三用閥試驗(yàn)臺(tái)智能數(shù)顯壓力表的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
文章介紹了一種智能數(shù)顯壓力表的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)。該壓力表在完成壓力檢測(cè)和顯示的同 時(shí),能夠把壓力數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)釆集到的數(shù)據(jù)畫出三用閥檢測(cè)規(guī)程中要求的壓力-時(shí)間特性 曲線,并有上、下限設(shè)定和報(bào)警功能。
0.引言
三用閥(煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中稱為安全閥)作為單體 液壓支柱(以下稱單體支柱）中不可缺少的一部分,在單體支柱使用過(guò)程中起著重要的作用。三用閥可 以使單體支柱加壓、卸載、當(dāng)超過(guò)額定壓力（一般為 38.2 MPa)時(shí)溢流。溢流的作用非常重要,煤礦生 產(chǎn)釆煤工作面的壓力分布不均衡,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部 壓力過(guò)大,單體支柱會(huì)通過(guò)溢流出一部分液體來(lái)降低自身高度，使得壓力分散到其它相鄰單體支柱，以 減輕自身承重，起到保護(hù)自身的作用。但這種溢流 不能無(wú)限制地進(jìn)行下去，當(dāng)所受壓力小于額定壓力 的15 %時(shí)，三用閥要關(guān)閉，繼續(xù)保持單體支柱內(nèi)有 一定的壓力。每個(gè)單體支柱生產(chǎn)廠家或者單體支柱 維修中心都有三用閥試驗(yàn)臺(tái)，以檢測(cè)三用閥的性能。 目前，普遍釆用傳統(tǒng)的機(jī)械壓力表顯示壓力。機(jī)械 壓力表存在讀數(shù)不直觀、準(zhǔn)確性差等缺點(diǎn)，例如:機(jī) 械式壓力表無(wú)法準(zhǔn)確讀出小數(shù)。如果釆用智能數(shù)顯 壓力表上述問(wèn)題便迎刃而解了。另外，現(xiàn)有三用閥 試驗(yàn)臺(tái)上的壓力表只有壓力指示，而壓力-時(shí)間特 性曲線的檢測(cè)在單體支柱生產(chǎn)企業(yè)安全認(rèn)證時(shí)是 一個(gè)非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目。
智能數(shù)顯壓力表既可顯示壓力值,也可通過(guò)計(jì) 算機(jī)將傳送來(lái)的壓力值和時(shí)間畫出壓力-時(shí)間特性 曲線,有自校準(zhǔn)和自標(biāo)定等功能。
1.智能數(shù)顯壓力表的功能
（1）實(shí)時(shí)顯示數(shù)字壓力；
（2）壓力超過(guò)或達(dá)不到設(shè)定值時(shí)報(bào)警指示；
（3）具有自校準(zhǔn)、自清零、自標(biāo)定功能,壓力表 操作面板有清零和標(biāo)定設(shè)置按鍵；
（4）通信功能,接收上位計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的各種命 令,同時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)需要的數(shù)據(jù),或者按照計(jì)算機(jī) 指令完成操作；
（5）智能數(shù)顯壓力表除了能夠?qū)崟r(shí)地顯示壓 力,還能把一定時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的壓力值傳給計(jì)算機(jī), 由計(jì)算機(jī)畫出壓力-時(shí)間特性曲線。
2.硬件系統(tǒng)
(1)硬件系統(tǒng)組成
硬件系統(tǒng)由微處理器、壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換 器、顯示、通信、設(shè)定報(bào)警等模塊組成。硬件系統(tǒng)原 理框圖如圖1所示。
（2）CPU模塊的選型
實(shí)現(xiàn)智能化需要有單片機(jī)作為核心器件。在選 擇單片機(jī)時(shí),就要考慮多方面的因素。環(huán)境條件是 要考慮的首要因素,在煤礦生產(chǎn)的大環(huán)境下,一般三 用閥試驗(yàn)臺(tái)工作環(huán)境較差。并且微處理器釆用弱 電,煤礦生產(chǎn)多數(shù)使用強(qiáng)電設(shè)備，電磁環(huán)境復(fù)雜,需 要較強(qiáng)的抗干擾能力。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡量減少元 件數(shù)目。PHILIPS公司的P89LPC932A1單片機(jī)可 滿足這些條件。
（3）壓力傳感器
壓力傳感器的作用是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信 號(hào)。電阻應(yīng)變壓力傳感器發(fā)展到今天應(yīng)用很廣、性 能可靠,具有線性度好、誤差小等優(yōu)點(diǎn),輸出電壓信 號(hào)可線性地反映壓力的變化。為提高傳感器精度, 供電電壓選擇為12 V ,最大量程選擇為60 MPa。
壓力傳感器使用之前都要標(biāo)定,標(biāo)定的目的就是確定A/D轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)字量與壓力值的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。因?yàn)閷?duì)應(yīng)關(guān)系是線性的,所以只有1個(gè)常數(shù)。 壓力傳感器常數(shù)K的計(jì)算公式：
K = 40/ (Dmax - D0)
式中：Dmax為壓力為40 MPa時(shí)A/D轉(zhuǎn)換出來(lái) 的數(shù)字量,D0為壓力為0 MPa時(shí)A/D轉(zhuǎn)換出來(lái)的 數(shù)字量（由于電橋的不平衡導(dǎo)致0壓力時(shí)總有一定 的電壓輸出）。
對(duì)于常數(shù)K的計(jì)算公式,軟件編程時(shí),可以很 輕松地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。
實(shí)際測(cè)量時(shí),將A/D實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量D與 D 0相減,差值乘以K即得到壓力數(shù)值。這些都由 軟件完成 。
(4) A/D轉(zhuǎn)換器
A/ D轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為 單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。由于釆集的壓力變化 緩慢,對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高,釆樣周期也沒(méi)有特殊要 求,可選用AD7705接口芯片。AD7705是16位
2 - A式A/D轉(zhuǎn)換器,它釆用三線串行接口，能大大 節(jié)省單片機(jī)的口線。該轉(zhuǎn)換器包括由緩沖器和增益 可編程放大器組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路,能直接轉(zhuǎn) 換傳感器測(cè)量到的微小信號(hào);具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài) 范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能,能達(dá)到0. 003 %非 線性的16位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出；16位數(shù)字量,基準(zhǔn)電 壓選擇為2. 5 V ,供電電壓為5 V時(shí),滿量程輸入為 2. 5 mV ,其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定, 非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。圖2 為A/D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)電路圖。
(5)通信接口設(shè)計(jì)
壓力表檢測(cè)到的壓力數(shù)據(jù)由通信接口傳輸給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并畫出壓力-時(shí)間特性 曲線。在微機(jī)室與試驗(yàn)臺(tái)的距離小于15 m的情況 下,可釆用RS232接口方式。但要注意RS232接口 地線與單片機(jī)地線的隔離,最好選用串口光電隔離 器,將2部分電路互相隔離。三用閥試驗(yàn)臺(tái)需要 5個(gè)壓力表檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)不同部位的壓力值。要隨時(shí) 取出每一個(gè)表的數(shù)據(jù)就要釆用總線結(jié)構(gòu),本設(shè)計(jì)用 485總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
（6）顯示模塊設(shè)計(jì)
用4個(gè)LED數(shù)碼管顯示壓力數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)顯示到 小數(shù)點(diǎn)的后2位,計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)精確到小數(shù) 點(diǎn)后2位。MAX7219是串行8位LED顯示驅(qū)動(dòng)集 成電路,廣泛應(yīng)用于各類單片機(jī)控制的智能儀器儀 表中。
（7）設(shè)定報(bào)警模塊
在壓力表操作面板上有按鍵,可進(jìn)行閾值的設(shè) 定。當(dāng)數(shù)值超過(guò)限值時(shí)聲光報(bào)警。
3.軟件系統(tǒng)
(1)軟件模塊
系統(tǒng)軟件主要包括主程序、通信、A/ D轉(zhuǎn)換、顯 示、自標(biāo)定和清零、復(fù)位與看門狗以及報(bào)警7個(gè)主要 模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。
PC機(jī)米用Windows程序開發(fā)技術(shù),可以根據(jù)用戶的具體要求編制出符合要求的界面。
4.應(yīng)用
壓力表使用之前要標(biāo)定。首先,在傳感器空載 的情況下，由計(jì)算機(jī)發(fā)送清零命令,壓力表顯示為 0. 00 ,然后給傳感器加壓,達(dá)到40 MPa時(shí),再?gòu)挠?jì) 算機(jī)發(fā)出標(biāo)定命令,壓力表微處理器收到命令后，自 動(dòng)計(jì)算常數(shù)并存儲(chǔ)。
單體液壓支柱維修規(guī)程MT/ T549中對(duì)安全閥 的壓力-時(shí)間特性曲線的規(guī)定是“流量為90? 110 mL/min時(shí),測(cè)得安全閥的溢流曲線應(yīng)滿足:在 安全閥(三用閥)額定工作液壓的85 %?110 %區(qū)間 內(nèi)，曲線全長(zhǎng)壓力波動(dòng)值不大于額定工作壓力的 15 %”。壓力-時(shí)間特性曲線在標(biāo)準(zhǔn)中是抽檢項(xiàng)目， 不論是三用閥生產(chǎn)企業(yè)還是使用單位,必須能夠畫 出特性曲線。但是實(shí)際操作中，如果保持三用閥處 在溢流狀態(tài),需要液壓系統(tǒng)不停地工作,保持一個(gè)恒 定的壓力給三用閥,這樣壓力表檢測(cè)到的是液壓系 統(tǒng)提供的壓力值,并不能真正反映三用閥的開啟和 關(guān)閉特性。
特性曲線的檢測(cè)過(guò)程:首先開啟試驗(yàn)臺(tái)壓力系 統(tǒng),加壓到38. 2 MPa額定壓力并保持,調(diào)整三用 閥,使其打開在溢流狀態(tài),通過(guò)流量檢測(cè)儀調(diào)整流量 在90?110 mL/min之間。此時(shí)關(guān)閉試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力使 整個(gè)系統(tǒng)處于密封狀態(tài),這時(shí)三用閥從開啟狀態(tài)逐 步到關(guān)閉密封狀態(tài),關(guān)閉后壓力要保持不變。壓力 表上顯示三用閥上壓力的變化情況,并且不斷地把 數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù),畫出壓力 -時(shí)間特性曲線。對(duì)于合格的三用閥,開啟后壓力 下降不應(yīng)超過(guò)額定壓力的15%,也就是關(guān)閉壓力不 小于32.5 MPa。當(dāng)壓力小于這一值時(shí),設(shè)定自動(dòng)報(bào) 警,圖4為壓力-時(shí)間特性曲線圖。
5.結(jié)語(yǔ)
該智能數(shù)顯壓力表專門應(yīng)用于使用三用閥的煤 礦單體支柱生產(chǎn)、維修企業(yè)。可以根據(jù)用戶的不同 要求擴(kuò)展其它功能,如果前端連接溫度傳感器,可進(jìn) 行溫度的測(cè)量。通過(guò)在多家單體支柱維修廠的使用 表明,該智能壓力表具有較好的可靠性和實(shí)用性。
