基于单片机的新型的在线粘度测量方法的研究

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸PAGEPAGE7基于单片机的新型在线粘度测量方法的研究中国山东省青岛科技大学中国辽宁省沈阳东北大学自动化与电子工程学院机械工程及其自动化学院kuersike@163.comsnoopy020330@163.com摘要离线粘性测量破坏了实时性和精度而温度的变化对电桥电路的输出造成较大的影响。本文提出了一种基于AT89C55WD单片机的改进方法，这种方法实现了用于测量流体粘度的在线信号的采集和多种信号的数据处理。传感器的配置是经过多次测试和误差分析及桥电路的再改进得出的独立设计。由于在DS18B20-PAR芯片的基础上进行了温度测量和在反向传播（BP）神经网络算法的基础上采用温度补偿，因此粘度传感器在测量中的输出信号将是一个单值函数，其温度的影响已大大消除。此外，采用多传感器卡尔曼滤波技术和软件容错技术以及分区非线性补偿使传感器之间的交叉干扰大大削弱。关键字：在线粘度测量，单片机，AT89C55WD，BP算法，温度补偿1、引言为了了解物体的性质或者液体的流动性，粘度测量是一种有效的方法。这种方法不必说在石化行业中，甚至在更广泛的食品，印刷，医疗药品，化妆品行业以及在生产过程中的质量控制或在为提高质量和性能的各种研究和发展阶段中一直扮演着重要角色。最近，随着聚合物驱采油技术被广泛应用于石油开采，它已成为公认的用来提高原油采收率（也被称为三次采油）的聚合物驱油的粘度控制方法，也被公认为降低了生产成本的最佳粘度控制方法。如果可以实现实时测量聚合物驱油的流体粘度，这将是利于增加复合粘度的实时控制，同时也有利于经济的发展。因此，在线粘度测量在石油领域的地位比其他因素都要重要。目前，粘度计和开发系统采用诸如旋转粘度或毛细血管粘度测量等最传统的测量类型。然而，人们大量采用离线测量改变了测量环境从而破坏了测量的精度。本文提出了一种基于在线测量流体粘度实验研究的新方法。传感器部分的设计仅在于得到流体粘度和能量的功能表达。在线数据的收集和处理可通过AT89C55WD单片机实现同时在改进电桥电路和BP神经网络算法的基础上实现温度的补偿和校正，最终保证该方法的可行性和测量精度。2、方法旋转粘度计在原则上是一个很好的测量方法，但是它需要多种转子以涵盖广泛的测量范围。一个单转子的测量范围很窄，因此当交换转子的时候测量的连续性受到干扰和破坏。此外，只有在满量程的时候测量精度得以保证，所以在较低的粘度范围内存在测量误差是必然的。在更糟的情况下，可能无法获得准确的粘度。因为在较低和较高的粘度范围测量开始后，随着温度的升高，粘度会有所不同。这是因为在较低的粘度范围中，需要一个较大的转子去检测超过一定水平的转矩。在较高的粘度范围内，由一个大的摩擦力所产生的巨大的动能施加在转子上。因此中等粘度无法实时反映，这对于生产线控制是不利的。毛细管粘度计的原理和结构很简单，但是你要花费大量的注意力在测量操作上。因为他需要相当麻烦的过程以做出准确的测量。例如，清洗毛细管粘度计内部时需要特别留意毛细管。在测量前，你需要使用清洗液如苯做几个超声波清洗然后干燥，接着用用丙酮超声波清洗然后干燥，最后用纯净水清洗然后干燥。温度控制也是很重要的，因为玻璃容易受温度的影响而膨胀或收缩，特别是在较低的粘度范围内，他可能带来严重的测量误差。这样，使测量需要大量的护理和麻烦的过程。此外，你必须事先测量试样的密度。因为该粘度将通过测量结果的计算作为动力学粘度。它也不可能连续输出粘度的数字信号。此外，粘度传感器通过对粘度敏感的剪切声波和/或密度变化[1]-[5]进行描述，然而在现场中这是很难实现的。根据流体力学的知识，当液体在管道中流动，它对目标产生的力固定在管道中心。力包括两个部分：一部分是Fi（惯性力），另一种是Fv（粘性摩擦力）。当流量大时，Fi将起主导作用，其正比于V（流体速度）的平方，ρ（流体密度）和A（目标的正面表面积）[6]。当V改变，Fi也相应改变。当V很小时，目标所受到的力来自于粘性摩擦力即Fv，此时，这个力起主导作用。正如我们所知，只要流体流动，V不能降低到零，因此Fi也不可能将减少到零。然而，可以通过设计目标在某种程度上减小Fi增大Fv。因此，目标与液体接触的侧表面积增大，与此同时A大大减小。图1显示了传感器的配置。其包含三个部分：桥电路，悬臂梁，管式目标。这里的桥电路有四个电阻组成，悬臂梁由合金钢制成以减少液体的侵蚀。采用不锈钢制成的一个空心管，管壁薄，因此大大减少了流体液体的惯性影响。由于管式目标对象的内外表面受到来自液体的粘滞力，当两个力相等，在管式目标表面和流动液体之间的粘性摩擦合力规模最大。根据这种情况确定目标的直径和长度如图1。正如上面的分析，经过反复计算和测试，得出一个结论：当V小的时候，F（目标物体受到的合力）可以通过下面的公式得到：

其中k是有关材料管的相关系数；η称为粘度或粘度系数；λ是涉及到Fi的相关系数。图1传感器的配置这里所提出的公式模型的基本假设是V可测量，η是给出的。在测试中，要测量多组F和V，K和λ通过最小二乘法拟合得到，然后将K和λ代入公式（1）中，因此η可以被确定如公式（2）：通过这种方式，有效粘度是连续在线输出变量，这个变量可以通过单片机只记录F和V直接得到。3、测量系统A、传感器正如我们所知，应变电阻值随温度的变化而变化。考虑温度对电阻的影响，F可以通过电桥电路测量得到。该电路根据前面的电路设计进行了改进，采用了差分放大和温度补偿。图2显示了获得F的电路结构。通过差分放大电路，可以实现温度校正，同时灵敏度系数也大大减小。当管型目标受到力F，这将给电阻带来拉伸应变或压应变。电阻应变和F之间的关系如式（3）：其中ε代表电阻应变，L为应变电阻和F之间的中心距离，b,h分别代表悬臂梁横截面宽度和厚度，E为悬臂梁材料的弹性系数。当悬臂梁受到一个力时，电阻变化率和ε之间的关系如（4）所示：当R和ΔR分别代表电阻值及其变化值，K为代表的应变电阻的灵敏度系数。假设电压U已经给出，则力参数F可以通过测量Uout得到，如图2所示[8]。图2差分放大和补偿电路V可以通过以热平衡原理作为基本原理的热电阻式流速仪测量。热电阻式流速仪测量是设置在流场中测量流体速度的，同时通入一定的电流，经过一段时间后，流体介质和电阻之间的热交换达到平衡状态，这意味着热电阻温度是稳定的。如果速度发生变化，及过一段时间后，流体介质和电阻之间的热交换将达到新的平衡状态，新的温度将被改写。如上所述，将得到流速和温度之间的关系[9]。如考虑现场温度变化范围为0-50度则热电阻值和温度的关系可以视为线性关系[10]。这里，流速和热敏电阻的关系如式（5）：其中I表示热电流，r代表在热平衡状态下的电阻值，r0代表在0度时的电阻值，Tc代表流体温度，a=0.39083r0_1,A、B、n为仪器常数，其可以通过实验确定。B、信号处理粘度测量系统采用AT89C55WD单芯片微处理器。这里的通过三个输入通道的分别是：流速V，外力F和现场温度T。它们的选择是由通道交换机执行。AT89C55WD是发出命令的执行中心，执行中心选择一个通道的开关，从而采集这个类型的信号。每一种模拟信号通过输入电路传输，然后通过通道选择将信号传送到Ａ／Ｄ转换，则信号在这里被转换为数字信号。根据抽样结果和数字设定内容，微处理器进行计算和比较，从而实现信号采集，线性化处理，数字信号处理，信号输出，放大，并与其他仪器连接。为了保证数模转换的精度，选择４位半的数模转换器ICL7135。这里采用其串行的工作方式，这种方式只用了时钟信号线和忙线与微处理器进行连接，从而节省硬件资源。由于粘度在很大程度上取决于温度，温度每变化1摄氏度，粘度就会发生很大的变化（在常温和大气压力下，压力对液体粘度的影响很小，一般情况下可以忽略[11]）。因此，我们需要精确测量和控制温度。这里采用在DS18B20-PAR传感器的基础上实现的温度测量，其自带电源电路，无需外接电源[12]。这种能力对于需要温度遥感或空间受限的应用特别有用。因此可以得到温度变化和粘度之间关系。为了消除环境温度的影响，同时采用基于BP神经网络算法的数据融合方法。他的架构仅由输入，隐藏，输出层的节点数目决定。通过非线性映射行为和BP神经网络能够赶上系统的动态响应[13]。神经网络在加工过程中，首先进行了训练，然后获得各种网络参数。这里对F和T进行测量，并分别传送到电压端UF和UT，转换到单片机中。该系统采用三层BP神经网络，UF和UT为输入，FT为输出，他们中间为隐藏层。图3显示了BP神经网络的结构。图3中i(i=1,2)代表输入层的序列号，j(j=1,2,3,4,5,6)为输出层的序列号，k(k=1)代表隐藏层的序列号，Mij和Mjk分别代表相邻层之间的连接权。在输入层有两个神经细胞在隐藏层有6个神经细胞。在隐藏层的神经细胞输入功能显示在（6）中其中Xi(i=1,2)分别代表UF和UT，Mj为隐层的阈值.由于S型函数可以模拟从环境受到刺激的神经反射，采用S型函数作为输出层节点的函数，如（7）所示：这里是一个在输出层的神经细胞，其输出函数如（8）所示：其中，Hk表示输出层的阈值。图3神经网络结构S型函数也被作为隐层节点的函数，如（9）所示：因此FT是F的单值函数即FT=f(FU),最终F温度的影响被忽略。本文并不表明BP神经网络的详细应用。感兴趣的读者可以参考文献[13]。在数据采集过程中，调查现场的多种因素影响了粘度，而现有的滤波算法并不能检查出传感器的错误数据并将其及时删除。为了解决这个问题，采用多传感器卡尔曼滤波技术，结果使动态信息得到及时处理，提高了精度，同时，简化了信息存储处理和计算。在线性处理过程中，采用分段非线性补偿。将其量程范围分为许多段（在这里划分成10个部分），在每段中相应的系数被用于补偿，因此传感器的线性度增强。软件容错技术被用来进行采集数据的双向校验，并完成错码校正，以减少从错误数据的影响。双向数据的校验检查，大大降低了存储数据的错误率，也激化该系统的抗干扰能力。4、讨论在测试过程中，采用了多种解决方案，η以及ρ不同。解决方案限制在给定的粘度范围内，一般来说聚合物属于流变学类，聚合物粘度变化的影响因素是极其复杂的。因此K和λ的变化规律，也非常复杂。考虑到k和λ的具体变化，需测定多组F和V用来决定k和λ，最后由最小二乘拟合获得真正的函数关系。由于粘度学涉及存储时间，这会导致测量结果不准确的。新方案要定期配置，并保证粘度尽可能接近前者使得接下来的测量可以实现一个小误差。聚丙烯酰胺是广泛用于石油开采中的大多数聚合物之一。为了精确测量PAM的粘度，实验中将用三个粘度：一个低粘度测量和两个更密切跟踪粘度变化的较高粘度读数。所有实验均在常温和大气压力下进行，甘油被采纳为标准的解决方案。为了保证粘度测量的精度，采用包括单点法和稀释法等多种方法。比较甘油的相对测量值和通过多种方法测量的PAM，然后在一定的温度条件下获得PAM解决方案真正的粘度值。在给定温度下，PAM解决方案相应的粘度改变范围为30±5mPa·S，PAM解决方案的实际分析结果如表一所示，其相应的流体粘度范围为30±5mPa·S。从表一中，在一定的范围内测量值和实际值之间保持了很好的一致性，其相对误差不超过±1.5％。表一不仅表明粘度越大，测量值越接近于实际值的趋势，还表明，这种方法更适合测量低速，高粘度流体的粘度。此外，硬件电路的好转发挥了重要作用。表一：测量值与实际值的比较5、结论实验结果证明，这种方法适用于在粘度范围内流动液体的粘度测量并同时保证了测量精度。当粘度超过指定的范围，流体的粘度和力F以及流速之间的函数系数可以通过最小二乘拟合再次获得。只要计算出新的系数返回到系统函数中，就可以根据新的指定范围开展在线粘度测量。这是一个可以适应流体粘度范围的普遍模式。提出的方法的一个关键优势是，他为这些可用于开发的函数提供了可灵活选择的最佳粘度模型。这种方法可以用于在生产线上的粘度测量，而不需要一套更复杂的机械传动。致谢：作者在此感谢袁友琛副教授的帮助，青岛科技大学的范博士的有益讨论，和胜利工程设计咨询的捐赠样品和有益讨论。同时也感谢青岛科技大学电子与自动化工程学院在实验中的帮助。作者还感谢任何匿名审稿中提出的有助于大大提高文章可读性的有益建议。

社会实践报告系别：班级：学号：姓名：作为祖国未来的事业的继承人，我们这些大学生应该及早树立自己的历史责任感，提高自己的社会适应能力。假期的社会实践就是很好的锻炼自己的机会。当下，挣钱早已不是打工的唯一目的，更多的人将其视为参加社会实践、提高自身能力的机会。许多学校也积极鼓励大学生多接触社会、了解社会，一方面可以把学到的理论知识应用到实践中去，提高各方面的能力；另一方面可以积累工作经验对日后的就业大有裨益。进行社会实践，最理想的就是找到与本专业对口单位进行实习，从而提高自己的实战水平，同时可以将课本知识在实践中得到运用，从而更好的指导自己今后的学习。但是作为一名尚未毕业的大学生，由于本身具备的专业知识还十分的有限，所以我选择了打散工作为第一次社会实践的方式。目的在于熟悉社会。就职业本身而言，并无高低贵贱之分，存在即为合理。通过短短几天的打工经历可以让长期处于校园的我们对社会有一种更直观的认识。实践过程：自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，我开始了我这个假期的社会实践-走进天源休闲餐厅。实践，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。在餐厅里,别人一眼就能把我人出是一名正在读书的学生,我问他们为什么,他们总说从我的脸上就能看出来,也许没有经历过社会的人都有我这种不知名遭遇吧!我并没有因为我在他们面前没有经验而退后,我相信我也能做的像他们一样好.我的工作是在那做传菜生,每天9点钟-下午2点再从下午的4点-晚上8:30分上班,虽然时间长了点但,热情而年轻的我并没有丝毫的感到过累,我觉得这是一种激励,明白了人生,感悟了生活,接触了社会,了解了未来.在餐厅里虽然我是以传菜为主,但我不时还要做一些工作以外的事情，有时要做一些清洁的工作，在学校里也许有老师分配说今天做些什么，明天做些什么，但在这里，不一定有人会告诉你这些，你必须自觉地去做，而且要尽自已的努力做到最好，一件工作的效率就会得到别人不同的评价。在学校，只有学习的氛围，毕竟学校是学习的场所，每一个学生都在为取得更高的成绩而努力。而这里是工作的场所，每个人都会为了获得更多的报酬而努力，无论是学习还是工作，都存在着竞争，在竞争中就要不断学习别人先进的地方，也要不断学习别人怎样做人，以提高自已的能力！记得老师曾经说过大学是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生的身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但我得去面对我从未面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校理论学习有一定的差距。在这次实践中，这一点我感受很深。在学校，理论的学习很多，而且是多方面的，几乎是面面俱到；而在实际工作中，可能会遇到书本上没学到的，又可能是书本上的知识一点都用不上的情况。或许工作中运用到的只是很简单的问题，只要套公式似的就能完成一项任务。有时候我会埋怨，实际操作这么简单，但为什么书本上的知识让人学得这么吃力呢？这是社会与学校脱轨了吗？也许老师是正确的，虽然大学生生活不像踏入社会，但是总算是社会的一个部分，这是不可否认的事实。但是有时也要感谢老师孜孜不倦地教导，有些问题有了有课堂上地认真消化，有平时作业作补充，我比一部人具有更高的起点，有了更多的知识层面去应付各种工作上的问题，作为一名大学生，应该懂得与社会上各方面的人交往，处理社会上所发生的各方面的事情，这就意味着大学生要注意到社会实践，社会实践必不可少。毕竟，很快我就不再是一名大学生，而是社会中的一分子，要与社会交流，为社会做贡献。只懂得纸上谈兵是远远不及的，以后的人生旅途是漫长的，为了锻炼自己成为一名合格的、对社会有用的人才.很多在学校读书的人都说宁愿出去工作，不愿在校读书；而已在社会的人都宁愿回校读书。我们上学，学习先进的科学知识，为的都是将来走进社会，献出自己的一份力量，我们应该在今天努力掌握专业知识，明天才能更好地为社会服务。实践心得：虽然这次的实践只有短短的几天，而且从事的是比较简单的服务工作，但是通过与各种各样的人接触，还是让我学会了很多道理。首先是明白了守时的重要性。工作和上学是两种完全不同的概念，上学是不迟到很多时候是因为惧怕老师的责怪，而当你走上了工作岗位，这里更多的是由于自己内心的一种责任。这种责任是我学会客服自己的惰性，准时走上自己的岗位。这对我以后的学习生活也是一种鞭策，时刻牢记自己的责任，并努力加强自己的时间观念。其次让我真实的体会到了合作的重要性。虽然我工作的只是小小的一家餐厅，但是从点单到制作到递送到结帐这一环环的工作都是有分工的，只有这样才能使整家店的工作效率都大大的提高。以前虽然在书上看见过很多的团队合作的例子，但这一次是深刻的体会到了，正所谓“众人拾柴火焰高