基于無感檢測技術的多模式流量控制器的研制

侍壽永 ，朱 靜 ，于建明

（1.江蘇省電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，淮安 223003；2.淮安信息職業技術學院 電氣工程系，淮安 223003）

化工流體在傳輸、配比過程中，能否精確計量尤為重要，直接關系到產品的質量。對流體的計量傳統上采用流量計、液位計等檢測計量裝置，由于化工流體較強的腐蝕性使得檢測裝置精度降低甚至損壞，從而流體計量精度得不到保證，企業不得不定期更換價格不菲的流量檢測裝置，這樣使得企業生產效率低下、產品成本增加、企業資金流失。為解決此難題，作者前期研制出一種變頻流量控制器，投入市場以來使用效果較好，但也存在一個問題，即需更換變頻控制器，存在資源浪費問題。本文提出一個流量控制器，在不改變原有控制系統情況下，增設一性價比較高的控制器即可實現化工流體的無感計量功能。

1 無感計量原理

無感計量流量控制器，即不使用各種流量檢測傳感器，而通過其他檢測方法實現對化工流體的無感計量[1]，其方法有3種，具體如下。

1.1 變頻器的模擬量輸出

以柱塞計量泵為例，在不考慮壓力、介質粘度等因素情況下，各參數一定時，柱塞泵的平均流量Q理論上與變頻器輸出頻率f成正比[2]，如式（1）和式（2）所示。

式中：Q 為流量；i（1、2、3、4）為單作用泵、雙作用泵、三作用泵和四作用泵；L為活塞行程；A為活塞截面積；n為電機轉速；η為泵的容積效率；f為變頻器輸出頻率；p為電機極對數；s為轉差率。

在實際運行中，因電機啟動和停止階段轉差率會不斷變化，導致流量與頻率不成正比[3]，故需要進行相應的流量補償。

電氣工程技術人員熟知，進行相應的變頻器參數設置[4]，可使得變頻器的模擬量輸出隨著變頻器的實際輸出頻率而變化，只要檢測其輸出的模擬量值即可知曉變頻器的實際輸出頻率，從而可進一步確定柱塞泵的輸出流量。

1.2 電動機的實際轉速

正常情況下，化工流體的輸送是由變頻器驅動電動機，電動機帶動柱塞泵進行。可根據電動機運行的實際轉速和電動機及柱塞泵之間的轉速比2個參數確定柱塞泵的運行轉速。可通過高線數的編碼器檢測電動機的實際轉速，再根據轉速比確定柱塞泵的輸出流體量，如式（3）所示。

式中：Q為流量；N為單位時間內單片機接收到脈沖個數；N1為編碼器的線數；N2為轉速比；QN為柱塞泵額定流量。

1.3 塞泵活塞的動作次數

在柱塞泵選定后，柱塞泵的額定流量則已確定，活塞每動作一次輸出的流體量等于泵的容積，即可通過檢測裝置檢測柱塞泵的動作次數便可確定輸出的流體量，如式（4）所示。

式中：Q為流量；N為柱塞泵活塞動作次數；QN為柱塞泵額定流量。

以上3種計量方法，根據實際情況進行使用，以檢測柱塞泵活塞動作次數方法優先，檢測電動機實際轉速方法次之，變頻器的模擬量輸出方法再次之。

2 硬件設計

2.1 硬件組成

為使控制器性價比高、結構簡單、操作方便、工作可靠，采用愛特梅爾公司的AT89S51單片機作為控制器核心，與鍵盤電路、計數電路、A/D及D/A轉換電路、啟停電路、E2PROM電路、LCD驅動及顯示電路共同組成流量控制器[5-6]，具體電路組成如圖1所示。

圖1 流量控制器組成框圖Fig.1 Block diagram of the composition of the flux controller

2.2 工作原理

根據輸出流量要求，首先使用按鍵進行參數設置，包括柱塞泵的額定流量（對應變頻器輸出頻率為50 Hz）、需要輸送的流量及完成所需要流量的工作時長（工作時長需大于等于最大輸出頻率時所需時長）等；然后啟動控制器進行流體輸送，運行中的變頻器其模擬量輸出端口根據變頻器的實時輸出頻率輸出0～20 mA的電流信號（該電流信號對應于柱塞泵輸出流量0～QN），并將該電流信號送至A/D轉換電路（模擬量轉換成數字量）后送至單片機。單片機每100 ms采集1次輸出流量信號，將采集的流量進行累計并與所需要流量進行比較，根據運行時長參數輸出某一數字信號，該數字信號經D/A（數字量轉換成模擬量）轉換電路送到變頻器的模擬量輸入端口，實時改變電動機的轉速，從而保證在設置時間內完成流體的流量輸送。

若電動機的輸出軸上裝有編碼器，當電動機運行時，編碼器將電動機的轉速轉換成相應數量的高速脈沖，該脈沖接至單片機的計數輸入端。單片機每100 ms采集1次編碼器的輸出脈沖值，根據電動機的實際轉速與編碼器的輸出值及柱塞泵輸出流量的對應關系可知柱塞泵的實時輸出流量。

若在柱塞泵上裝有活塞動作次數檢測開關，當柱塞泵運行時，活塞每動作1次，檢測開關輸出1個計數脈沖，該脈沖信號接至單片機的計數輸入端。單片機每收到1個脈沖信號即柱塞泵輸出1個額定流量，單片機根據接收到的脈沖數可得出柱塞泵的實時輸出總流量。

E2PROM芯片用來存儲柱塞泵的瞬時流量和累計流量，這可實現斷點記憶功能。當控制器掉電、停機或發生故障時，對歷史數據進行保存，恢復運行后在斷點處繼續執行。

3 軟件設計

流體計量的準確度除受檢測裝置的精度和其質量影響外，軟件程序也至關重要。由于程序設計量較大，故在程序設計時采用模塊化結構，使程序更加清晰，易讀性強，易于調試和優化[7-8]。

軟件部分主要包括系統資源的初始化、用戶變量參數初始化、片外E2PROM的讀寫、A/D及D/A轉換、鍵盤掃描、LCD顯示驅動、主程序及3種檢測方法的控制子程序等。由于篇幅所限，軟件具體設計在此不再贅述，只給出控制器的工作流程，如圖2所示。

圖2 流量控制器工作流程Fig.2 Work flow chart of the flux controller

4 運行效果

將控制器按圖1所示接入控制系統，在將變頻器相關參數（電動機銘牌數據、起停控制方式及頻率給定方式等）設置完成后，在控制器上設置柱塞泵額定流量、輸送流量及運行時間等參數后，啟動變頻器進行工作，圖3～圖5是采用3種方法的計量誤差曲線，所用泵為kj10-1000/1.3，柱塞直徑65 mm、試驗介質為硫酸、采樣時間60 s、額定流量980 L/h、額定泵速115 r/min。流量標定和計量精度記錄數據如表1～表3所示。

圖3 測量模擬量輸出計量誤差曲線Fig.3 Measuring error curve of the analog output

圖4 測量實際轉速計量誤差曲線Fig.4 Measuring error curve of the actual rotation speed

圖5 測量活塞動作次數計量誤差曲線Fig.5 Measuring error curve of the piston action times

表1 流量標定和模擬量輸出計量精度實測記錄Tab.1 Actual measurement records of measuring precision of the flow calibration and the analog output

表2 流量標定和實際轉速計量精度實測記錄Tab.2 Actual measurement records of measuring precision of the flow calibration and the actual rotation speed

表3 流量標定和活塞動作次數計量精度實測記錄Tab.3 Actual measurement records of measuring precision of the flow calibration and the piston action times

使用3種檢測方法進行流量控制的計量誤差均在1%以下，其中Er為重復性（復現性）誤差，Es為穩定性誤差，Ebmax為線性誤差。從圖3～圖5中可以看出，通過檢測活塞動作次數的計量誤差最小，通過編碼器檢測電動機的實際轉速的計量誤差次之，通過變頻器模擬量輸出的計量誤差最大。在對流量控制精度不太高的場合下建議優先采用模擬量輸出的方法，成本低、運行穩定性高。

5 結語

基于無感檢測技術的多模式流量控制器設計理念新穎，實現了化工流體的無感檢測，最大的優點就是不改變原有控制系統情況下即可實現對流體的流量控制，特別是對系統運行時間的控制，可實現多種原料的動態配比，極大地提高了企業的生產效率、降低了企業的資金流失。應用實踐證明，其性能可靠、控制效果良好，在性能和價格上均能滿足客戶的要求。

[1]韓佳冷.液體流量控制器的研制[D].吉林：吉林大學，2011.

[2]侍壽永.基于無感檢測技術的流量控制器研制[J].自動化與儀表，2012，27（1）：57-60.

[3]汪浩洋，邱瑞昌，趙曉紅.基于DSP的異步電機無速度傳感器矢量控制[J].電力電子技術，2010，44（4）：51-52.

[4]呂汀，石紅梅.變頻技術原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5]李朝青，劉艷玲.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[6]陳忠平.51單片機C語言程序設計經典實例[M].北京：電子工業出版社，2012.

[7]鄧鴻英，張生昌，牟介剛.基于插值法的計量泵流量控制算法研究[J].機電工程，2010，27（7）：116-118.

[8]鄧鴻英，張生昌，牟介剛，等.基于單片機的計量泵流量控制器[J].工業儀表與自動化裝置，2009（3）：51-53.