【doc】单片机振动—温度监测仪的研制

【doc】单片机振动—温度监测仪的研制 单片机振动—温度监测仪的研制 第4期化工自动化及仪表 单片机振动一温度监测仪的研制 李平康 (北京电力母科学校,北京市,io004~) 水文舟绍丁用Inter8031单片赦机实现的某油两工地注水罪抽温及振动量监飘艘 的理豇敷蚌设? 与功能,讨论丁挺曲量信号的控潞,温度信号肟转换,显示l姓理及通讯功能昔.谖监 嚣故巳成功地在 蛹中投遥. 一 ,引盲 本仪器是为油田高压注水泵主轴的振动. 分析和温度监测而研制的. 该水泵是从国外进口的油田注水设备之 一 ,运行中已连续两次在同一断面处发生主. 轴断裂事故,中方分析属于外方设计错误, 泵轴的设计频率(固有频率)与运行频率相 差太小}而外方则认为是安装及运行中突发 事件引起断裂.由于无泵轴振动量监测设 备,使事情昀处理难以令人信服.由此我们 承担了研制一套振动信号及温度信号的监测 及处理的装置的任务由803t单片机作现场 .数据采集及监测仪,实时将数据传到上位机 IBMPC/XT~频谱分祈处理及打l印 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 等.监测仪的要指标是; 1.位移量采集与显示:要求同时澳j量x 方向和Y方向两个位移l量,量翟?1.25 miD.,精度为0.01mm,可以分别显示x与 Y方向的位移量, 2.温度量采集与显示t监测x和Y方向 的温度,测温范围10,12O?,精度0.5?, 也要求分别显示两个温度值} 3.通讯功能t每2秽将采集的64个位移 量不加处理地送到上位机,并将经过标度变 换及滤波等处理的温度量也送到上幢机} 4.报警及保护功能:监测仪配置8个固 态继电器,能分别发出温度越限的报警和保 护动作信号,以l及蔼动量越限的报警和保护 动作信号,以防止断轴事故的再次发生}仪 器还具有自衿硬故障指示,音响报警等功 能. =,仪器的硬件设计 仪器的整体方框图如图l所示.主要一f 分作以下几个部份t 1.振动信号采集- 被测物体的机械振动信号主要以位移的 方式反映出来,本仪器采用北京测振仪器厂 的HZ一8500系列电漏瀛非接触式弼振传感 器,'其工柞原理如图2}由前置器发出 f圳Hz的射频信号此交变信号,由连接 瞻境剞荃揉头探头昀置柞部份是绕碰陶瓷 芯上的平}面线圈,高频交变电流通过线圈 时,在探头顶部周围的一定范围内就形成交 变磁场,若某被测物体(具有一定鲁和磁性 质)处在磁场的有效范围之内,则物休表面 鞲形廊交赛堪涡流此电流又通过平面线圈 度作用于射频信号..电祸锍的大小与探头至 被测物体的距离(即间隙h.)的大小有 关.当闻隙布变时,前得到一恒幅值信号; 当同隙大小随时间变化时,就形成与间隙变 化规律相同的调幅信号.'谈信号经幅度检波 器屠就在前置器输出端蟾出由闻隙变化成正 比的电压信号.探头与电缆,前置器适当匹 配加上辛偿电路,可在传感器的量程范围 化工自动化及仪表 图l振动一韫度监稿性原理框图 低于10倍. 匿暑振动情母幂集碍【理圉 内获得良好的间隙一电压的线性关系.朔n目 的线性段_范围为一2,-20V左右故在输 出端如了一级反相比例器,将振动信号亵拱 为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的0,5V,进到ADC0809进行模 数转换... 2.温度信号的转换 本仪器所设计的温度测量电踌姆圈3所 示.采用LM324单电源四运靛芯_片,..单级 转换,通过适当选配各电阻值,可以得 到R.在100Q,1450(对应温区0?, 115.35?)变化时,输出电压值为0,5V. 热电阻的非线性和电源电压波动对测强的影 响,都通过软件处理予以消除.使甩表明该 电路绩构简单,在100?变化范围内测薄精 度可达O.5?.设计时应保证It值大于 10mA,并通过调节Rr和R.使放大倍数不 +5V?R 第18卷 圈81温度捌量电路 3.AD转换器 综合考虑仪器舶各项性能指标后,选用 了ADC0809}\位逐项逼近或模敲转换器. 该芯片的AD转换时间约100ps,亦可以响应 10KHz柏信号}电涡流传感器的响应频段 为0,5KHz,水泵的额定转速4500转/分 对应频率为—一Hz,故AD的频响特性 " . ' , 符台夏求八位AD当参考电压为+5V时 分辨率约20mV,位移信号变化的对应关 罨0.01mra转换成20V,满量程?1.25 m盟对应0,2.5mm恰为+5VJ温度信号 1?对应40m~,量程100?对应4V,故该 芯片在速度,分辨率及精度等指标方面都符 合要求.另有两路A.D信号是OV和电源电 霹 第4期化工自动化及设袁 压+5V,它们分别用作仪器自动调零和消 除5V电源波动对运放的影响.设在每一个 测量周期中,连续对0V,5V和信号X进 行采样变换,分别测得数据N.,N和N, 按下式计算测量结果: Vx]'Nx—N (1) 当测量系统放大系数K在这连续三次测量中 保持不变时,若地端电位变为V.,电源端电 位变为(5+V.),信号电位为Vx+Vo, 对应的AD转换值满足No=KV.,Nt= K(5+V0),Nx=K(Vx+V0),代 入(1)式,得 V一一…5,一一 'K(V.+5)一KV0 r1 ? I(Vx+V.)?K—KV.lLJ 一,?KVx=Vx I 该式说明经过这样的实时自检自校和自动数 字调零措施后,测量结果与测量系统的零点 偏移无关,且与电源电压的精度也无关. ADC0809的时钟信号由8031的ALE经 8155分频后提供,转换绪柬信号经反相器后 连到8031的INT.中断,其余有关芯片译 码,通道地址选择等可参文见献[1],此处 不再赘述. 4.操作与显示. 操作部份主要包括六个按钮开关,经驱 动器74LS07后将按钮的高,低电平信号送 至8155芯片的PC口.其中一个按钮作温度 —— 振动量显示切换用,第二个按钮作为x 或Y方向的温度(或振动)显示用,第三个 按钮用作报警设定值显示;第四位按钮柞报 警消音用. 报瞽设定值显示功能是这样设计的不 需改变报警定值时,开关位于OFF,此时 仪表显示监测的温度或位移值;需要修改报 警设定值时,开关位于O,显示嚣显示报 警单元定值内容,并随着第五位按钮的状态 增减定值,增减量为每2秒(程序发送一次 数据)变化0.05个单位(对于温度为?, 对于位移为mm). 显示器为4位数码显示,外加两个发光 二极管指示温度或位移.由8155的PB口和 PA口分别输出八段字形码和数位扫描信 号,经驱动器7407和反相驱动器7452加到 数码管上.温度显示时采用3位整数I位小 数的方式,位移显示以0.01mm为单位,3 位整数和1个符号位.发光二极管由803J的 PI口控制. 5.存储器与通讯接口 仪表的监控程序和运算处理程序放在外 接的8K字节的EPROM2764中.数据存储 器由两部份组成:单片机8031内部的128字 节RAM主要用于工作寄存器,显示缓冲 区,堆栈以及标志位等j8155接口芯片内部 的256字节RAM用于振动量采集数据的存 放,显示用位移和温度值的计算结果等. 通讯接口采用1488和1489电平转换器, 通讯距离不大币l5too 三,系统的软件功能霹特点 系统的监控程序和运算处理程序的主流 程图如图4所示.监控程序采用模块化结 构,使程序清楚,易编性和易读性好,便于 调试和修改. 举系统采用实测教据拟合热电阻——温 度和位穆一数字量值转换关系式的方法, 彻底消除了运放通道及选l配电阻元件的差异 性,以及AD通道性能的不完垒一致性等因 素带来的误差.用电阻箱产生一个温度值, 用开发装置仿真读出仪器的AD转换结果, 再产生一个温度值,再读出对照的AD结 果,在o~--1l5?范围内,共选择2O个点, 将这些温度值和AD值数据利用丈献[2]所 提供的计算公式上机拟合后,分别得到两个 温度通道的电阻——温度转换公式为; 化工自动化及仪表第18卷 田4鞍件直框田 O通道{ t=109.534一O.5975689?V+2.1616 X1O一V,(2) 1通道t t=109.4629—0.5838077-V,+2.030 X1O?V(3) 式中t的单位为?,Vz为反映Rt的AD转换 结果.这种实测数据拟台方法得到的结果不 仅消除了热电阻温度一电阻特性非线性的影 响,而且消除了硬件电路参数不一致的影 响,使用检验证明该方法拟合计算的精度较 高.对于振动量通道,也拟合了类似的公 式,效果都很好. 四,结语 由于本仪器采用了MCS一51单片微计 算机,经过实际运行证明,仪器监测准确, 显示及时,测量精度高,对旋转机械的振动 监视和安全保护有重要作用,因此有可观的 经济效益 对于无上位机的应用场台,只需在软件 中加上快速FFT变换程序,则可以实现监 测和故障诊断一体化的功能,所以本仪器有 较大的应用推广价值. (本文予199o年g月船日收到) 参考文献 [1]镣君警尊摹,单片做壹许算机原理与应用》, . 上海韩学技术出版壮,1988 [2)李平矗,"卡尔曼椎波器的微机窭理及其在建模 与镬撼中曲应册.《电力学刊捧,1989 (上接第O页) sv失电的同时,R失电,其常闭触点闭 合,瑚示灯RL亮.屙对SVt带电,RL,指 示灯亮.RL-安装在控制室内,RLt安装在 现场.这样在现场和室内都可以方便地观察 到设备的运行状况.同样B台工作时,RLz, RL.亮 三,龉冠 整套仪表供风千燥装置设备小巧,一台 千燥器只有寸,5oO×1300ram,绪构紧凄,.占 地只有6n2..电磁阀和气缸阀都很小,程 序线路简单,而且操作非常简便,只需合上 电源开关,干燥器就可自动切换工作,并能 长期运转. 该装置经多年使甩证明,结构合理,工 艺先进,投资少,干燥剂几乎没有损耗,一次 性加足后可连续使用多年,操作方便,维修量 小,除每年全厂设备大修期间对电磁阀和气 缸阔进行保养外,不需要任何修理.使用多 年从未发生过故障,实为大中型化工厂仪表 供风千燥处理的理想设备 (聿文予1090年1OJj7日虹刮)