多年来,由于受到测验设备的限制,流速场的测定多是采用单点或多点的非同步检测,检测结果经人工整理后再绘制出流速图,这不仅费时费力,且当流速随时间变化时,更得不到真实合理的测量结果。随着电子技术和计算机技术的日益发展,单片计算机这一技术的应用已进入各行各业。为了满足目前国内流速测量的需要,提高测试精度,加快测试速度,我们进行了智能流速仪的研制。该仪器以单片计算机为主处理器,配以LCD显示模块等大规模集成电路和光电转子流速传感器,能够自动完成8个通道流速数据的自动处理,通讯传输和打印。经现场试验表明,该仪器性能可靠,测试精度高,操作简单,体积小,功耗低,适用性广泛,性能价格比高,不失为流速测量中的有效设备。

　　1　设计原理及要点

　　1.1　设计原理

　　旋浆式光电传感器是一种线速度—角度的传感器,旋浆在动水压力作用下产生的转动角速度与此动水的线速度之间有下式关系:

V = Kn + C = K * N/T + C

式中:V—流速;

　　n—旋浆转动的频率;

　　K—传感器的比例系数;

　　C—旋浆的修正值;

　　T—计测旋转转数所用的时间;

　　N—在T时段内的旋浆转数。

　　所以,只要在一定时间内,测到旋浆的转动次数,便可求出相应的流速。

　　1.2　时间修正

由上式可知,在启动计时器闸门的瞬间,旋浆的转动周期恰好来临,以及关闭计时器闸门的瞬间,转动周期恰好结束。即N与T恰好对应,这时,计算出的流速比较精确。但是由于流速仪旋浆的转动是随机的,实际测量中不大可能在启动计时器闸门时,信号有效。通常会出现一个脉冲信号的绝对误差,如图1所示。

 

　　这一信号的误差,从V=K/T•N+C可知。在K值较小,T值又较大时,对流速的影响不大。但实际上,大多数流速传感器的K值范围在(1.2~5.3),测流历时T为5~10 s,这样,一个信号引起流速的误差就存在一定的影响。为了避免计数法在实测中存在的这一固有误差,我们在设计中对测量时间T进行了修正。即从启动计时器闸门始至出现的流速脉冲信号前沿之间的时间为t1,关闭计时器闸门后出现的流速脉冲信号前沿之间的时间为t2。则取测流历时Ts=T-t1+t2。这时,测流历时为流速传感器转动周期的整数倍,消除计数法测流速中的一个信号之差所造成的误差,提高了测量精度。

　　1.3　计数原理

　　通常的计数大都是采用专门的计数电路来完成。八路计数就得用8套计数电路来完成,这显然是不现实的,不仅增加了成本,而且提高了仪器的故障率。我们采用查询8路流速仪传感器电位的方式来进行计算,即将8路流速仪传感器的电位同时一次采入,逐点与上次采入的电位进行比较,查询到电位是从低电平到高电平,则计加一次。流速仪对全通道的测试要完成选通、采样、电位比较,存贮、计数等,完成这么一个循环所需的时间为巡测周期。这个时间的大小是由上述指令的长短以及CPU的速度(机器周期)所决定,只要巡测周期远远小于流速状况下信号脉冲的脉宽,就可保证测计信号的可靠性和准确性。

　　2　硬件设计

　　我们在硬件电路的设计时,本着可行、可靠,能由软件完成的就尽量由软件来替代硬件的原则,为此,仪器的硬件结构简单,这不仅仅是节省了成本开支,更主要的是提高了仪器的可靠性。

 

　　图2为智能流速仪的硬件方框原理图。它由80C31为核心的单片微机*小系统:流速的转数采集电路;数据掉电保护电路;显示和键盘;RS-232串行通信电路;打印机接口等所组成。仪器的测流过程根据设置分为2种:

　　(1)光电旋浆传感器发出光电脉冲信号,经前置整形电路整形为等幅脉冲波,经转数采集接口读入单片机,单片机根据设置的测流命令而不断地读入传感器的信号,并分析、处理,直到测量时间停止,然后进行计算,并将结果存贮、显示、输出打印。

　　(2)单片机在设置的测流时间内,不断地采入传感器的转数,测流时间到后,即将采入的转数传送至单片机Ⅱ内存放(以供计算机随机读入),尔后,又进入下一个测流,周而复始,直到测流结束。

　　2.1　80C31单片微机*小系数

　　智能流速仪的单片微机*小系统由80C31单片机、27C64程序存贮器、74HC373八D锁存器所组成。由于在可能流速的条件下,旋浆叶轮反光面产生脉冲的宽度只有1.2 ms,为了保证仪器对八路传感器巡回扫描一次所用的时间小于1.2 ms,所以,仪器采用了12 MHZ的石英晶体,以提高CPU的工作速度,这时的机器周期为1 us。

　　2.2　数据掉电保护电路

　　由于每路流速传感器的K值和C值均不同,在一段时间内,如果在每路流速仪传感器不变动的前提下,为方便操作,希望将各传感器的K值、C值和设备的测量参数存贮在仪器内,以便下一次测量流速时不需要再重新输入设置。而且,还希望能将测量的结果存贮在仪器内,以便作进一步分析处理。单片机的内部虽有RAM,但容量很小。只有128个字节,无法存贮这么多的参数。所以,仪器需要存贮和掉电保护电路。

　　2.3　点阵液晶显示器

　　作为人机对话的显示器,是反映仪器工作现状的窗口,以往大都采用LED(LCD)笔划式显示器。它只能显示数字和极少量的字符(字符形状也很难看)。随着仪器智能化程度的提高,需要显示的内容更为丰富。点阵式LCD显示器是新一代的显示器。它通过液晶点阵的组合,能显示出大量的字符。我们采用了DMC1601字符式点阵模块,它由点液晶,字符存贮器,点阵驱动器及控制电路构成。通过LCD显示器,完整的显示出仪器工作现状和操作说明,极大地方便操作者的操作。

　　2.4　流速的转数采集电路

　　流速的转数采集电路由图2可知,主要由前置整形、信号监示和采样保持等电路所组成。

　　2.4.1　前置整形和信号监示电路

　　流速仪传感器为光电传感器,光敏管在受到一定的光照强度后,由截止改为导通,由于旋浆的制造工艺和外界杂光的影响,光敏管输出的信号是有真有伪极不规则的,必须加以辨别和整形为等幅的脉冲方波。前置整形电路的输出送到3DG晶体管和LED发光管组成的信号监示电路。通过LED的显示,可知相对应的通道工作情况。

　　2.4.2　转数采集接口

　　对于脉冲信号而言,都存在一个上升时间和下降时间,对该脉冲进行测试,若测试频率比较低,则可不考虑这一因素,但若测试频率比较高,对此上升沿和下降沿必须加以考虑。我们是用软件来查询输入的脉冲信号状态,若采入信号的瞬间恰好处于脉冲信号的上升或下降沿之中,即输入端输入的电位不确定,计算机便不能做出正确的判断。为此,我们采用先对要采入的信号进行锁存、输入信号是“0”还是“1”,由硬件电路来完成,锁存以后,计算机再采入。

　　2.4.3　恒流源电路

　　目前所用的流速仪,大多采用稳压源来提供给传感器发光器件的电能,这样,在改变传感器至仪器之间传输线的长度后,传感器端的电压就会发生变化,从而改变了传感器的信号强度,需要重新调整,特别是对多通道的仪器来说,若每个通道的供电电压都要调整,则仪器的使用不方便。为此,我们不是采用稳压源而是采用恒流源,这样,不管仪器至传感器之间的传输连接如何变动,发光器件的电流是恒定的,从而其发光强度不变,传感器的工作特性就不会发生变化。

　　3　软件设计

　　硬件只是仪器的骨络,而软件则是血肉。所以仪器设计是否卓越,性能如何,除受硬件的影响外,在很大部分取决于软件的设计。鉴于本仪器的关键之处是在设定的时间内,准确地记录出流速仪传感器在水流的冲击下所产生的脉冲数。其次,再根据一些具体的参数,计算出相应的流速。为此,我们在编制软件中,力求测量时准确可靠、性能功能齐全、操作简单。其主要有如下特点:

　　(1)硬件软化:用*精简的硬件结构与面板操作、限度地完成各种输入和输出、数据的采集、处理、存贮和通讯。

　　(2)具有对仪器本身的硬件进行自诊断,增强了对仪器的可信度。

　　(3)整个软件采用模块拼接法,各主要的执行模块独立编写成一个程序库,各模块之间设有软件陷井,并在关键之处,采用指令冗余措施,进一步增强仪器的抗干扰特性。

　　(4)灵活地运用子程序嵌套调用及位处理技术。

　　由此可知,整个软件为主干程序、前期程序、测流程序、后期程序4个部分。

　　3.1　主干程序

　　仪器上电后,首先对80C31的各种功能和存贮器62C64等硬件进行自检,若自检未通过,显示器便显示出“!!! ERROR!!!”(自检报错)等待排除,自检通过便显示出“Welcome use”(欢迎使用),此时,仪器处于等待命令状态,在操作者发布命令后,仪器进入相应的程序模块执行命令。命令执行完后,仪器会显示出“Please next work”(请输入下一步工作命令),仪器又回到等待命令状态。

　　3.2　前期程序

　　所谓前期程序,是指仪器要完成各项任务时应先做的前期工作。就本仪器而言,要完成V=KN/T+C这项任务,必须先将K值、C值、测量时间、测量次数以及测次的间隔时间、传感器的信号比数,模型比尺等参数设置在仪器指定的区域,以便80C31调用。同时,由于仪器具有掉电保护功能,前次预置的各项测验参数仍然保留在仪器内,若本次测验参数与前次一致,则只要对仪器内的参数逐一进行检查,看其是否发生变动,如未发生变动,则不用重新输入,所以,前期程序为预置和检查这些参数的子程序。

　　3.3　测流程序

　　从设计原理中可知,在对测量时间进行修正以后,测流的关键取决于计时和计数软件的准确性和可靠性。该部分所做的工作主要有:

　　(1)测流期间,显示器以“work in *”显示出当前的测次,以使操作人员知道仪器当前工作的情况。

　　(2)采集输入信号之前,先将输入信号进行保持,以免采入信号过渡期的电平信号;采集输入信号之后,释放输入端口,为下一次采集做好准备。

　　(3)准确地判断输入信号的真伪,真信号为2个条件:不仅信号电平发生变化,且信号电平是从“0”跳变为“1”。只有真信号,计数器才计加一次。

　　(4)各个测流通道均从启动测流的瞬时即计时闸门打开后开始,到收到个真信号的瞬间止为t1,并存放到相对应的存贮区。

　　(5)在每次测流结束后,公式Ts=T+t2-t1计算出各通道本次测流的实际时间。

　　(6)在规定的测量次数结束以后,按公式V=K•N/T+C计算出每次各通道的流速、运算误差<0.1%。

　　(7)与计算机的串口通讯,采用全双工的通讯方式,主动权在计算机方。首先由计算机发出呼叫号、仪器采用中断方式,接收到呼叫号、判断该呼叫号是否呼叫本机通道,是则将本机通道采入的转数送出,否则退出。

　　3.4　后期程序

　　所谓后期程序,即测流以后的一些工作。主要为测流结果的显示、打印、原型流速的计算等。

　　3.4.1　显示模块

　　在测流结束后,测流的结果一是可采用打印输出的方式,另外,就是通过显示器来逐点显示,以便笔记。由于显示器采用的是16位点阵式液晶显示器,从而可同时显示出某个通道某一次的转数和流速。显示的格式为#:Nn=ⅹⅹⅹ　V=ⅹⅹ.ⅹⅹ(#为流速仪道号1~8;n为测次序号;N为转数;V为流速。)

　　在显示模块中,通过(↑)上升键,(↓)下降键,(*)测次/通道转换键,可随意选择显示某通道中某一次的转数和流速。

　　3.4.2　打印输出模块

　　TPUP-T16打印机,一行可打印16个字符,恰好与显示的格式相一致。程序比较简单,只要按顺序将通道号、测次号以及对应的测量结果送入打印机即可。

　　3.4.3　原型流速显示模块

　　在试验中,有时需要将测到的模型流速以原型流速表现出来,以便直观,可及时验证模型参数,为此在仪器内设置有原型流速显示模块。该流速仪为八路低功耗智能流速仪,具有同步采集和自动处理、显示功能,并能根据被采信号对采集时间自动进行修正,进一步提高测试结果的精度。该仪器除用于流速测量外,还可作为低频的通用计数器和频率计用于其他场合,且该仪器若外接V/F转换器,也可用于模拟量的数据采集。

 

原创作者：江苏通达仪表有限公司