处理程序233.4 本章小结23结论与展望23参考文献24致 谢25 流体喷射装置供水系统设计 流体喷射装置供水系统设计机械电子工程 赵武颖指导老师 刘芳摘要：本文设计并制造一套移动流体喷射实验的农业工程装置,该装置主要由一个供水系统、监控系统、步行系统三部分组成。步行系统为移动测试服务;供水系统

3、可以提供压力和流量测试,监测系统可以监测和记录压力的变化和流动条件以及数据的收集和维护。当设备工作时,活塞泵电机运转,水泵及水箱通过管道连接进水口、出水口和缓冲槽。活塞泵从水泵抽水注入到压力稳定槽,然后通过一个缓冲槽出口压力控制水流。稳压管上有回流管道，管道安装一个安全阀。安全阀门是自动机制,当压缩系统压力上升太高超过设定值,它会自动打开,多余的介质排放到低压系统或到大气中,而压力回落到设定压力并自动关闭。当稳压罐的平衡水箱压力大于安全阀设置,安全阀将开放,直到阀前压力稳定在给定值的要求，流量通过回流管流回到水箱。的每次测试的水量和压力都由安装在管道出口的测量涡轮流量传感器和扩散硅压力变送器测

4、量并显示在液晶，由上位机和收集的数据维护。移动式流体喷射实验能在很大程度上提高流体喷射试验的可操作性和准确性关键词：流体喷射；监测系统 ；供水系统 The design of the water supply system fluid jet deviceMechanical and Electronic Engineering Wuying ZhaoTutor Fang LiuAbstract:This paper designs and manufactures a set of movable fluid injection experiment of agricultural engi

5、neering device, the device is mainly composed of a water supply system, monitoring system, walking system composed of three parts. Walking system for mobile testing services; water supply system can provide the pressure and flow rate test, change monitoring system can monitor and record the pressure

6、 and flow conditions as well as data collection and maintenance. When the device works, the piston pump motor, pump and water tank is connected with the water inlet, outlet and buffer tank through pipelines. Piston pump from the pump into the pressure stabilizing tank, then through a buffer tank out

7、let pressure control flow. Voltage regulator tube on the backflow pipeline, pipeline installation of a safety valve. Safety valve is the automatic mechanism, when the compression system pressure exceeds the set value is too high, it will automatically open, media excess emissions to the low pressure

8、 system or to the atmosphere, and the pressure drop to the set pressure and automatically shut down. When the balance is greater than the tank pressure stabilizing tank safety valve, safety valve will open, until the valve before the pressure stabilized at a given value, flow back into the tank thro

9、ugh a return pipe. Measurement of turbine flow sensor and the diffusion silicon pressure transducer in each test content and pressure are installed in the export pipeline and the liquid crystal display, maintained by the host computer and the data collected.Movable fluid injection experiment can imp

10、rove the fluid jet test the operability and accuracy to a great extentKey words: Fluid injection, monitoring system, water supply system引言1.1课题的提出及意义根据中国农村经济结构调整和农业产业化区域分布,以及农业发展的趋势对环境保护、水资源保护和可持续发展,技术水平的合理使用农业资源和农业设备的新需求。由于农业机械化，合理利用农业设备技术的优化配置农业资源是实现可持续发展的一个重要手段。我国是一个淡水资源贫乏的国家之一,人均水资源占有量只有世界平均水平的1

11、/4,人均量的时空分布不均,水资源的季节性变化,地区差异导致北方春旱，南方秋旱，这两个季节是播种的季节。因此,如何确保及时播种,确保水供应种子足够,确保种子萌发,产生、和起身形成一个良好的基础,是确保高产急需解决的课题1。根据目前的状况,发展趋势,中国的播种机,大力发展节水农业,我们的研究小组提出了研究领域的水供应系统流体喷射。射水播种是一种非接触土的方法播种,没有嵌入式设备,通过高速流喷水形成一个洞,散布到种子播种方法。而流体喷射的水供应系统是射水播种里播种必不可少一个的部分。1.2 研究现状2001年山东理工大学杜瑞成教授根据我国大力发展节水农业机械和精密播种机械的现状，提出流体射种这一概

12、念，该领域当时国内外还没有相关研究。山东理工大学自2002年开始进行这方面的研究，2003年硕士研究生杨善东在流体射种元件试制和试验研究的毕业论文中对流体射种的可行性进行了初步的研究，初步确定了影响射种的各种基本因素，比如射种压力、喷嘴大小、喷嘴离地面的高度等。但试验研究只是在一套简易的装置上进行，试验装置的研制方面存在较大的主观性，理论依据不是很充分，在结构设计方面可能存在很多不合理的地方。比如送种机构的设计是一个难题，试验方案虽然能实现送种，但存在密封难、送种时刻难以确定等问题。2004年硕士研究生张俊亮在其毕业论文自动射水成穴播种装置设计及试验研究中，试制了了一套单片机控制的自动射水成穴

13、播种装置，并用该装置进行了大量的试验，总结归纳出一些有关流体射水播种的理论2。经过多位老师与同学的共同努力，目前流体射水成穴播种器已基本研制成形，但是还存在着很多的不足，比如在射种过程中，种子的具体位置还不确定，试验控制与数显部分的功能相对单一，流体射种这一工作过程的理论分析方面深度还不够等。1.3主要研究内容本主题对流体喷射供水置进行了改进设计，设计一套完善的可动流体射流实验装置，测试的准确性和可操作性有了很大的提高。获得准确的试验数据，在水和空化机制相关的基础上进一步分析。主要研究内容如下：首先，设计制作一套便携式可提供压力和流量的试验装置。第二，根据试验装置的特点，采用单片机和传感器技术

14、，设计了一套监控系统，实现测试调整所需要的压力和流量控制和数据采集与维护。第三，对高压水射流和射流冲击损伤理论进行了研究，对射流冲击压力进行了分析，为进一步研究射水成穴提供帮助。2 移动式流体喷射试验装置机械部分的设计2.1总体结构设计本文设计的测试装置为流体喷射测试提供可靠和准确的测试条件,它综合机械技术、电子技术、控制技术,是一种应用到农业机械的机电设备技术。该设备可以调节和控制压力和流量,并通过数据采集装置准确记录值的压力和流量。此外,由于流体喷射测试,对于农业工程喷雾试验,工厂化养殖和流体注入测试用于测试设备在这个区域非常重要,而目前中国还没有专门对农业流体喷射测试的装置。为了弥补这一

15、空白, 本试验装置设计成多用途型，因此该装置还能运用到农业工程学科的其他方面的试验,如草坪喷水灭火试验,不同形状的喷嘴测试,都体现了经济的组合和多功能性，具有一定的积极意义的农业工程学科发展。本装置主要由供水系统、监测系统、行走系统三部分组成。总体结构如图2-1所示行走系统供水系统监测系统图2-1 装置的总体结构示意图整个装置组件根据重量和体积不同的合理安装在可移动的小车,重心的每一部分位于中心线的小车平台,因此整体的重心落在中间的小车平台,这可以使小车更稳定,方便现场操作。副水箱、水泵、电机与螺栓、安装垫固定在小车平台的基础下,关键部件在管道安装的阀门,阀门开关可以实现不同用途的选择。压力传

16、感器和流量传感器安装在主要的出口,主要出口可以到两个管道。喷淋测试需要更高的出口,此时出口安装在一个更高的位置,水出口洞需要出口,安装在一个较低的位置。液晶显示器和控制板安装在合理的位置，方便观察和操作时间。设备的工作过程是: 工作时，5.5千瓦的三相异步电动机通过链传动使柱塞泵动作。水泵和水箱通过管道连接进水口、出水口和缓冲槽。活塞泵通过水泵、注水压力稳定槽,然后通过一个缓冲槽出口得到压力稳定的流量。稳压管上有回流管道，管道上安装了安全阀。安全阀门的自动机制,当压缩系统压力上升太高超过设定值,它会自动打开,多余的介质排放到低压系统或到大气中,而压力回落到设定压力和可以自动关闭。当稳压罐的平衡

17、水箱压力大于安全阀设置,安全阀将开放,直到阀前压力稳定在给定值的要求,通过回流管流流回水箱。随着柱塞泵提供压力值为2.5 MPa,设备需要提供压力范围的0.5 MPa2.2MPa,安全阀可以稳定压力所需的数值。水的量和压力的每个测试都安装在管道 出口的涡流传感器,降低了扩散硅压力变送器测量和记录数字显示装置。图2-2 试验装置的工作原理示意图2.2 行走系统的设计行走系统的主体是一个可以与牵引车挂接的小车,它包括一个框架,轮子,一个操舵装置和制动装置。车架是整车的骨架,承受车内和车外的各种载荷。车架采用框架式结构,由两个纵梁和横梁,纵向和交叉梁使用矩形截面轮廓,但也会减少体重的机车，以满足强度

18、要求。车轮使用模型5.00-8低压充气橡胶轮胎,离地间隙高,适合野外作业。转向设备安装在车辆前轴,前轴和固定与梁的框架在一起。刹车装置主要是为了满足人力驱动的需要,牵引架安装在两个圆弧形的刹车片上,抬起牵引架时刹车片在前轮轮胎的上方，放下时会贴在前面两个轮胎上。为了使现场工作更顺利,后轴设计了四个缓冲弹簧。2.2.1车架的设计根据试验要求，在框架的基础上稳定可靠的设计，尽可能减轻体重，使结构更紧凑。该框架的结构如图2-3所示：框架结构使用冷弯方形空心截面(GB / T 6278 - 1986)为材料,长度为50mm,梁使用空心钢,长度为40mm。车架的整体尺寸为2000 mm×120

19、0 mm整个车架使用焊接连结,框架平面采用厚度为5mm的冷轧钢板,焊接到车框架上。在两个纵向梁焊接四根长度500mm冷弯等边槽钢,槽钢焊接两边的框架来增加强度、缓冲弹簧安装在两个相对。整个框架在满足强度要求下尽量减少自身重量。图2-3 车架结构图2.2.2 车轮与缓冲弹簧的选用该测试装置可以在水箱装满水的情况下进行试验,要求齿轮应能承受测试装置也适用于野外作业。该模型为5.00-8低压气动橡胶轮胎,会使车体平面离地间隙高,轮胎也有足够的宽度,适合现场试验。弹簧在该实验装置的主要功能是缓冲器,选择圆柱螺旋类型的压缩弹簧,端部并紧磨合,支撑圈数为1。因为工作环境不高,作为测试设备, 对弹簧的工作期

20、间和其他要求不是太高,弹簧采用普通碳弹簧钢丝,它的主要优点是便宜,原材料来源方便。测试装置在水箱装满水的情况下,框架的总重量,电机,泵和其他设备约6000N,水箱空情况下总重量约为3000 N、总重量分别由四个相同的缓冲弹簧承担,然后每根弹簧承担重量的两个情况分别约为1500 N和750N, 弹簧额定行程是40mm。最大工作负载从上面的分析可以确定弹簧= 1500N、最小负荷= 750N。根据总体结构决定了弹簧直径D = 60mm,H = 40mm的工作行程。下面根据上述参数来确定弹簧的其它参数。工作极限载荷原始Pj1.25 Pn= 1.25×1500N= 1875N,依照Pj与直径

21、D表:弹簧材料直径D= 8mm,工作极限载荷弹簧Pj= 1917.3N,工作在极端负载圈变形fj= 10.24mm,单圈刚度= Pd=187N3。开始时的弹簧刚度P，P= 有效的环数n，n = 取标准值为7总圈数n1，n1= n + 2 = 10 + 2 = 12弹簧的刚度P， P= = =18.7 N/mm变形极限荷载,下的变形量Fj ，Fj = nfj = 10 * 10.24 102mm弹簧的节距t，t = = 弹簧的自由高度H0，H0=nt+1.5d=10*18.2+1.5*8=194mm，按标准取200mm。2.2.3 转向与刹车装置的设计转向轴承安装在车前轮上,和前轴和框架梁固定在

22、一起,前面与一个牵引架连接。转向通过移动前轮轴牵引架在转向轴承旋转,实现了小车转向。图2-4 转向刹车装置示意图刹车装置主要是为了满足人力驱动试验和停放时的需要。在牵引架安装在两个圆形的刹车片,刹车起牵引架上面, 牵引架安装在两个圆弧形的刹车片上,抬起牵引架时刹车片在前轮轮胎的上方，放下时会贴在前面两个轮胎上。当车停了在不使用时,牵引架自由落下,小车将自锁。2.3 供水系统的设计 供水系统主要由一个电动机、活塞泵、调压井、水箱和相应的连接管构成,如图2 - 5所示。水箱的作用是为长时间的连续试验贮备足够的水源，稳压罐的作用是使出水口提供的供水压力保持相对稳定。3 4 5 6 7 8 9 102

23、1图2-5 供水系统示意图1水箱 2稳压罐 3进水管道 4流量传感器 5出水口 6压力变送器 7安全阀 8回流管道 9柱塞泵 10三相异步电机2.3.1 压力泵的选择本装置是由三缸柱塞泵,其主要技术指标:最大压力为2.5 MPa,流量36-40 L/ min,回转数800 - 900 r / min,所需动力为3.7到5.15马力。柱塞泵是依靠活塞在缸体的往复运动、形成密封容积的改变,以达到吸油和压油的。其主要组成部分和气缸活塞是圆柱形的,所以加工方便,精度高,密封性能好,结构紧凑，在高压力的工作下仍然有较高的容积效率。柱塞泵按住赛排列方式不同,可分为径向往复活塞泵和轴向活塞泵两个主要类别。轴

24、向柱塞泵分为防波板和斜轴式两种。泵的输出流量是脉动的,当柱塞泵为单数时,脉冲较小,本装置三缸柱塞泵的活塞数量3。柱塞泵结构紧凑、体积小、重量轻、惯量小,还可以提供高压,能满足测试设备的要求。2.3.2 电机的选择对电动机起动的基本要求是:1有足够大的起动转矩,以克服电机和机械载荷的阻力矩,同时保证机组有一定的加速能力;2起动电流不要太大,以免使电源的电动机电路产生过度的电压降,从而影响到供电线路其他电气设备正常运行,也为了避免发动机和绕组由于起动电流和电磁力过热的的影响;3起始时间要短,使电动机转速达到尽快稳定,也使启动时消耗的能量小;4起动设备简单、可靠、经济4。异步电动机和其他电机一样，不

25、仅可以用作发电机远行,也可作为电动机运行。但异步电动机是主要用于电懂机,在电厂或电力系统中异步电动机都有广泛应用。异步电机是按相数分类的,有单相和三相两;根据换向结构的分类,则有换向器式和无换向器式两种,也有因需要特殊的目的,而用不同的分类方法。或异步电机交流旋转电机,但有一个主要的区别,即异步电动机转子转速n,没有固定的关系其定子转速n1。此外,转子绕组异步电动机没有连接到电源、电能量转移到转子通过电磁感应效应,之间传输的异步电动机,它也可以被称为感应电动机。相比其他类型的异步电动机,它具有结构简单,价格低廉,工作可靠、效率高的优点。但它也有低功率因数和速度性能不利。通常适用于不调速或调速的

26、要求较低的场合。对于起动和调速的需求较高的场合通常可以由直流电机驱动。正确选择电动机容量是非常重要的。如果是选择电动机容量过小,导致“小马拉车”现象,或根本带不动有,或者虽能动,但因为额定电动机转矩比小的负载转矩,转子和定子绕组电流超过额定电流,导致经济过热,影响电动机的寿命。如果电动机容量选择过大,不能充分发挥作用的电机,功率因数和效率,使电网的功率因数是坏,造成权力和资金的浪费。额定功率的电动机一般比机械驱动功率约10%左右5。柱塞泵正常工作所需的动力是5 7马力,约为3.7 5.1 KW,所以选择5.5 KW三相异步电机能满足电力需求。4千瓦及以上的电机的定子绕组是按照380 V设计的,

27、所以三相绕组连接形成一个三角形。2.3.3 稳压罐与水箱的设计稳压罐的作用是使出口的压力保持相对的稳定，在不影响整体结构的基础上稳压罐要根据需要做得尽量大些，这样就能提高稳压的效果。本装置的稳压罐采用圆筒形容器，椭圆形封头，容积70L, 设计压力5.0MPa，设计温度50。介质压力的一个主要工作参数的压力容器,测试装置的压力容器介质是水,从安全的角度,水压力高、容器爆炸能量更大、更危险。一般来说,压力容器根据设计压力(P)分为四个层面,即压力。低压力容器(代码L)0.1 MPaP < 1 6 MPa 压力容器(代码)1.6 MPaP < 10 MPa压力容器(代码H)10 MPaP

28、 < 100 MPa 超高压容器(代码U)P > 100 MPa稳压罐的设计压力为5.0 MPa,应该属于中等压力容器。中、低压力容器属于薄壁容器的范畴。所谓的薄壁容器意味着外径D0和内径Di的比值(D0/Di)小于1.2容器。薄壁容器的外形结构较多，除了最常见的圆柱形和球形容器,还有个别情况下,如矩形截面容器,椭圆形截面容器,容器截面椭圆截面,除了串联球面形状的容器,通常都称为异形容器。在压力容器中,圆筒形容器最为常见的。它比球形容器便于制造，便于在内部安装工艺附件,便于工作介质在内部相互作用,因此被广泛应用。圆筒形容器由一个圆形筒体和两端封头组成。圆筒结构相对比较简单,但是封头

29、结构形式较多。薄壁圆简体除了小直径可采用无缝钢管外,通常都是焊接结构,钢板卷成圆柱形状后进行焊接。小直径的圆筒体可采用一条纵焊缝，而大直径的圆筒体因受钢板尺寸的限制，需采用两条或两条以上的纵焊缝。同样，长度较短的圆筒体只有两条环焊缝，长的则有多条环焊缝。焊缝由于可能存在夹渣、未焊透、裂纹、气孔、咬边等缺陷，致使焊缝本身的强度削弱；同时，在焊缝的热影响区还会产生金相组织的变化，使晶粒长大，这也使得该区域的力学性能有所降低。因此要尽量减少焊缝的数量。本稳压罐的设计直径为400mm，没有合适尺寸的无缝钢管，用钢板卷成圆筒形后进行焊接，有一条纵向焊缝。封头或端盖是圆筒形容器的重要组成部分，常见的有半球

30、形、椭圆形、碟形、锥形及平板形。这些封头在强度及制造上各有其待点。半球形封头受力情况最佳，但最难制造。封头形式的选择不单决定于强度与制造，在某些情况下还决定于容器的使用要求。中、低压容器大多采用椭圆形封头，本稳压罐的设计压力5.0MPa，属于中压容器，故采用椭圆形封头。椭圆形封头是由半个椭球壳和一段直边部分所组成。由于椭圆曲线的曲率半径变化是连续的，所以封头中的应力分布也比较均匀，其受力情况仅次于半球形封头，是目前压力容器中应用最广泛的封头形式。本试验装置选用的柱塞泵所能提供的最高压力是2.5MPa，并且工作介质是水在常温下工作，试验所需的最高压力是2.2MPa，所以设计的稳压罐完全可以满足装

31、置的要求，并且安全可靠。2.3.4 安全装置的设计及安全阀的选用压力容器的安全装置系指为了使压力容器能够安全运行而装设在设备上的一种附属机构，又常称之为安全附件。压力容器的安全装置，按其使用性能或用途可以分为以下四大类型。（1）连锁装置指为了防止操作失误而设置的控制机构，如连锁开关、联动阀等。 （2）警报装置指容器在运行过程中出现不安全因素致使容器处于危险状态时能自动显示声、光或其他明显报警讯号的仪器，如压力报警器、温度监测仪等。 （3）计量装置指能自动显示容器运行中与安全有关的工艺艺参数的器具，如压力表、温度计等。（4）泄压装置容器超压时能自动泄放压力的装置。 本试验装置在容器的出口处安装了

32、量程为06.0MPa的耐震压力表， 耐震压力表的壳体制成全密封结构，且在壳体内填充阻尼油，由于其阻尼作用可以使用在工作环境振动或介质压力（载荷）脉动的测量。选用大表头，表面面积大，易于在试验过程中观测压力。在压力容器的安全装置中，最常用、最关键的是安全泄压装置。为了确保压力容器安全运行，防止设备由于过量超压而发生事故，除了从根本上采取措施或减少可能引起的压力容器超压的各种因素外，很重要的一个预防措施是装设安全泄压装置。安全泄压装置是为保证压力容器安全运行，防止它超压的一种器具。它具有下列功能：当容器在正常的压力运行时，保持严密不漏，若容器的压力一旦超过规定，则自动地迅速地排泄出器内，使设备的压

33、力始终保持在许用压力范围内。安全泄压装置按其工作原理和结构形式可以分为阀型、断裂型、熔化型和组合型等几种。本装置选用阀型安全泄压装置，即安全阀。安全阀是通过阀的自动开启排出介质来降低器内的过高压力的。这种安全泄压装置的优点是：仅排放压力容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至正常操作压力时，即自动关闭，可避免旦容器超压就得把全部介质排出而造成的浪费和生产中断；装置本身可重复使用多次；安装调整也比较容易。安全阀若用于介质为不洁净的介质时、阀口有被堵塞和阀瓣被粘住的可能。阀型安全泄压装置对压力容器介质有选择性，它适用于比较洁净介质。本试验装置的介质是常温水，不会出现阀口被堵塞的现象，适合选用

34、安全阀。安全阀主要由三个部分组成，阀座、阀瓣相加载机构。阀座和座体有的是一个整体，有的组装在一起，与容器连通。阀瓣通常连带有阀杆，紧扣在阀座上，阀瓣上面是加载机构，用来调节载荷的大小。当容器内的压力在规定的工作压力范围之内时，器内介质作用于阀瓣上的压力小于加载机构施加在它上面的力，两者之差构成阀瓣与阀座之间的密封力，使阀瓣紧压着阀座，容器内气体无法排出；当容器内压力超过规定的工作压力并达到安全阀的开启压力时，介质作用于阀瓣的力大于加载机构加在它上面的力，于是 阀瓣离开阀座，安全阀开启，容器内气体通过阀座排出。如果容器的安全泄放量小于安全阀的排量，器内压力逐渐下降，很快降回到正常工作压力，此时介

35、质作用于阀瓣上的力又小于加载机构施加在它上面的力，阀瓣又压紧阀座，气体停止排出，容器保持正常的工作压力继续工作。安全阀通过作用在阀瓣上的两个力的不平衡作用，使其启闭，以达到自动控制压力容器超压的目的。安全阀的类型按加裁机构分类可分为重锤杠杆式安全阀和弹簧式安全阀。弹簧式安全阀是利用弹簧被压缩的弹力来平衡作用在阀瓣上的力，通过调整螺母来调整安全阀的开启(整定)压力。弹簧式安全阀结构紧凑、轻便，比较灵敏可靠，一般容器宜用弹簧式安全阀，特别是移动式容器上，但不宜用于高温容器，在高温下弹簧会失去原有的弹性。根据阀瓣开启高度的不同，安全阀分为微启式和全启式。微启式安全阀阀瓣开启高度很小，但制造、维修、试

36、验和调节比较方便，宜用于排量不大，要求不高的场合12安全阀动作的可靠性直接关系到设备乃至人身的安全。而按照被保护设备的工作条件正确选用安全阀，是保证安全阀正常工作，甚至关系安全阀能否起到安全保护作用的先决条件。选用安全阀涉及两个方面的问题，一方面是被保护设备或系统的工作条件，例如上作压力、允许超压限度、防止超压所必须的排放量、工作介质的特性、工作温度等等；另一方面则是安全阀本身的动作特性和参数指标。下面主要从几个主要的方面来选用合适的安全阀。公称压力的选定。公称压力表示安全阀在常温状态下的最高许用压力，试验所需的最高压力为2.2MPa，故选用公称压力为2.5 MPa的安全阀。工作压力级的确定。

37、安全阀的开启压力(即整定压力)可以通过改变弹簧预紧压缩量来进行调节。但每一根弹簧都只能在一定的开启压力范围内工作，超出了该范围就要另换弹簧。这样，同一公称压力的阀门就按弹簧设计的开启压力调整范围划分为不同的工作压力级。对于公称压力为2.5 MPa的安全阀，查表得知共有5个不同的工作压力级，相应配备5根不同的弹簧。 通径的选取。安全阀通径应根据必需排放量来确定。就是使所选用安全阀的额定排尾大于并尽可能接近必需排量。当发生异常超压时，防止过分超压的必需排放量，由系统或设备的工作条件以及引起超压的原因等因素决定。而安全阀的额定排量按下列公式计算，当介质为液体时 （2-1）式中 额定排量(kg / h

38、)，P阀前后压力差 (MPa)， -额定流量系数，A-流道面积(mm²),-介质密度(Kg/m³)。微调阀Kdr 取0.16,水作为工作介质所以= 1000Kg/m³, = 2.5 MPa,设置额定排量为柱塞泵的吸水量,即2400Kg/h。上述数据带入公式得58.92mm²,安全阀直径d0 = mm，查表得流道直径20mm，相应的公称直径为DN25。安全阀确定后, 将安全阀安装到回流管上(如图2 - 5),根据所需压力水平的不同选择不同等级的弹簧,同一型号规格的安全阀通过更换弹簧来改变其工作压力级, 而在某一工作压力级范围内则通过调整螺杆来调节开启压力。

39、通过这种方式,安全阀能起到泄压的效果,还可以使压力保持在稳定的设定数值。在实际的测试中,压力可以维持在稳定的设定值。2.3.5 管路联接与过滤系统的设计 管道连接包括管和管,管和管件及管道和阀门的连接,主要方法有:乘插、螺纹、法兰和焊接连接9。本装置的所有管道采用不锈钢管,以防止生锈。管路联接采用螺纹联接的方式。安装时在管子接头丝扣上涂上铅油，缠上麻绳来增强密封性。为了防止水中杂质进入管道,活塞泵和流量传感器无法正常工作,在水箱的水出口和平衡水箱的水管分别安装了一个过滤器装置。通过对水中杂质的两次过滤,确保设备的正常运行。2.4 本章小结 本章介绍了流体喷射试验装置的工作原理, ,论述了机械结

40、构流体喷射试验装置的设计过程,特别是对柱塞泵,安全阀,缓冲槽和电动机的关键组件合理选择和设计进行了详细的分析。3 移动式流体喷射试验装置监测系统的设计3.1 监测系统的总体设计 3.1.1 系统的整体结构 该系统是以个人计算机为核心，配以两个传感器，通过信号采集，由测试软件处理数据。由于充分利用强大的数据存储和处理能力,系统在流体喷射试验不仅可以快速、准确的数据处理、存储和打印输出的结果,还能将实时数据显示在液晶显示器,以使测试更准确,操作更为方便。整体系统结构由上位机和下位机两部分组成。下位机包括流量传感器、压力传感器、信号处理电路、单片机和接口电路、通讯接口;上位机主要包括通信接口,个人电

41、脑(PC)等。3.1.2 系统工作过程流体喷射试验装置工作时,出水口压力和流量传感器将采集到的信号送到相应的信号处理电路,经转换和过滤后变成统一的逻辑信号,然后所有的信号被发送到下位机,下位机接收信号后进行预处理,一方面可以将出口水压力和流量显示在液晶屏幕上,以便操作人员可以监视。另一方面,按约定的通讯协议格式数据打包,借助通信线路传输到上位机,然后电脑将接收到的数据与处理和存储。3.2 硬件结构及设计该系统的硬件结构主要由数据采集、数据处理、数据显示、串行通信和电源五部分。整体以MSP430单片机为中心,配与压力和流量传感器和相关接口电路,实现实时显示和收集测试数据。硬件电路设计框架如图3

42、- 1。数据处理部分主要是由软件组成。 模拟输出ADCMSP430电池模拟放大 3V输入恒压电路显示器EEPROMRS-232接口 按键 图 3-1 硬件电路设计框架3.2.1 传感器的选择传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。其中敏感元件是直接感受被测量、并且输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件接受敏感元件的输入，并且将其转换成电路参数量。转换电路将电路参数转换成电量输出。传感器的选择要综合考虑诸如可靠性、静态精度、动态性能、抗干扰能力、通用性、轮廓尺寸、低成本和低功耗等

43、方面的因素10。 （1）待测参数及其变化范围 这个系统测量的是流体喷射试验装置出口压力和流量,由于设计的多用途性,所以压力和流量的范围相对较大。压力范围为0.5 2.2 MPa.（2）压力传感器的选择根据压力传感器工作原理不同 ,主要有电阻式,电容式,电感式三种。根据本课题的特点, 选择利用半导体材料（扩散硅）的压阻效应设计制造的传感器。压阻效应是指当半导体材料受外界压力作用下,电阻率发生变化的现象。压阻式传感器的优点是:灵敏度非常高,有时传感器的输出不需要放大可以用来直接测量;分辨率高; 测量元素的有效面积可以非常小,所以响应频率高。缺点是温度误差很大,所以需要温度补偿或或在恒定的温度下使用

44、。扩散硅压力变送器是由扩散硅压力芯片和信号处理电路组成,在精密的补偿技术,信号处理技术,具有测量范围大,测量精度高的特点,可以长期在线检测压力信号。扩散硅压力传感器采用24 v直流供电,当外加压力时,会对压力芯片引起输出电压的变化,信号处理电路放大输入压力,并转换为标准4-20mA直流信号输出线性对应,可以直接连接到两仪和计算机控制系统 11。对于出水口压力的测试,该设备选择的是扩散硅压力传感器，型号为ADS-801，其,技术指标:量程为0 - 3MPa,供电24VDC,输出4-20mA ，,测量精度为0.5FS，1 "管螺纹接口。（3）流传感器的选择对于出水口处流量的测量，本装置选

45、用利用磁电效应设计制造的涡轮型流量传感器。其工作原理是：在流道内设置一个涡轮，当流体流动时，由于涡轮的叶片与流体的流向有一定的角度，所以流体冲击涡轮转动，涡轮的转速与流体的流速成正比，涡轮的一侧设计一个由永久磁铁和线圈组成的检测装置，由于涡轮具有导磁性，涡轮转动时，旋转的叶片周期性地切割磁力线，使该检测装置的磁路磁阻发生周期性的变化，涡轮每转动一周，该装置就会发出一个脉冲，流道内流体流动的快，涡轮就转动的快，单位时间内检测到的脉冲数目就多。根据单位时间内的脉冲量计算流道内的流体流速，然后乘于流道的面积，就可以计算出单位时间内流体的流量。其原理方框图如图3-2所示流量涡轮磁 电转 换脉 冲整 形

46、十 进制计数频 率/电 压转 换瞬 时 流 量指 示总 流量计算图3-2电磁式涡沦流量传感器转换电路方框图 该设备使用利用磁电效应设计制造的LWGY式涡轮流量传感器,其技术指标如下:量程1 10m3，测量精度为1级，直流供电5VDC，输出4 20 ma,最大工作压力为6.3 MPa,连接方式为两线制，封装形式为串接防水封装,1 "管螺纹接口。涡轮流量传感器的标定工作是在工厂进行,一般提供的流量系数是水校准12。该装置的介质虽然对水,但为了准确起见重新对流量传感器进行了校准，用脉冲数与流量的比值作为依据。3.2.2 单片机的选择 单片机是微型机的一种,它是把微型计算机的主要部分集中在单

47、个芯片上的单芯片微型机。单片机本身是按工业测、控环境设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏13。本系统采用TI公司的MSP430系列单片机。MSP430系列微控制器是美国德州仪器公司在九十年代末推出的新型16位微控制器。控制速度和能力比传统的mcs51等8位单片机提高了一大步,是一个低功率,16位RISC结构的家族系列,拥有先进的结构和丰富的外设。除了定时器结构先进,还具有同样强大的中央处理器。MSP430系列中的MSP430F1x子系列具有FLASH存储器，在系用设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。MSP430F1x系列具有以下共同的

48、特点:(1)超低功耗MSP430系列单片机、操作在1.8 3.6 v电压,1 MHz时钟条件,根据不同的工作模式不同的工作电流是0.1 400A;有16个中断源,可以任意嵌套、灵活和方便使用;使用中断请求CPU醒来只有6s (2)强大的处理功能MSP430F1x系列单片机,16位RISC结构,指令寻址模式中,27个内核富裕简单和模拟许多指令;大量的寄存器和内存芯片上的数据可以参与各种计算,具有较高的处理速度,在8 MHz晶体驱动,指令周期125 ns。(3)各种各样的记忆形式各种类型的MSP430F1x是相同的性能和内存不同的ROM,OTP,为了适应产品的设计、开发、生产的各个阶段需要。(4)

49、丰富的片上外围模块每个成员的MSP430F1x系列单片机集成了丰富的片上外设。他们是不同的组合模块:看门狗定时器,串行端口,比较器,硬件乘法器,液晶驱动程序,10/12 ADC,P0,P1P6断裂,基本定时器。(5)以方便高效的开发环境对于FLASH,由于该芯片JTAG调试接口,可以擦除闪存,所以第一个下载程序到FLASH,那么设备通过一个软件程序运行,通过JTAG接口读取表信息为设计师使用调试方法的发展。这种方法只需要一个电脑和一个JTAG调试器,不需要模拟器和程序员。语言的发展与汇编语言和C语言。 (6)适应工业环境MSP430F1x的操作温度范围- 40 85,产品设计在工业环境中操作1

50、4。压力与流量对系统的功能实现监控和记录,使用单片机MSP430 MSP430F1232系列一,单片机集成256B RAM数据存储器,8 KB闪速存储器程序内存,8通道A/ D转换器,一个不能接口,看门狗定时器,22个的I / O端口,温度传感器15。3.2.3设计数据采集部分(1)数据收集方法数据采集是将温度、压力、流量、位移和其他模拟采集转换成数字量后,通过计算机存储、处理、显示、打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。数据采集系统的任务,具体的就是采集传感器输出的模拟信号转换成数字信号,然后把它们发送到计算机,计算机根据不同的需进行相应的计算和处理,取得了必要的数据,然后将数据显示和打印

51、,以实现监测和控制某些物理量。数据采集系统主要由两部分组成:硬件和软件。从硬件方面,数据采集系统的结构主要有两种:一种是微机数据采集系统,另一个是集散型数据采集系统16。如图3 - 3结构微型计算机数据采集系统放大器A/D转换器采样保持器多路开关传感器传感器传感器传感器传感器传感器计 算 器定时与逻辑控制器图3-3微型计算机数据采集系统示意图从图3 - 3显示,微型计算机数据采集系统由传感器、模拟多路开关,可编程放大器、采样/保持转换器,A / D转换器、计算机及周边设备等组成。该传感器将被测量转换成电信号。数据采集系统通常需要采集多路信号,在不需要高速采样的场合,一般使用常见的A / D转换

52、器,以简化电路、由模拟开关分时对每个信号模/数转换。数据采集时,来自传感器的通常是较弱的低电平信号、程控放大器的作用是将传感器的微弱信号放大,以便进行A / D转换。采样保持器的作用是将输入信号保持时间的A / D转换器在A / D转换器保持不变,以保证较高的转换精度。A / D转换器的作用是将传感器的数字信号转换成计算机可以处理的模拟信号，A / D转换器是数据采集通道的核心。接口电路是用来加工和水平调整数字信号输出的传感器,然后发送到计算机总线。定时与逻辑电路用来产生控制个部分工作时序电信号。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物,它由若干个数据采集站和上位机及通信线路组成。数据采集站由

53、一个单片机,位于生产设备附近,可以独立完成数据采集和数据处理任务,也可以将传输数据与数字信号发送到上位机。集散型数据采集系统的优点是一个系统的适应能力强、系统的可靠性高,数字信号传输中抗干扰能力强。集散型数据采集系统结构如图3 - 4:上位机通讯接口数据采集站数据采集站数据采集站 图3-4 集散型数据采集系统示意图 用计算机进行数据采集,采集系统需要与计算机通信,数据传输。对于与计算机的通讯方式,通信接口的计算机主要并行接口、串行接口、USB接口和I / O扩展槽等四个方面,其中前两个是最常用的,对于数据传输速度而言并行接口快于串行接口,串行接口具有强大的抗干扰能力, 允许更长的传输线路 17

54、。(2)传感器接口电路本监控系统需要采集的是压力传感器和流量传感器输出压力、流量和其他信号,采用集散型数据采集模式。前端的数据采集发送任务是由一片MSP430微控制器完成的。程序使用MSP430汇编语言(参见软件程序)。MSP430的最大特点是Orthogonality，即三方自由寻址，也就是说对于单操作数指令可以使用指令系统中的任意寻址方式。对于双操作数指令,可以使用源地址和目的地址选择方式的任意组合。程序结构的设计上,设计的前端数据采集处理程序时,传感器信号采样使用中断模式。以便适应不同传感器的不同需求18。图 3-5流量传感器接口电路3.2.4 数据显示部分 (1)液晶显示模块的选择图形

55、点阵液晶显示模块,由于其丰富的信息(显示器可以显示汉字、字符、图形、曲线)、低功耗、寿命长、不产生电磁辐射污染和其他的优势,而成为一种理想的显示设备,但传统的图形点阵液晶显示模块显示汉字,往往因占用ROM容量大和汉字显示字符的数量限制,同时存在接口电路的硬件和软件编程相对复杂的缺陷,因而限制了液晶显示技术的单片机系统中的应用。本系统选择型号OCMJ 4 x 8的 128 x 64点阵中文液晶显示模块。模块由于内含中文字库,使得汉字显示异常方便,并且硬件接口电路简单。这对于硬件资源非常紧张的单片机来说是非常重要的。OCMJ 4 x 8模块是非常适合显示汉字信息量较大的智能仪器系统19。以下主要特征的模块:包含了GB 2312标准16×16点阵标准水平简体中文;包含ASCII码的8×8(半最大值)和8×16(全高度)晶格英语字体;输入区号或ASCII代码来实现汉字或字符显示;与晶格和字节数组两个图形显示功能,完全兼容普通液晶显示模块;可以实现汉字,ASCII码,点图形和曲线在屏幕上显示;用户界面使用8数据行和点播/繁忙的两个标准;+ 5 v单电源; 可以提供一种液晶显示负电压驱动;用LED背光;与规划和1