油泵效率测量仪的设计*

任羽斌

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

0 引言

测量油泵效率一般来说有两种方法，一种是水力学法，这种方法应用功率平衡的原理，用泵流量和总扬程的乘积(即有效水功率)与输入泵的轴功率之比测算机泵效率。但绝大多数系统都不具备机泵单机安放流量计所要求的直管段，油泵轴功率测定的繁杂程度也超出现场的承受能力，因此现场基本不具备采用水力学法的测试条件。另一种方法是热力学方法，热力学法不需要测量流量和轴功率，只要测量油泵进出口之间的温度差和压力差就能够确定泵效率，而且在现场又具备简单方便的特点，这在较高扬程泵的效率测定上将会发挥不可低估的作用。

1 测量原理

油泵运行原理如图1所示。

泵效率的定义[1-2]可用下式表示：

ΔEm为考虑到平衡盘泄露和轴封泄漏等损失而采取的修正项；Ex为泵轴已提供但为被流体带走的外部损失，包括轴承、轴封摩擦、泵壳散热等损失。

图1 油泵运行原理图

其中，c1、c2为泵的进、出口处的平均速度；z1和z2为泵的进、出口处的高度；P1、P2为泵入口和出口的压力；m为泵内流体的质量；h1，h2为流体入口和出口的焓。

在实际测量中，测量位置通常取为c1=c2，z1=z2，所以式子（1）可写为如下：

2 仪器的硬件设计

仪器的硬件设计如图2所示。

图2 仪器硬件设计

2.1 温度测量及其信号处理

金属铂的电阻值随着温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，铂电阻温度传感器就是利用这种特性来测量温度的。这里采用PT1000，温度传感器0℃度阻值为1000 Ω，200℃的电阻值1758.560 Ω，电阻变化率为 3.851 Ω/℃。该传感器特性为电阻值随温度变化而变化，可以采用恒流源将温度信号提取出来。随着阻值的不断变化，而电流恒定，则电压就相应的变化，电压的线性变化反应温度的变化，取出这个电压信号并精确放大，以方便准确的处理。

先产生2.5 V的基准电压，通过5.1 kΩ的电阻，可得0.49 mA的稳定电流。PT1000接在P1端子处。PT1000在0℃的电阻值：1000 Ω，200℃的电阻值1758.560 Ω。故在PT1000两端产生的电压降为 490 mV～862 mV。AD通道的最大输入电压为5 V，故应将信号放大5000/（862-490）=13.44倍，才能将精度提高到（200-0）/（4096-0）=0.048℃/AD，这样既可满足设计0.1℃的要求。取温度信号电路如图3所示。

前置放大2倍，后级放大6倍既可满足要求。由于该信号为一个高共模信号，故采用三运放的仪表放大器AD620作为前端放大器（高共模抑制比）。先放大2倍，此时由AD620输出的信号范围为：980 mV～1724 mV。

增益计算公式：

已知增益时外部电阻大小计算公式：

外接一个49.3kΩ的外部电阻使信号放大一倍，其中电阻有0.1%的误差。信号就放大至原来的2倍了。需要一个差分电路对该信号进行调零再放大6倍。该差分放大电路，输出电压为：

此时需调节Ref至980mV，这样可以得到一个信号输出范围为：0 mV～4464 mV。将此信号接入A/D转换芯片即可。

图3 取温度信号

2.2 压力测量及其信号处理

由于流体在泵内运动的过程中压力变化很显著，所以在压力的测量上对精度的要求不是很高，达到B级精度即可，采样CW800J压力变送器。该压力变送器采用24伏直流供电，可以输出标准电流值，为4 mA～20 mA。电路如图4所示。P3为接线端子，将两个压力变送器分别接在这里：1、2脚接一个；3、4脚接一个。这样会在每条支路上产生4 mA～20 mA的电流，通过240欧姆的采样电阻，可以将压力信号提取出来，信号电压范围为：960 mV～4800 mV。将这个信号接入A/D转换芯片即可。用两个104的电容来进行信号滤波。

2.3 单片机及其外设

本项目采用STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有运算速度快，性能稳定的特点。这里采用液晶显示模块1602显示计算结果，此款屏可显示汉字及图形，可与CPU直接接口。

图4 取压力信号

3 仪器的软件设计

软件设计的思路[3]见图5。

3.1 程序结构

单片机程序设计主要包括头文件、A/D转换程序处理、温度和压力数据处理、效率计算的程序，字符显示及复位。

图5 单片机程序设计流程

3.2 A/D转换程序

将自传感器传来的0～5 V的电压信号转化成数字信号，此部分编程包含两个部分：对A/D芯片的驱动函数和在此基础上的转换函数。其中驱动函数包括初始化程序和启动一次相应通道的A/D转换程序，返回A/D值。

3.3 AD转换程序及后续计算

数据处理部分包括两个部分：将A/D转换得到的数字信号相应的转化为温度值和压力值，再利用转化得到的值通过设定的公式进行计算得到目标效率值。主要是依据数据间的对应关系编写，如0℃-4 mA-0 V；200℃-20 mA-5 V等。再严格按照之前推算出的公式进行程序编写。主要应用浮点数的乘除运算。

3.4 字符输出

此部分主要依靠对1602编程控制实现，包括依据其技术资料进行位定义，判断LCD是否处于忙状态，初始化LCD，写字符函数。

4 结论

用单片机来出控制计算油泵的运行效率具有系统结构简单，使用方便，实现模块化的优点，此外还有可靠性高，工程强速度快的特点，做此类控制比较合适。但是限于目前测温元件精度水平，为达到国家标准，仅在压力较高时测量效果比较好。

［1］李春曦，安连锁.热力学方法测量泵效率的研究进展［J］.华北电力大学学报，2000，27（4）：88-92.

［2］胡国庆，李世伦，葛耀峥，等.海水柱塞泵的低泄漏高效率研究.机电工程，2011（5）：542-544.

［3］关丛容.基于DSP的水泵效率测试仪的设计［J］.黑龙江科技学院学报，2004，14（3）：189-191.

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