基于单片机的散体流量计的设计与开发

郭琳

（商洛学院 陕西 商洛 726000）

现有的固体测试技术还没有气、液两相深入和完善，尤其针对单一散状固体的动态测试技术还存在流动性等瓶颈问题[1]。应用中对于科里奥利质量流量计的研究也较多，但通过查询国内外的研究成果来看，也仅应用于气、液两相流。国内比如2012年浙江大学王立军和胡亮研究的工业用科里奥利质量流量计[2]，2013年北京航空航天大学郑德志对DN1型科氏力流量传感器做了仿真研究[3]；国外比如2011年日本冈山大学Masahiro Kazahaya，在科里奥利质量流量计基础上建立一个数学模型进行误差分析[4]，2012年荷兰特文特大学对微科氏质量流量传感器进行了优化研究[5]。利用单片机结合微计算技术与测量技术，组成智能化的测量仪表，可以解决许多传统仪表不易完成的难题，同时可以简化仪表电路、提高可靠性、加快新产品开发速度。比如2014年海军潜艇学院的王宗亮，设计了一种V型气体流量计，利用单片机对气体的温度、压差和压力进行测量与换算后显示气体的流量[6]。本文研究的散体流量计亦是基于单片机（SCM）技术，实现散状固体的在线测量，可以为后续应用中的流量大小控制提供基础，设计重点从传统模拟设计思路转向单片机模块化、单片机程序智能化开发和低功耗等设计的新思路。

1 流量计的总体结构与工作原理

流量计主要以科氏力散体流量测量机构、转矩传感器、转速传感器和电动机为主要硬件的检测系统，如图1。当图1中测量机构的应变电桥电路检测到间接的流量信号，传输给集成放大器，然后将微弱电压信号放大，再经A/D转换，最后由单片机完成数据处理、计算，最后用数码管显示。

2 流量计硬件系统的设计

图1 流量测试系统Fig.1 Flow measurement system

散体微粒在以某角速度转动的圆盘中除受到离心力及摩擦力外，还有垂直于其运动方向的科氏力，实际中要测量该力的反力矩，即为作用于驱动轴的力矩M为：

式中为测盘受力矩，Q为散体流量，ω为测盘角速度，r1、r2为叶片内半径、外半径。由式（1）可知，M与Q成正比。散体流量计的硬件系统主要由科氏力散体流量测量机构、电动机、转矩传感器、转速传感器等组成。散体流量测量机构主要由传动轴、导流锥和测轮3个核心零件组成，下面分别计算与设计它们的尺寸。

2.1 科氏力散体流量测量机构

1）轴的设计。设计中假定转动轴需要承受16 000 N·mm的额定转矩，材料选用40，且传动轴只受扭矩。按照扭转强度条件来计算，验证转轴直径是否满足强度条件：

式中：τmax为转轴最大剪应力，WP为抗扭截面模量，T为轴所受最大转矩，D为实心转轴直径。由机械设计手册，轴的许用扭转剪应力为 35～55 MPa，这里选较小值[τ]=34 Mpa，由（3）式得轴径大小约为13.3 mm，取 20 mm。轴右端开有键槽，与电动机相连，轴径D：

2）测轮的设计。利用测轮受到散体颗粒的科氏反力矩来间接计算散体流量，它的尺寸如图2所示，其中1是导向叶片、2是转向装置、3是驱动轴。

图2 测轮的设计Fig.2 The design of masurement disc

3）导流锥的设计。锥形导流体利用内螺纹与轴相连，在导流锥上部打了一个横向圆形通空，利用杆柱控制导流锥，如图3。

图3 导流锥的设计Fig.3 The design of diversion cone

2.2 转矩的测量

轴转矩的测量采用应变型转矩传感器，将被测转矩传递到弹性元件上，根据其物理参数变化来测量转矩。在扭矩轴上，应变片组成差动全桥，要求输出电压正比于扭转轴所受的矩：

式中，U0为电桥输出电压，u为电源电压，k为应变片灵敏系数，μ为泊松系数，E为弹性模量，Wn为抗扭截面模量，M 为所受扭矩。 由已知 k=2，u=5v，Wn=7.85×10-7。 查表得：μ=0.28，E=210×109Pa 当 Mmax=16Nm 时，U0≈1.25×10-3v， 在应变允许范围内得：

2.3 转速传感器的选用

选用SZGB-6型光电转速传感器，它具有测量距离长、不受光线干扰，输出电平适应性好，能与各种数字显示仪配套和接口电路联接。光源光束照射到光敏元件上，接收反射回来的光束，被测器件连续旋转，每旋转一周光束扫过光敏元件一次，光敏元件就会产生一次脉冲信号，记录脉冲信号的频率或周期，就可计算回转轴的转速。

2.4 电机的选用

由前面知机构工作最大转矩为16 N·m，最大转速设为1 250 r/min，求得电动机所输出功率为2.15 kW。综合发热、过载和启动等因素，根据电动机输出功率选用YCT160-4B变频电动机。

2.5 总体装配结构

硬件还需要散体物料的进料、出料等配套装置，图4为该流量计的三维效果。

3 流量计信号接收与显示系统的设计

流量计后续的信号接收与显示系统主要由A/D转换器、整流放大器、单片机、数码二极显像管和软件部分等组成。单片机是系统核心，选用单片机AT89C51作为主控制器，它完成信号采集、计算和显示的协调工作。

图4 流量计三维模拟图Fig.4 The flowmeter of 3D effect drawing

3.1 放大电路

整流放大选用AD624芯片，由系统中直流电桥输出0～1.25 mV的信号，信号处理板输入端为 0～5 V的信号，放大倍数设为4 000倍。如果采用芯片内预设置增益，其放大倍数不在内设增益档位，须通过外部电阻器设定增益值，其阻值RG=40 kΩ/（G－1），当放大器增益 G 为 4 000，RG≈10 Ω。 为达到良好效果，在脚3与16之间连接低温度系数精密电阻器RG。

3.2 A/D转换

选用伟福单片机的ADC0809，电位器提供模拟量输入，编制A/D转换程序，模拟量转换为二进制数字量后，通过P1口输出到LED发光二极管显示。由于0809芯片没有片选信号输入端，因此必须通过时序分析。编写并执行程序，旋动实验系统上的电位器，观察LED状态变化。在正常工作中，ADC0809 的分辨率为 5 v/（256－1），这里即为 19.6 mv。 当传感器承受16 N·m的载荷，放大器输出为5 V，对应载荷为16 N·m/5 000 mV=0.003 2 N·m/Mv，ADC0809 的分辨能力为19.6 mV×0.003 2 N·m/mV=0.062 72 N·m。

3.3 数码管显示

该显示电路以AT89C51为核心，外接一个锁存器SN74LS373N，再并联一排电阻，最后与数码管相连。A/D转换后的测量数据，先滤波及软件补偿，然后转换为BCD码送到操作面板在线显示。图5所示为由单片机系统组建的4位LED动态显示电路。

图5 LED显示电路Fig.5 Dynamic LED display circuit

4 测量系统应用程序的开发与仿真

通过Proteus画原理图；在Keil uVision软件编写程序，运行程序，实现测量功能。这里选用Keil Cx51语言编译器，通过uVision3开发平台编写应用程序。测量系统的应用程序包括主程序模块、显示模块、外部中断模块等，流程如下图6所示。在主程序中首先对系统初始化，同时组织调用各子程序，按预定要求完成控制功能；显示模块，对所测的流量值进行显示；外部中断模块，要响应单片机的外部中断INT1，在系统运行过程中，经接收检测电路产生外中断信号传至单片机。软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器是比较好选择。这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的现象。

图6 程序流程图Fig.6 Flow chart of program

5 流量计的测试与数据分析

前面从理论上推导了转矩与电信号之间的关系，由上式（1）和式（5）得：

这就得到了流量与电信号之间的正比关系。其中，是转速传感器所测得的实际转速，r为测轮半径0.2 m。电动机的转速 n=1 000 r/min，即有Q=3.056×103U0，当最大扭力矩为16 N·m 时，Q=3.82 kg/s。 在实验中，以 Q=GL/ω r2为仪表输入的真值，所得实验数据如下表2所示。在上面的实验中看到，小于0.10 N·m的力矩无实际应用意义，流量计不能有效测量。表2中测量值与流量真值之间的差值即为测量误差，取0.2～16 N·m量程范围内63个数值进行整理得误差样本均值和样本方差值。表1中的数据为流量计测量误差总体的一个样本，测量误差X在设计量程范围内满足要求。

6 结 论

研究开发的散体流量计已达到预期目标和设计要求，其误差除个别值外均处于2%以下，测量精度的一致性较好，特别是流量较大时精度较高，对于直径较小的散体能够实现高精度的实时测量；由于散体物料与测轮间的摩擦或散体间的摩擦对测量几乎没有影响，抗外界干扰能力强，测量精度比较高，尤其是短期精度在10 s内精度可达1%以内，具有良好的介质动态适应性；它的运动部件结构简单，具有使用方便、日常维护工作量小等优点，在工业控制、能源计量和粮食生产等行业中有广泛应用价值。

表1 实验数据与分析（200℃）Tab.1 Experimental data and analyze（20℃）

[1]章世秀，丁永前.固体颗粒料质量流量测量技术现状分析及设想[J].中国农机化，2004（5）:52－53.ZHANG Shi-xiu，DING Yong-qian.Analysis and several advices on present situation of solid mass flow measurement technology[J].Chinese Agricultural Mechanization，2004（5）:52－53.

[2]WANG Li-jun，HU Liang，LEE K M.Analytical magnetic field and driving force models based on measured boundary conditions for industrial coriolis mass flowmeters[J].IEEE Transactions on Industrial Electrionics，2012，59（12）:4753－4760.

[3]ZHENG De-zhi，LIU Bei.Analysis of the sensitivity of DN1 coriolis mass flow sensor[J].The 11th IEEE International Conference on Electronic Measurement&Instruments，2013:379－384.

[4]Masahiro Kazahaya.A Mathematical Model and Error Analysis of Coriolis Mass Flowmeters[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（4）:1163－1174.

[5]Groenesteijna J，Lammerink T S J，Wiegerink R J，et al.Optimization of a micro Coriolis mass flow sensor using Lorentz force actuation[J].Sensors and Actuators A，2012（186）:48－53.

[6]王宗亮，徐杭田，杨占录.基于AVR单片机的便携式气体流量计设计与应用[J].自动化与仪表，2014（1）:23－26.WANG Zong-liang，XU Hang-tian，YANG Zhan-lu.Design and application of portable gas flowmeter based on AVR SCM[J].Automation ＆ Instrumentation，2014（1）:23－26.