工業用流速開關檢測控制系統設計?

于 柏閆 智劉泓翊

(天津商業大學信息工程學院，天津 300134)

在現代化工業生產中，循環冷卻水系統貫穿于生產裝置或設備中，為使工業設備時刻保持良好的運行狀態，就必須用大量的冷卻水(或油)來對設備進行降溫散熱，這就給設備的循環冷卻系統提出了更高的要求。循環冷卻水通過設備換熱管完成熱量交換，達到冷卻降溫的目的，因此管道中循環冷卻水的流動速度直接影響了換熱效率的高低，由于冷卻水在密閉的管道中流動，人們無法定量地感知其流速的快慢，不能對循環冷卻系統施加有效控制，一旦系統出現故障，冷卻水流速過慢或停止流動，勢必造成設備壽命降低、產品質量下降、增加維修成本等不利影響。

針對上述問題的存在，我們研發了一種流速開關檢測控制系統，該裝置能實現管道中冷卻水流速的實時在線檢測、顯示報警、模擬信號遠程傳輸、控制等功能，有效降低故障率，節約了維護成本，節能降耗，達到智能控制、科學管理，保障了生產過程的平穩運行。

1 檢測控制系統設計方案

流速開關檢測控制系統主要是用來對封閉管道中的冷卻水的流動速度進行檢測并對流速大小施加一定的控制作用，流速開關一般情況下輸出的是一個開關量的信號，此處設計的是一個輸出4 mA～20 mA 模擬量的信號。系統主要是以單片機ATmega8 為檢測控制核心[1]，外圍模塊主要由電源、傳感器、報警顯示、按鍵控制、模擬信號、PLC 等部分構成。系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

其檢測控制過程如下:管道中的冷卻水首先經傳感器模塊，將流速這一變化的物理量轉換為電信號傳送給單片機系統，單片機經內部AD 轉換為數字量，經運算單元處理后通過報警顯示模塊顯示當前流速大小[2]，當流速過低時進行報警，同時單片機利用內部定時器對外輸出一列PWM 脈寬調制信號，經模擬信號模塊處理后轉換為4 mA～20 mA 電流信號[3]，此信號遠傳至PLC 控制模塊，PLC 通過設備將輸出的模擬信號轉換為相應的調節閥所需要的模擬量，對應調節調節閥0～100 的開度，以此控制冷卻水在管道中流速的大小。另外在系統設計中利用按鍵控制模塊可把流速控制在一定的范圍之內，例如當流速為5 m/s 時，通過按鍵可設定為4 mA 輸出，當流速為9 m/s 時，可設定為20 mA 輸出，極大方便了對流速范圍的任意設定和靈活控制作用。

2 流速開關檢測控制電路工作原理

根據流速開關總體結構，系統設計主要包括單片機系統、電源模塊、傳感器模塊、報警顯示模塊、按鍵控制模塊、模擬信號模塊及PLC 控制模塊等部分。

2.1 單片機系統

核心器件選用 ATmega8 做為主控芯片，ATmegs8 是ATMEL 公司推出的一款AVR 單片機。其內部集成有豐富的硬件接口電路，2 個具有比較模式的預分頻器的8 位定時/計數器，1 個具有獨立振蕩器的異步時鐘(RTC)，3 個PWM 通道，8 通道的A/D 轉換，可實現2.7 V～5.5 V 供電，單個IO 口最大可支持40 mA 的拉/灌電流，最高主頻為16 MHz[4]，圍繞核心芯片所設計的CPU 模塊如圖2所示。其中引腳PD6 和PD7 分別外接兩個控制按鍵，用于自主設定4 mA 和20 mA 所對應的流速點，選定管道中冷卻水的流速范圍。

圖2 單片機引腳圖

2.2 傳感器設計

傳感器在整個系統設計中起著至關重要的作用，設計原理為通過加溫圓柱體在流動液體中迎流面與背流面的溫度不同進行檢測。具體方法為，在檢測頭的迎流面和背流面分別放置一個熱敏電阻，并與電路中的電阻形成惠斯頓電橋[5]。在背流面放置一個0.5 W 的加熱器(可用電阻實現)。當檢測頭在靜止的流體中，由于熱傳導，會使檢測頭整體溫度一致，熱敏電阻的阻值也相同。當流體開始流動，會帶走檢測頭的熱量，從而使檢測頭迎流面和背流面產生溫差，也就可以通過電橋將流速轉換為電信號進行處理。其電路原理圖如圖3 所示。

圖3 傳感器原理圖

圖中RN1、RN2 為正溫度系數的熱敏電阻，采用的是線性度好，量程為－ 55 ℃～ 150 ℃的TFPT0805L1001，在設計使用的溫度區間內，線性度ζ<0.03%。電阻R1～R9均為溫度系數小于2.5×10－5/℃的低溫飄電阻。電路中，熱敏電阻RN1、RN2，電阻R1～R5構成惠斯頓電橋。R6～R9和U1 構成差分放大電路。R10、R11和C5構成T 型濾波電路。

2.3 模擬信號模塊設計

單片機由PB1 引腳輸出一列PWM 脈寬調制信號，內部時鐘選擇8 MHz，10 位快速PWM，其頻率為ω0＝7.8π krad/s。模塊在設計上采用了鏡像恒流源電路[6]，主要由電阻R13～R15、電容C6，三極管Q3和電流鏡Q1組成。其中電流鏡芯片為BCV62B[7]，其結構為同一基底上的兩個PNP 三極管，將兩個三極管的基極及T1的發射極連接在一起，提高了精度。單片機產生PWM 通過R15和C6組成的濾波電路變成0～5 V 直流電壓信號通過Q3和電阻R13形成恒流，再通過電流鏡輸出4 mA～20 mA 電流信號進行遠傳控制，電阻R13上連接的反饋線將電壓信號輸入至單片機系統中，單片機通過電壓和R13阻值就可算出當前輸出電流值的大小[8]。結構電路設計如圖4所示。

圖4 模擬信號原理圖

2.4 報警顯示模塊設計

報警顯示電路通過六個5.1 kΩ 的限流電阻分別串聯六個LED 指示燈接到單片機對應引腳上，其中一個指示燈為紅色，其余為綠色，根據控制按鍵設定的流速范圍，當流速低于設定下限時，對應引腳輸出低電平，紅色指示燈亮，起報警作用，五個綠色指示燈將4 mA～20 mA 分為四等份，每間隔4 mA 為一檔，可逐級顯示當前流速大小[9]。報警顯示電路如圖5 所示。

圖5 報警顯示電路圖

2.5 電源模塊設計

電源模塊為傳感器、單片機、模擬信號提供電源，電路如圖6 所示，Cy1、Cy2、C9～C11、D1、TVS，7815和78L05 構成電源電路。其中，7815 輸出的15 V為惠斯頓電橋、運算放大器和4 mA～20 mA 輸出提供電源，78L05 輸出的5 V 為單片機提供電源，Cy1和Cy2為安規電容[10]，用于電源地與外殼連接去除高頻干擾。

圖6 電源結構電路圖

2.6 PLC 控制模塊

首先系統將4 mA～20 mA 的電流信號遠傳至PLC 中，PLC 將其與設定值比較，得出一個偏差值，這個偏差經內部PID 運算得到0～100 之間的某一數值，運算的結果我們通常叫做PO 值也就是需要調節冷卻水流速的閥門開度，這個PO 值經過AO 模塊轉換，再次轉換成4 mA～20 mA 電流輸出信號對調節閥進行調節[11]。PLC 的模擬量輸出模塊直接連到調節閥的控制器。當輸出不同大小電流信號時，控制器會根椐接收的信號，來控制閥門的開度，如果沒有偏差，輸出保持不變，調節閥維持當前開度，如果有偏差，輸出就會增大或減小，對應調節調節閥開度的大小，直到兩者一致為止，以此保證管道中冷卻水流速的穩定[12]。

3 電路器件選擇與參數計算

傳感器電路中選用差分放大電路，能很好地抑制共模輸入信號，放大差分信號，外圍器件參數選擇對系統設計性能好壞起著關鍵作用，運放選用OP07系列，放大倍數為220。根據放大電路傳遞函數:

為使設計計算及調試方便，令R6＝R7，R8＝R9

電路設計中放大電路增益為220，則有:

在一般運放電路設計中，電阻阻值選取范圍為1 kΩ～ 1 MΩ，通過理論計算，電阻R8和R9取220 kΩ，電阻R6和R7取1 kΩ。

模擬電流采樣電路中，輸出電流為4 mA～20 mA。PWM 輸出的最大電壓值為5 V，由于Q3三極管PN 結電壓的存在，最后到達電阻R13兩端的電壓值在4.3 V 左右，按照4.3 V 計算，20 mA ＝4.3/R13，R13＝215 Ω，因此選取R13阻值為200 Ω。

PWM 脈寬調制信號由單片機內部輸出，單片機時鐘選擇8 MHz，10 位快速PWM，其頻率為ω0＝7.8π krad/s。根據PWM 輸出波形，可用分段函數表示為:

式中:T是單片機中計數脈沖的周期，N是PWM 波一個周期內計數脈沖個數，n是PWM 波一個周期中高電平的計數脈沖個數，VH和VL表示PWM 波的高低電平電壓值，k為諧波次數，t為時間。將以上分段函數式展開為傅里葉級數:

以上公式第1 項方括弧內為直流分量，第2 項為1 次諧波分量，第3 項為大于1 次的高次諧波分量。其中，直流分量與n成線性關系，并隨著n從0到N，直流分量從VL到VL＋VH之間進行變化。如果能把上式中除直流分量外的諧波過濾掉，則可以得到從PWM 波到0～5 V 直流電壓信號的輸出，這里我們可以設計一個RC組成的低通濾波器進行解調，它能把1 次諧波很好過濾掉，同時高次諧波應該基本不存在了，RC低通濾波電路僅考慮1 次諧波的作用，其臨界頻率計算公式為f0＝1/(2πRC)，一次諧波頻率為ω1＝nω0(n＝1)，ω1＝7.8π krad/s，根據理論值計算，實際電阻R15取5.1 kΩ，考慮到電容有20%的偏差，輸出濾波電容C6選擇0.1 μF，即可滿足電路的設計要求。

4 系統設計的技術指標

(1)檢測流速范圍:水1 cm/s～150 cm/s，油3 cm/s～300 cm/s

(2)溫度梯度:4 ℃/s

(3)顯示方式:6 點LED 顯示

(4)輸出方式:4 mA～20 mA

(5)流體溫度:0～100 ℃

(6)環境溫度:－40 ℃～85 ℃

(7)重復精度:±2%FS(即精度為全量程的±2%)

5 實物樣機測試

檢測控制系統設計完成后，對整個系統進行了組裝調試工作，系統樣機如圖7 所示。

圖7 流速開關實物圖

傳感器電路是整個系統設計的關鍵，直接影響著檢測精度的好壞，為此我們進行了相關數據的測量工作，測試方法為:將熱敏電阻放入外殼中，與電路中的電阻組成惠斯頓電橋。為電橋加上15±0.5 V 直流電。將探頭放入水管中，水管串聯一流速計，精度±0.1 cm/s，量程400 cm/s。調解水的流速，測量電橋測量點之間的電壓，電壓用4 位半萬用表測量。通過實際測量，隨著流速的增加，輸出的電壓值呈線性區間變化，完全達到了設計指標的要求，如表1 所示。

表1 惠斯頓電橋測試結果

4 mA～20 mA 模擬信號輸出部分是以BCV62B電流鏡芯片為核心，通過外圍電阻、電容和三極管電路設計組成的鏡像恒流源電路，輸出的電流信號遠傳至PLC 系統，PLC 通過調節閥門開度實現對冷卻水流速大小的控制作用，因此，電壓、電流信號的轉換精度和重復性在電路控制設計中起著至關重要的作用，測試方法為:將R13～R16、電容C6，三極管Q3和電流鏡Q1電路完成設計搭建后，直流15±0.5 V供電，在PWM 點處施加0～5 V 電壓信號，模擬單片機PB1 引腳輸出的PWM 脈寬調制信號，測量R13的電壓和輸出電流變換情況。電壓電流均使用4 位半萬用表測量，通過實際測量，電路設計完全達到了預期效果，如表2 所示。

表2 電流鏡測試結果

6 結束語

流速開關檢測控制系統采用單片機ATmega8為主控芯片，通過傳感器采集相關流速信息數據，送入單片機進行軟件算法處理后，由顯示模塊完成流速大小顯示及異常報警功能，同時利用PLC 控制電路實現對流速的動態調整和智能控制作用。系統樣機經現場測試運行，各項性能指標完全達到了設計要求，實現了工業化生產過程中對循環冷卻水的自動檢測和控制功能，彌補了流速計單一檢測、手動控制的缺陷，確保了生產設備的安全、優質、穩定運行，具有較高的應用價值。