基于无感检测技术的多模式流量控制器的研制

侍寿永 ，朱 静 ，于建明

（1.江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心，淮安 223003；2.淮安信息职业技术学院 电气工程系，淮安 223003）

化工流体在传输、配比过程中，能否精确计量尤为重要，直接关系到产品的质量。对流体的计量传统上采用流量计、液位计等检测计量装置，由于化工流体较强的腐蚀性使得检测装置精度降低甚至损坏，从而流体计量精度得不到保证，企业不得不定期更换价格不菲的流量检测装置，这样使得企业生产效率低下、产品成本增加、企业资金流失。为解决此难题，作者前期研制出一种变频流量控制器，投入市场以来使用效果较好，但也存在一个问题，即需更换变频控制器，存在资源浪费问题。本文提出一个流量控制器，在不改变原有控制系统情况下，增设一性价比较高的控制器即可实现化工流体的无感计量功能。

1 无感计量原理

无感计量流量控制器，即不使用各种流量检测传感器，而通过其他检测方法实现对化工流体的无感计量[1]，其方法有3种，具体如下。

1.1 变频器的模拟量输出

以柱塞计量泵为例，在不考虑压力、介质粘度等因素情况下，各参数一定时，柱塞泵的平均流量Q理论上与变频器输出频率f成正比[2]，如式（1）和式（2）所示。

式中：Q 为流量；i（1、2、3、4）为单作用泵、双作用泵、三作用泵和四作用泵；L为活塞行程；A为活塞截面积；n为电机转速；η为泵的容积效率；f为变频器输出频率；p为电机极对数；s为转差率。

在实际运行中，因电机启动和停止阶段转差率会不断变化，导致流量与频率不成正比[3]，故需要进行相应的流量补偿。

电气工程技术人员熟知，进行相应的变频器参数设置[4]，可使得变频器的模拟量输出随着变频器的实际输出频率而变化，只要检测其输出的模拟量值即可知晓变频器的实际输出频率，从而可进一步确定柱塞泵的输出流量。

1.2 电动机的实际转速

正常情况下，化工流体的输送是由变频器驱动电动机，电动机带动柱塞泵进行。可根据电动机运行的实际转速和电动机及柱塞泵之间的转速比2个参数确定柱塞泵的运行转速。可通过高线数的编码器检测电动机的实际转速，再根据转速比确定柱塞泵的输出流体量，如式（3）所示。

式中：Q为流量；N为单位时间内单片机接收到脉冲个数；N1为编码器的线数；N2为转速比；QN为柱塞泵额定流量。

1.3 塞泵活塞的动作次数

在柱塞泵选定后，柱塞泵的额定流量则已确定，活塞每动作一次输出的流体量等于泵的容积，即可通过检测装置检测柱塞泵的动作次数便可确定输出的流体量，如式（4）所示。

式中：Q为流量；N为柱塞泵活塞动作次数；QN为柱塞泵额定流量。

以上3种计量方法，根据实际情况进行使用，以检测柱塞泵活塞动作次数方法优先，检测电动机实际转速方法次之，变频器的模拟量输出方法再次之。

2 硬件设计

2.1 硬件组成

为使控制器性价比高、结构简单、操作方便、工作可靠，采用爱特梅尔公司的AT89S51单片机作为控制器核心，与键盘电路、计数电路、A/D及D/A转换电路、启停电路、E2PROM电路、LCD驱动及显示电路共同组成流量控制器[5-6]，具体电路组成如图1所示。

图1 流量控制器组成框图Fig.1 Block diagram of the composition of the flux controller

2.2 工作原理

根据输出流量要求，首先使用按键进行参数设置，包括柱塞泵的额定流量（对应变频器输出频率为50 Hz）、需要输送的流量及完成所需要流量的工作时长（工作时长需大于等于最大输出频率时所需时长）等；然后启动控制器进行流体输送，运行中的变频器其模拟量输出端口根据变频器的实时输出频率输出0～20 mA的电流信号（该电流信号对应于柱塞泵输出流量0～QN），并将该电流信号送至A/D转换电路（模拟量转换成数字量）后送至单片机。单片机每100 ms采集1次输出流量信号，将采集的流量进行累计并与所需要流量进行比较，根据运行时长参数输出某一数字信号，该数字信号经D/A（数字量转换成模拟量）转换电路送到变频器的模拟量输入端口，实时改变电动机的转速，从而保证在设置时间内完成流体的流量输送。

若电动机的输出轴上装有编码器，当电动机运行时，编码器将电动机的转速转换成相应数量的高速脉冲，该脉冲接至单片机的计数输入端。单片机每100 ms采集1次编码器的输出脉冲值，根据电动机的实际转速与编码器的输出值及柱塞泵输出流量的对应关系可知柱塞泵的实时输出流量。

若在柱塞泵上装有活塞动作次数检测开关，当柱塞泵运行时，活塞每动作1次，检测开关输出1个计数脉冲，该脉冲信号接至单片机的计数输入端。单片机每收到1个脉冲信号即柱塞泵输出1个额定流量，单片机根据接收到的脉冲数可得出柱塞泵的实时输出总流量。

E2PROM芯片用来存储柱塞泵的瞬时流量和累计流量，这可实现断点记忆功能。当控制器掉电、停机或发生故障时，对历史数据进行保存，恢复运行后在断点处继续执行。

3 软件设计

流体计量的准确度除受检测装置的精度和其质量影响外，软件程序也至关重要。由于程序设计量较大，故在程序设计时采用模块化结构，使程序更加清晰，易读性强，易于调试和优化[7-8]。

软件部分主要包括系统资源的初始化、用户变量参数初始化、片外E2PROM的读写、A/D及D/A转换、键盘扫描、LCD显示驱动、主程序及3种检测方法的控制子程序等。由于篇幅所限，软件具体设计在此不再赘述，只给出控制器的工作流程，如图2所示。

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

4 运行效果

将控制器按图1所示接入控制系统，在将变频器相关参数（电动机铭牌数据、起停控制方式及频率给定方式等）设置完成后，在控制器上设置柱塞泵额定流量、输送流量及运行时间等参数后，启动变频器进行工作，图3～图5是采用3种方法的计量误差曲线，所用泵为kj10-1000/1.3，柱塞直径65 mm、试验介质为硫酸、采样时间60 s、额定流量980 L/h、额定泵速115 r/min。流量标定和计量精度记录数据如表1～表3所示。

图3 测量模拟量输出计量误差曲线Fig.3 Measuring error curve of the analog output

图4 测量实际转速计量误差曲线Fig.4 Measuring error curve of the actual rotation speed

图5 测量活塞动作次数计量误差曲线Fig.5 Measuring error curve of the piston action times

表1 流量标定和模拟量输出计量精度实测记录Tab.1 Actual measurement records of measuring precision of the flow calibration and the analog output

表2 流量标定和实际转速计量精度实测记录Tab.2 Actual measurement records of measuring precision of the flow calibration and the actual rotation speed

表3 流量标定和活塞动作次数计量精度实测记录Tab.3 Actual measurement records of measuring precision of the flow calibration and the piston action times

使用3种检测方法进行流量控制的计量误差均在1%以下，其中Er为重复性（复现性）误差，Es为稳定性误差，Ebmax为线性误差。从图3～图5中可以看出，通过检测活塞动作次数的计量误差最小，通过编码器检测电动机的实际转速的计量误差次之，通过变频器模拟量输出的计量误差最大。在对流量控制精度不太高的场合下建议优先采用模拟量输出的方法，成本低、运行稳定性高。

5 结语

基于无感检测技术的多模式流量控制器设计理念新颖，实现了化工流体的无感检测，最大的优点就是不改变原有控制系统情况下即可实现对流体的流量控制，特别是对系统运行时间的控制，可实现多种原料的动态配比，极大地提高了企业的生产效率、降低了企业的资金流失。应用实践证明，其性能可靠、控制效果良好，在性能和价格上均能满足客户的要求。

[1]韩佳冷.液体流量控制器的研制[D].吉林：吉林大学，2011.

[2]侍寿永.基于无感检测技术的流量控制器研制[J].自动化与仪表，2012，27（1）：57-60.

[3]汪浩洋，邱瑞昌，赵晓红.基于DSP的异步电机无速度传感器矢量控制[J].电力电子技术，2010，44（4）：51-52.

[4]吕汀，石红梅.变频技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5]李朝青，刘艳玲.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[6]陈忠平.51单片机C语言程序设计经典实例[M].北京：电子工业出版社，2012.

[7]邓鸿英，张生昌，牟介刚.基于插值法的计量泵流量控制算法研究[J].机电工程，2010，27（7）：116-118.

[8]邓鸿英，张生昌，牟介刚，等.基于单片机的计量泵流量控制器[J].工业仪表与自动化装置，2009（3）：51-53.