砂漿泵非接觸式流量儀的研究

徐 毅，陳煒寧，周 磊，張聲軍

(中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

砂漿泵非接觸式流量儀的研究

徐 毅，陳煒寧，周 磊，張聲軍

(中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]砂漿泵非接觸式流量儀，結合活塞泵的運行原理，采用累計活塞運行次數的方法，通過數字電路對其進行分析計算，獲得累積流量，并動態顯示出來，從而實現對砂漿泵流量的精確測量，為后續流量控制提供可靠條件。

[關鍵詞]砂漿泵；非接觸；砂漿；流量儀

1 研究背景

隨著中國城鎮化的加速和國內基礎建設的投入加大，活塞式注漿泵因其工作性能優越，在工程注漿和灌漿等領域將會得到廣泛的應用，例如水庫、水電站、堤壩、港口、碼頭中各種壓力注漿；基礎處理、軟弱地基加固注漿；隧道、地鐵、礦山施工中回填灌漿、錨桿支護等。在使用過程中，用戶需要掌握注漿量的情況，這對保證工程質量極其重要。當前用戶主要都是通過在管路上增加高壓電磁流量計來進行流量監測的，但電磁流量計一方面設備成本非常高；另一方面電磁流量計的電極和內襯材料容易磨損，經常需要更換，使用成本高。再者，各種漿料的導電特性不一致，這種形式的流量計誤差往往非常大。

基于上述問題，本課題結合活塞式注漿泵的特點，開發了一套可靠、經濟的非接觸式檢測流量儀器。

2 國內外現狀

國內外目前普遍使用電磁流量計對注漿泵的流量進行測量，但這種測量方法存在如下缺點。

1）成本高昂，并且其價格隨壓力和排量的增加而增加。1臺電磁流量計的價格，往往相當于3～5臺注漿泵的價格。

2）電極和內襯材料容易磨損，需要經常更換配件，一般更換一次需花費1 000～2 000元，并且需要專業人員完成。

3）對材料導電性敏感，測量砂漿等多相流體時信號不準確。

國內外的注漿泵產品出廠時一般不帶流量計，當前很多注漿施工需要提供實際流量參數，以保證工程質量，用戶只能自選流量計，施工人員經常強烈反映輔助設備價格遠超主設備價格，設備投資本末倒置，大大增加了施工成本。所以研究出低成本、適合我國國情的注漿泵非接觸式流量計是很有必要的。

3 主要技術參數

流量顯示范圍（L） 99999．9

允許計數頻率（Hz） ≥10

4 系統原理結構

統的硬件組成是系統的核心，它根據人們對話的相關參數，依靠固化進EPROM中的程序，通過控制各接口板的工作狀態，使整機完成各項預定功能。系統的CPU選用8051系列中一款較為先進的AT89C55WD芯片，其看門狗功能可以大大提高產品的穩定性，大容量的內部程序存儲器可以容納功能豐富的軟件；其他電路包括了顯示電路、數據存儲電路AT24C04、電源管理電路IMP708、開關量輸出電路、按鍵和電源及饋電輸出等，系統硬件組成原理結構圖如圖1所示。

圖1 系統原理結構圖

5 系統電路

系統的總體功能方框圖如圖2示。

圖2 總體功能方框圖

系統電路由以下電路構成：單片機AT89C55WD、顯示電路、數據存儲電路AT24C04、電源管理電路IMP708、按鍵等電路組成，其各組成部分如下。

1）單片機AT89C55WD及電路組成 單片機AT89C55WD通過P0．0～P0．3驅動顯示驅動芯片HD7279，再去驅動5位數碼管，顯示瞬時流量；同時驅動5個按鍵和8個LED指示燈。通過P0．4～P0．7驅動顯示驅動芯片HD7279，再去驅動8位數碼管，顯示流量累積值。將采集到的數據通過一系列的運算處理，并將運算結果通過顯示窗口分別將瞬時值和累積值顯示出來，同時點亮相應的指示燈。由于突發事件停電，會造成數據丟失。為了避免數據丟失，我們采用了IMP708芯片進行掉電保護，當電壓下降到708閥值（如4．6V）時，將相關數據存入AT24C04中，電源恢復后，重新加載這些數據。另外鍵盤數據和流量值等也存儲在AT24C04中。

2）顯示和鍵盤電路 在流量儀中使用LED數碼管顯示器，瞬時流量值的顯示采用2支四聯LG3641AG共陰數碼管，累積流量值的顯示采用1支四聯LG5641AG和1支LG5611共陰數碼管。其驅動芯片是2支HD7279，既解決了13位數碼管的驅動，同時又解決了5個按鍵、8個指示燈的驅動。HD7279是一款LED數碼管和鍵盤接口芯片，可單獨驅動8位LED數碼管和64鍵鍵盤，SPI接口，外圍元件非常少。與單片機接口采用SPI串行接口方式，方便實用。

3）看門狗電路 AT89C55WD與MCS-51相兼容，可對內核進行1 000次的電擦寫，其電壓、電流和功耗都比較小，帶有20K的可重寫快閃存儲器和硬件看門狗定時器。看門狗定時器是在系統軟件崩潰后進行恢復的一種方法，WDT由13位計數器和看門狗復位特殊功能寄存器（WDTRSTSFR）組成，在缺省設置下，系統復位時即關閉。要使WDT有效，用戶必須向0A6H單元的WDTRSTSFR順序寫入01EH和0E1H。當WDT有效，計數器每經過1個機器周期后加1，除了硬件或WDT溢出復位，沒有任何方法可使WDT無效。當計數器溢出，WDT就在RST引腳產生一個復位的高脈沖。

直至蘇軾被貶嶺南，仍然“九死嶺南吾不悔”，堅持“以民為本”的政治主張。他在海南寫下《論商鞅》一文，借批評商鞅用過度、失度、無度的反人道、反人性的“流血刻骨”的強硬而殘酷的辦法來推行變法，并聯系宋朝的社會現實，明褒司馬光，暗貶王安石“陰奪民利”導致“破國亡宗”的嚴重后果。

要使WDT持續有效，就必須每隔一定時間往WDTRST寫入01EH和0E1H來避免WDT溢出。當WDT的13位計數器計數至8 191 （1FFFH）時，計數器便溢出，引起設備的復位。這就意味著用戶必須至少每8 191個機器周期復位WDT一次。使WDT復位，必須向只寫寄存器WDTRST寫入01EH和0E1H。當WDT溢出時在RST引腳產生一個復位的高電平脈沖。為了充分利用WDT，在要求防止WDT溢出復位時，應每隔一定周期寫WDTRST一次。

6 系統軟件

系統軟件采用C語言編程，C語言是一種結構化語言。它層次清晰，便于按模塊化方式組織程序，易于調試和維護。C語言的表現能力和處理能力極強。它不僅具有豐富的運算符和數據類型，便于實現各類復雜的數據結構。它還可以直接訪問內存的物理地址，進行位（bit）一級的操作。圖3為傳感器與流量儀的接線圖。

圖3 傳感器與流量儀接線圖

上面已經提到過本研究的已有的經驗（通過對大量數據的分析發現，對于一項具體工程，活塞泵每個行程的實際排漿量是恒定的，故可進一步推斷，其容積效率是一個恒定值，這是本研究的技術基礎。前期研究指出，可以方便地通過試泵送測定容積效率，再通過理論排量乘以容積效率即可計算出實際排量，從而得到較為準確的流量值），所以得出系統的所需要的主要計算公式

k=μ×q （1）

Q=n×k （2）

式中q——砂漿泵缸筒理論排量；

μ——缸筒的實際容積效率；

K——流量系數；

Q——累積流量；

n——活塞運行次數。

系統工作的流程圖如4所示。

系統的抗干擾措施采用合理的接地技術先將數字地和模擬地分別連接并各集中于一點，最后兩者在同一點匯聚；對于PCB板的傳感器輸入信號處理電路部分使用鋪地技術；在軟件上使用數字濾波技術——平均值濾波法，以提高系統的測量精度。

7 抗干擾措施

圖4 流量計系統工作流程圖

由于數字信號一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數字地與模擬地沒有從接入點分開，數字信號中的諧波很容易會干擾到模擬信號的波形。當模擬信號為高頻或者強電信號時，也會影響到數字電路的正常工作。

通過測量研究發現存在問題的根本原因是目前無法保證電路板上銅箔的電阻為零，所以采用在接入點將數字地和模擬地分開，就是是為了將數字地和模擬地的共地電阻降到最小，最后兩者再同一點匯聚，這樣就大大降低了干擾。

8 結束語

該非接觸式檢測流量儀適用于各種壓力和流量的活塞泵壓力注漿，并且經濟實用、易安裝和維護。可以將本流量計做成標準儀器，加裝到設備上，作為標配產品，不但能夠準確地監測施工的砂漿流量，大大降低了施工成本，避免施工浪費和污染，同時大大提高了資源和能源的利用效率，具有顯著的經濟和環境效益，必將得到廣泛應用。

（編輯 于 洋）

Researchofmortarpumpnon-contactflowinstrument

XU Yi, CHEN Wei-ning, ZHOU Lei, ZHANG Sheng-jun

［基金項目］國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAJ02B04)

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)12-0044-03

［收稿日期］2015-09-29