便携式汽轮机汽道宽度测量系统设计

丁彦芳，杨 欣

(1.郑州科技学院信息工程学院,河南郑州 450064；2.郑州大学信息工程学院,河南郑州 450001)

0 引言

叶片是汽轮机的主要零部件之一，叶片上的汽道决定着汽轮机的发电功率。叶片的设计日益复杂且精度要求也越来越高，为了确保汽轮机安全可靠的运行，对汽轮机汽道的测量必不可少[1]。传统的汽道测量方法是利用钢制梯形斜尺来进行测量，此种方法不仅测量精度低、误差大而且耗时费力，因此本文设计了一种便携式汽轮机汽道宽度测量系统，该系统将嵌入式技术和集成传感器技术结合，利用位移传感器检测汽轮机的汽道，将采集到的数据利用液晶屏实时显示，该系统具有体积小、便携带以及智能化程度高等优点[2]。

1 系统总体设计

系统主要由微型位移传感器、汽道数据采集装置、LCD显示屏等组成[3]。将位移传感器放置在汽轮机的叶片上，利用其检测叶片间汽道的宽度，传感器将检测到的汽道的宽度值转换为电压信号，再利用信号调理电路对信号进行滤波放大处理，利用A/D采样芯片对传感器输出的信号进行模数转换，计算得到汽轮机的汽道宽度。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

系统硬件电路主要包括位移传感器数据采集电路、数据处理电路、数据传输电路以及LCD显示电路等[4]。当按下外部按键启动系统时，系统开始采集汽轮机的汽道宽度数据，传感器将检测到的宽度值转换为相应的电压量输出，利用A/D转换芯对电压信号进行模数转换，计算得到相应的汽道宽度值。该系统具有体积小、便携式的优点，系统采用独立的锂电池供电，通过外接LCD屏实时显示测得的数据，可通过预留的串口将数据发送到上位机中显示，硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 电位器式位移传感器工作原理

电位器式传感器测量位移的原理是：当旋转电位器或滑动滑线变阻器的滑动臂时，其输出的阻值就会变化，利用电阻分压的方法就可以将电阻的变化转换为电压的变化[5-6]。电位器式位移传感器位移-电压转换原理图如图3所示。

图3 电位器式位移传感器位移-电压转换原理图

设传感器中电阻体的长度为L，电阻阻值为R，x为位移量，两端的输出电压为U1，则滑动端的输出电压U为

(1)

由式(1)可知，电位器式位移传感器可将测得的位移量转换为相应的电压量输出。本文选用的位移传感器的型号为KTR，该型传感器的电阻值为1 kΩ，量程为0～15 mm，传感器的线性度为±0.05%，采用5 V供电。

2.2 数据采集电路

由于传感器输出的模拟电压信号比较微弱且夹杂着噪声信号，此信号并不能直接送入A/D转换器中进行模数转换，必须先进行滤波放大[7]。系统选用低噪声、低温漂高精度的运算放大器AD8610实现微弱电信号的放大，再利用运算放大器AD817组成的二阶低通滤波电路滤除信号的高频干扰信号后再送入A/D转换器中，计算得到汽轮机的汽道宽度值。数据采集硬件电路图如图4所示。

图4 数据采集电路图

2.3 A/D转换电路

系统选用16位高精度A/D转换器AD7606。AD7606具有8路模拟信号采样通道，采样频率最高可达200 kHz，采用5 V供电[8]。AD7606还具有丰富的数据接口，可以通过SPI或FSMC接口与单片机实现数据通讯，CONVSTA引脚置高表示正在进行A/D转换，转换完成后BUSY引脚置高。A/D采样电路图如图5所示。

图5 A/D转换电路图

AD7606通过SPI接口与TM4C129进行数据交互，将采集到的数据发送到TM4C129内部进行处理，将数据发送到LCD屏上实时显示。

2.4 系统供电电路

系统的供电采用便携式的锂离子电池[9]。系统选用的锂离子电池具有可循环充电使用的优点，其具有9 V的电压输出。系统需要用到3.3 V和5 V两种直流电。3.3 V主要是给单片机供电，而5 V主要是给运算放大器以及A/D转换芯片供电。锂离子输出的9 V电压经过电源转换芯片TPS7350后转换为系统所需的5 V电压，该电源芯片的输出电流高达800 mA，满足系统的使用要求。而单片机供电所需的3.3 V是由稳压芯片AMS1117-3.3V转换得到，其具有低压降以及高达500 mA持续输出的优点。系统供电电路如图6所示。

图6 系统供电电路图

2.5 数据传输电路

为了便于将系统采集到的数据发送到上位机进行深度分析和处理，系统预留RS232通讯接口电路。由于RS232电平和TTL电平不兼容，因此用到了电平转换芯片MAX232。RS232通讯电路如图7所示。

图7 RS232通讯电路

2.6 LCD显示电路

系统通过外接2.4英寸(1英寸=2.54 cm)的LCD屏来实时显示测量结果。该屏幕采用I2C接口与单片机进行通信，采用3.3 V供电，分辨率达128×64，LCD显示电路如图8所示。

图8 LCD显示电路

3 软件设计

软件设计主要包括外部按键输入程序、启动A/D转换程序、汽道值计算程序、数据传输程序以及LCD显示程序等。系统上电后先进行单片机复位，LCD屏上显示Ready指令，当接收到外部输入指令后，系统开始启动测量，采集的数据通过A/D转换后发送到单片机中进行计算处理，然后将计算结果发送到LCD屏上实时显示。软件流程图如图9所示。

图9 软件流程图

4 实验数据分析

完成系统的软硬件设计后，开始对系统进行性能测试，主要测试系统的重复性以及数据采集的准确性。先进行重复性测试，在测量时先选定系统的量程，量程为15.000 mm。选用高精度的坐标测量机来验证系统位移测量的重复性。测量过程中使坐标测量机的滑轨来回移动，每次都停留在相同的位置，即坐标测量机输出同一数值。当坐标测量机分别输出4.768 mm、6.881 mm、12.651 mm固定不变时，记录此时系统LCD显示屏输出的数值是否也保持不变。数据记录如表1、表2、表3所示。

表1 坐标测量机固定读数为4.768 mm时的数据表

表2 坐标测量机固定读数为6.881 mm时的数据表

表3 坐标测量机固定读数为12.651 mm时的数据表

由上述3组测试数据可知，当坐标测量机的读数不变时，系统LCD显示上的读数也保持不变，因此系统的重复性误差为零，系统具有良好的重复性。验证完系统的重复性性能之后，开始验证系统测量的精度。利用标准试件作为测试对象，先利用千分尺测量标准试件的长度，再利用系统的位移传感器来检测试件的长度，将系统测得的值与千分尺测得的值做标记，来验证系统的检测精度，测试数据如表4所示。

表4 实验对比测试

由表4可知，系统测得数据值与千分尺测得数据基本保持一致，绝对误差小于0.05 mm，且相对误差小于2%，由此可见，系统具有良好的精度，可准确测量汽轮机叶片汽道的宽度值。

5 结束语

为了解决传统汽轮机汽道宽度测量存在的一些弊端，本文设计了一种便携式汽轮机汽道宽度测量系统。该系统将嵌入式技术与微传感器技术结合，利用电位器式位移传感器将汽轮机汽道的宽度值转换为相应的电信号输出，采用高精度16位A/D转换芯片实现数据的高速采样，利用相关算法计算得到汽轮机汽道的宽度值，将宽度值发送到LCD显示屏上实时显示。除此之外，系统还预留RS232通讯接口，可将数据发送到上位机中。实际测试结果表明，系统能有效检测汽轮机叶片汽道的宽度值，且检测绝对误差小于0.05 mm。