一種旋漿式流速傳感器率定系統的設計

曾瑄，涂振宇

（南昌工程學院 機械與電氣工程學院，江西 南昌 330099）

一種旋漿式流速傳感器率定系統的設計

曾瑄，涂振宇

（南昌工程學院 機械與電氣工程學院，江西 南昌 330099）

設計一種以單片機為主控單元的智能化低流速傳感器率定系統.該系統通過單片機控制測量車在水槽上的行進來實現對流速的標定，可同時自動率定8支旋槳式流速傳感器，從而提高低流速測定的準確性，使流速的測定誤差小于1%.

流速儀；傳感器；單片機；率定系統

水工模型測量的準確性關系到水利工程的質量與安全.微型旋漿式流速儀在低流速的水工模型測量領域被廣泛使用，分析這種流速儀的產生誤差的原因，主要就在旋槳傳感器.要保證準確地測量，就應該定期對旋槳傳感器進行標定.傳統的比托管測定法既費時又耗電，而且精度較低，滿足不了現代測量的需要.本文設計一種由單片機為主控單元的智能化低流速傳感器率定系統，克服了傳統方法的諸多缺點，具有較明顯的實用價值.

1 總體方案

運用單片計算機技術，以玻璃水槽的水為靜水，跑車為勻速運動，速度范圍為2～200cm·s－1，一次率定8支流速儀傳感器.具體有如下6個方面的要求：1）采用步進電機控制速度，以達到勻速運動，運行速度以4位數碼顯示；2）一次可率定8支流速傳感器；3）運行的距離總長度為17m，分布為3個區段（勻加速、勻速、勻減速），區段分界點布置金屬標識；4）運行的方向由手動控制；5）為防止跑車出軌，兩端設斷電保護；6）開始運行由遙控器點擊，并且由蜂鳴器報告運行情況.

在一個長18m，寬1m的玻璃水槽上，平行固定2條等長的鋼軌.跑車工作狀態圖，如圖1所示.設置2個變速工作區和1個勻速工作區，變速工作區的長度為3.5m，勻速工作區的長度為10m.在區間分界點設置金屬標識，跑車上裝接近開關K，當K接近界標時，跑車自動轉換成相應的工作狀況［1］.

在設置好跑車速度后，由遙控器點擊開始，跑車里的蜂鳴器發出聲響，跑車開始啟動，并根據所設定的速度計算出加速值而勻加速；在進入勻速段前，逐步勻加速到設定的速度，在經過勻加速和勻速區段分界點的接近開關時，蜂鳴器發出聲響，跑車進入勻速段，此時，流速計數器開始測計轉數.在經過勻速和勻減速區段分界點的接近開關時，蜂鳴器又發出聲響，流速計數器停止測計轉數，跑車進入勻減速段，并且在勻減速段將跑車的速度減至到零，工作結束.

圖1 跑車工作狀態圖Fig.1 Work status of sports car

2 設計原理

2.1 跑車部分

2.1.1 電機和機械部分 由于跑車的速度要求勻速，而異步電機的速度難以控制.步進電機具有精確步進和定位，只要輸出恒定的頻率，步進電機就能以給定的速度前進.因此，所選配BQH－300型步進電機驅動器采用高壓恒流斬波方式驅動，具有高頻特性好、輸出轉距大、功耗較低、運行平穩、噪音小等特點，且其內部設有過流和短路保護電路，提高了電機使用的安全性［2］.然而，當電機處于暫停狀態時，電機的一相或二相繞組始終不能斷電，容易使電機燒壞，所以采用了MOC3041雙相晶閘管（內含過零檢測電路）作為交流負載隔離器.

圖2為步進電機驅動器控制電路.由P1.4決定電機是否得電，這樣既保護了電機，又降低了電路的能耗.為減少磨損和噪音，車輪采用鑄鐵輪，滾動部分采用含油軸承.

圖2 步進電機驅動器控制電路Fig.2 Control circuit of the stepper motor driver

2.1.2 控制部分 由于跑車路程是開環運行，跑車需要來回運行，方向的控制需要十分可靠，否則將會發生跑車出軌事故.采用硬件和軟件同時控制，意在提高可靠性.圖3為方向控制電路.從圖3可知：運行方向開關的狀況采用雙保險分二路讀入［3］，并與上一次的運行方向開關狀況進行比較，發現不一致則啟動跑車；若一致，控制器則自動輸入與上一次的運行方向相反的命令，再啟動跑車.

加速區和減速區的長度主要由電機的變速率決定，勻速區由流速儀傳感器率定工作區，長度由鋼軌和工作場地所決定，長度長則率定流速范圍大.工作場地為17m，勻速區有10m，若率定時間100s，最大流速是100cm·s－1，若將率定時間縮短為50s，則率定流速可加大.

勻速區、加速區、減速區間分界點設置一金屬標識，跑車上裝一電感式接近開關K，當金屬物體接近此作用表面時，產生開關信號，從而起到“開”、“關”的控制作用，速度控制電路如圖4所示.從圖4可知：當開關K接近金屬標識時，輸出信號經光電耦合器傳送給反相器，觸發D觸發器74LS74，ˉQ端輸出一低電平，申請中斷［4］，控制器根據中斷的次數，可以知道跑車運行在何區間.

圖3 方向控制電路Fig.3 Circuit of direction control

率定系統的測量精度很大部分取決于運行速度的精度.雖然采用了步進電機，但仍然需要考慮其他因素，如機械傳動部分的誤差等.速度的常數是儲存在存儲器里，在每次使用前，系統首先檢查速度常數是否正常，以免執行錯誤的速度常數；同時，將運行的速度在面板上顯示出來，供操作者檢查.

2.2 計數部分

在規定的時段內，同步記錄8個通道旋漿的轉數，該部分采用8線智能流速儀，其啟動和關閉均由控制器決定.

3 測試結果

測量流速和旋漿轉速之間滿足關系式

其中：v為測量流速；N為旋漿的轉動次數；t為轉動時間；K，C均為需要率定的旋漿參數.

一般情況下，旋漿的率定均需取采樣點8點以上，因此在2～200cm·s－1的速度區間選取了10個速度點進行對比測試，將實測速度（v實測）與理想速度（v理想）對比后，用最小二乘法擬合線性，然后對K，C值加以修正，使最終的修正速度（v修正）與設定速度的誤差控制在1%的范圍內，實驗結果如表1所示.表1中：N為t＝50s測量的轉動次數.

表1 旋漿率定修正表Tab.1 Correction table of propeller calibration

4 結束語

利用單片機對測量車得運行控制，實現對低流速儀的傳感器——旋漿的率定.其特點是結構簡單、原理清晰，在測定過程中對旋漿進行修正和完善，保持了測量的連續性和準確性，具有良好的可靠性和穩定性，已達到系統誤差小，使用簡單方便的設計目標.因此，在水利工程和其他低流速測量領域具有一定的推廣應用價值［5］.

［1］吳葆仁，吳辰.旋槳式海流計的水槽率定［J］.海洋技術，1997，16（1）：41－46.

［2］曾瑄，陳云翔，樊宜.一種智能化的流速率定系統［J］.江西水利科技，2000，26（4）：214－216.

［3］蔡明生.電子設計［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］何立民.單片機應用技術選編［M］.北京：航空航天大學出版社，2004.

［5］吳新生，許明，魏國遠.長江防洪模型量測控制系統的設計與應用［J］.人民長江，2009，40（19）：72－74.

Design of Propeller－Velocity Sensor Calibration System

ZENG Xuan，TU Zhen－yu
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

A calibration system for an intelligent low flow velocity current meter is designed with the single－chip microprocessor as the main control unit.The calibration of flow velocity is implemented by the measuring the movement of a survey vehicle in the sink controlled by the single－chip microprocessor，also the main parameters of the eight propeller velocity sensors can be automatically calibrated at the same time to improve the correctness of velocity determination so that the velocity measurement error could be reduced to less than 1%.

current meter；sensor；single－chip microprocessor；calibration system

陳志賢 英文審校：鄭亞青）

P 335.1

A

1000－5013（2012）01－0006－03

2011－07－30

曾瑄（1967－），女，副教授，主要從事智能化傳感器率定系統的研究.E－mail：zengxuan3＠yahoo.com.cn.

江西省教育廳科研基金資助項目（GJJ11643）