基于單片機的散體流量計的設計與開發

現有的固體測試技術還沒有氣、液兩相深入和完善，尤其針對單一散狀固體的動態測試技術還存在流動性等瓶頸問題。應用中對于科里奧利質量流量計的研究也較多，但通過查詢國內外的研究成果來看，也僅應用于氣、液兩相流。國內比如2012年浙江大學王立軍和胡亮研究的工業用科里奧利質量流量計，2013年北京航空航天大學鄭德志對DN1型科氏力流量傳感器做了仿真研究;國外比如2011年日本岡山大學Masahiro Kazahaya，在科里奧利質量流量計基礎上建立一個數學模型進行誤差分析，2012年荷蘭特文特大學對微科氏質量流量傳感器進行了優化研究。利用單片機結合微計算技術與測量技術，組成智能化的測量儀表，可以解決許多傳統儀表不易完成的難題，同時可以簡化儀表電路、提高可靠性、加快新產品開發速度。比如2014年海軍潛艇學院的王宗亮，設計了一種V型氣體流量計，利用單片機對氣體的溫度、壓差和壓力進行測量與換算后顯示氣體的流量。本文研究的散體流量計亦是基于單片機(SCM)技術，實現散狀固體的在線測量，可以為后續應用中的流量大小控制提供基礎，設計重點從傳統模擬設計思路轉向單片機模塊化、單片機程序智能化開發和低功耗等設計的新思路。

1 流量計的總體結構與工作原理

流量計主要以科氏力散體流量測量機構、轉矩傳感器、轉速傳感器和電動機為主要硬件的檢測系統，如圖1。當圖1中測量機構的應變電橋電路檢測到間接的流量信號，傳輸給集成放大器，然后將微弱電壓信號放大，再經A/D轉換，最后由單片機完成數據處理、計算，最后用數碼管顯示。

2 流量計硬件系統的設計

散體微粒在以某角速度轉動的圓盤中除受到離心力及摩擦力外，還有垂直于其運動方向的科氏力，實際中要測量該力的反力矩，即為作用于驅動軸的力矩M為：

式中為測盤受力矩，Q為散體流量，ω為測盤角速度，r1、r2為葉片內半徑、外半徑。由式(1)可知，M與Q成正比。散體流量計的硬件系統主要由科氏力散體流量測量機構、電動機、轉矩傳感器、轉速傳感器等組成。散體流量測量機構主要由傳動軸、導流錐和測輪3個核心零件組成，下面分別計算與設計它們的尺寸。

2.1 科氏力散體流量測量機構

1)軸的設計。設計中假定轉動軸需要承受16 000 N·mm的額定轉矩，材料選用40，且傳動軸只受扭矩。按照扭轉強度條件來計算，驗證轉軸直徑是否滿足強度條件：

式中：τmax為轉軸最大剪應力，WP為抗扭截面模量，T為軸所受最大轉矩，D為實心轉軸直徑。由機械設計手冊，軸的許用扭轉剪應力為35～55 MPa，這里選較小值[τ]=34 Mpa，由(3)式得軸徑大小約為13.3 mm，取20 mm。軸右端開有鍵槽，與電動機相連，軸徑D：

2)測輪的設計。利用測輪受到散體顆粒的科氏反力矩來間接計算散體流量，它的尺寸如圖2所示，其中1是導向葉片、2是轉向裝置、3是驅動軸。

3)導流錐的設計。錐形導流體利用內螺紋與軸相連，在導流錐上部打了一個橫向圓形通空，利用桿柱控制導流錐，如圖3。

2.2 轉矩的測量

軸轉矩的測量采用應變型轉矩傳感器，將被測轉矩傳遞到彈性元件上，根據其物理參數變化來測量轉矩。在扭矩軸上，應變片組成差動全橋，要求輸出電壓正比于扭轉軸所受的矩：

式中，U0為電橋輸出電壓，u為電源電壓，k為應變片靈敏系數，μ為泊松系數，E為彈性模量，Wn為抗扭截面模量，M為所受扭矩。由已知k=2，u=5v，Wn=7.85x10-7。查表得：μ=0.28，E=210x109pa當Mmax=16Nm時，U0≈1.25x10-3v，在應變允許范圍內得：

2.3 轉速傳感器的選用

選用SZGB-6型光電轉速傳感器，它具有測量距離長、不受光線干擾，輸出電平適應性好，能與各種數字顯示儀配套和接口電路聯接。光源光束照射到光敏元件上，接收反射回來的光束，被測器件連續旋轉，每旋轉一周光束掃過光敏元件一次，光敏元件就會產生一次脈沖信號，記錄脈沖信號的頻率或周期，就可計算回轉軸的轉速。

2.4 電機的選用

由前面知機構工作最大轉矩為16 N·m，最大轉速設為1 250 r/min，求得電動機所輸出功率為2.15 kW。綜合發熱、過載和啟動等因素，根據電動機輸出功率選用YCT160 —4B變頻電動機。

2.5 總體裝配結構

硬件還需要散體物料的進料、出料等配套裝置，圖4為該流量計的三維效果。

3 流量計信號接收與顯示系統的設計

流量計后續的信號接收與顯示系統主要由A/D轉換器、整流放大器、單片機、數碼二極顯像管和軟件部分等組成。單片機是系統核心，選用單片機AT89C51作為主控制器，它完成信號采集、計算和顯示的協調工作。

3.1 放大電路

整流放大選用AD624芯片，由系統中直流電橋輸出0～1.25 mV的信號，信號處理板輸入端為0～5 V的信號，放大倍數設為4 000倍。如果采用芯片內預設置增益，其放大倍數不在內設增益檔位，須通過外部電阻器設定增益值，其阻值RG=40 kΩ/(G-1)，當放大器增益G為4 000，RG≈10 Ω。為達到良好效果，在腳3與16之間連接低溫度系數精密電阻器RG。

3.2 A/D轉換

選用偉福單片機的ADC0809，電位器提供模擬量輸入，編制A/D轉換程序，模擬量轉換為二進制數字量后.通過P1口輸出到LED發光二極管顯示。由于0809芯片沒有片選信號輸入端，因此必須通過時序分析。編寫并執行程序，旋動實驗系統上的電位器，觀察LED狀態變化。在正常工作中，ADC0809的分辨率為5 v/(256-1)，這里即為19.6 mv。當傳感器承受16 N·m的載荷，放大器輸出為5 V，對應載荷為16 N·m/5 000 mV=0.003 2 N·m/Mv，ADC0809的分辨能力為19.6 mV×0.003 2 N·m/mV=0.062 72 N·m。

3.3 數碼管顯示

該顯示電路以AT89C51為核心，外接一個鎖存器SN74LS373N，再并聯一排電阻，最后與數碼管相連。A/D轉換后的測量數據，先濾波及軟件補償，然后轉換為BCD碼送到操作面板在線顯示。圖5所示為由單片機系統組建的4位LED動態顯示電路。

4 測量系統應用程序的開發與仿真

通過Proteus畫原理圖;在Keil uVision軟件編寫程序，運行程序，實現測量功能。這里選用Keil Cx51語言編譯器，通過uVision3開發平臺編寫應用程序。測量系統的應用程序包括主程序模塊、顯示模塊、外部中斷模塊等，流程如下圖6所示。在主程序中首先對系統初始化，同時組織調用各子程序，按預定要求完成控制功能;顯示模塊，對所測的流量值進行顯示;外部中斷模塊，要響應單片機的外部中斷INT1，在系統運行過程中，經接收檢測電路產生外中斷信號傳至單片機。軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應的仿真模型，用開發板和仿真器是比較好選擇。這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節的現象。

5 流量計的測試與數據分析

前面從理論上推導了轉矩與電信號之間的關系，由上式(1)和式(5)得：

這就得到了流量與電信號之間的正比關系。其中，是轉速傳感器所測得的實際轉速，r為測輪半徑0.2 m。電動機的轉速n=1 000 r/min，即有Q=3.056x103U0，當最大扭力矩為16 N·m時，Q=3.82 kg/s。在實驗中，以Q=GL/ωr2為儀表輸入的真值，所得實驗數據如下表1所示。在上面的實驗中看到，小于0.10 N·m的力矩無實際應用意義，流量計不能有效測量。表2中測量值與流量真值之間的差值即為測量誤差，取0.2～16 N·m量程范圍內63個數值進行整理得誤差樣本均值和樣本方差值。表1中的數據為流量計測量誤差總體的一個樣本，測量誤差X在設計量程范圍內滿足要求。

6 結論

研究開發的散體流量計已達到預期目標和設計要求，其誤差除個別值外均處于2%以下，測量精度的一致性較好，特別是流量較大時精度較高，對于直徑較小的散體能夠實現高精度的實時測量;由于散體物料與測輪間的摩擦或散體間的摩擦對測量幾乎沒有影響，抗外界干擾能力強，測量精度比較高，尤其是短期精度在10 s內精度可達1%以內，具有良好的介質動態適應性;它的運動部件結構簡單，具有使用方便、日常維護工作量小等優點，在工業控制、能源計量和糧食生產等行業中有廣泛應用價值。