文章介绍了一种智能数显压力表的硬件组成和软件结构。该压力表在完成压力检测和显示的同时,能够把压力数据传送给计算机,计算机根据釆集到的数据画出三用阀检测规程中要求的压力-时间特性曲线,并有上、下限设定和报警功能。
0.引言
三用阀(煤炭行业标准中称为安全阀)作为单体液压支柱(以下称单体支柱）中不可缺少的一部分,在单体支柱使用过程中起着重要的作用。三用阀可以使单体支柱加压、卸载、当超过额定压力（一般为38.2MPa)时溢流。溢流的作用非常重要,煤矿生产釆煤工作面的压力分布不均衡,有时会出现局部压力过大,单体支柱会通过溢流出一部分液体来降低自身高度，使得压力分散到其它相邻单体支柱，以减轻自身承重，起到保护自身的作用。但这种溢流不能无限制地进行下去，当所受压力小于额定压力的15%时，三用阀要关闭，继续保持单体支柱内有一定的压力。每个单体支柱生产厂家或者单体支柱维修中心都有三用阀试验台，以检测三用阀的性能。目前，普遍釆用传统的机械压力表显示压力。机械压力表存在读数不直观、准确性差等缺点，例如:机械式压力表无法准确读出小数。如果釆用智能数显压力表上述问题便迎刃而解了。另外，现有三用阀试验台上的压力表只有压力指示，而压力-时间特性曲线的检测在单体支柱生产企业安全认证时是一个非常重要的检测项目。
智能数显压力表既可显示压力值,也可通过计算机将传送来的压力值和时间画出压力-时间特性曲线,有自校准和自标定等功能。
1.智能数显压力表的功能
（1）实时显示数字压力；
（2）压力超过或达不到设定值时报警指示；
（3）具有自校准、自清零、自标定功能,压力表操作面板有清零和标定设置按键；
（4）通信功能,接收上位计算机发来的各种命令,同时反馈给计算机需要的数据,或者按照计算机指令完成操作；
（5）智能数显压力表除了能够实时地显示压力,还能把一定时间内所测得的压力值传给计算机,由计算机画出压力-时间特性曲线。
2.硬件系统
(1)硬件系统组成
硬件系统由微处理器、压力传感器、A/D转换器、显示、通信、设定报警等模块组成。硬件系统原理框图如图1所示。
（2）CPU模块的选型
实现智能化需要有单片机作为核心器件。在选择单片机时,就要考虑多方面的因素。环境条件是要考虑的首要因素,在煤矿生产的大环境下,一般三用阀试验台工作环境较差。并且微处理器釆用弱电,煤矿生产多数使用强电设备，电磁环境复杂,需要较强的抗干扰能力。硬件系统设计要尽量减少元件数目。PHILIPS公司的P89LPC932A1单片机可满足这些条件。
（3）压力传感器
压力传感器的作用是将压力信号转化为电压信号。电阻应变压力传感器发展到今天应用很广、性能可靠,具有线性度好、误差小等优点,输出电压信号可线性地反映压力的变化。为提高传感器精度,供电电压选择为12V,最大量程选择为60MPa。
压力传感器使用之前都要标定,标定的目的就是确定A/D转换出来的数字量与压力值的对应关系。因为对应关系是线性的,所以只有1个常数。压力传感器常数K的计算公式：
K=40/(Dmax-D0)
式中：Dmax为压力为40MPa时A/D转换出来的数字量,D0为压力为0MPa时A/D转换出来的数字量（由于电桥的不平衡导致0压力时总有一定的电压输出）。
对于常数K的计算公式,软件编程时,可以很轻松地实现自动计算。
实际测量时,将A/D实时转换的数字量D与D0相减,差值乘以K即得到压力数值。这些都由软件完成。
(4)A/D转换器
A/D转换器将传感器输出的电压信号转换为单片机可以处理的数字信号。由于釆集的压力变化缓慢,对转换速度要求不高,釆样周期也没有特殊要求,可选用AD7705接口芯片。AD7705是16位
2-A式A/D转换器,它釆用三线串行接口，能大大节省单片机的口线。该转换器包括由缓冲器和增益可编程放大器组成的前端模拟调节电路,能直接转换传感器测量到的微小信号具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能,能达到0.003%非线性的16位无误码数据输出；16位数字量,基准电压选择为2.5V,供电电压为5V时,满量程输入为2.5mV,其增益和数据输出更新率均可编程设定,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。图2为A/D转换通道设计电路图。
(5)通信接口设计
压力表检测到的压力数据由通信接口传输给计算机,计算机进行数据处理,并画出压力-时间特性曲线。在微机室与试验台的距离小于15m的情况下,可釆用RS232接口方式。但要注意RS232接口地线与单片机地线的隔离,最好选用串口光电隔离器,将2部分电路互相隔离。三用阀试验台需要5个压力表检测试验台不同部位的压力值。要随时取出每一个表的数据就要釆用总线结构,本设计用485总线结构实现数据的传输。
（6）显示模块设计
用4个LED数码管显示压力数据,数据显示到小数点的后2位,计算机接收到的数据精确到小数点后2位。MAX7219是串行8位LED显示驱动集成电路,广泛应用于各类单片机控制的智能仪器仪表中。
（7）设定报警模块
在压力表操作面板上有按键,可进行阈值的设定。当数值超过限值时声光报警。
3.软件系统
(1)软件模块
系统软件主要包括主程序、通信、A/D转换、显示、自标定和清零、复位与看门狗以及报警7个主要模块。系统软件框图如图3所示。
PC机米用Windows程序开发技术,可以根据用户的具体要求编制出符合要求的界面。
4.应用
压力表使用之前要标定。首先,在传感器空载的情况下，由计算机发送清零命令,压力表显示为0.00,然后给传感器加压,达到40MPa时,再从计算机发出标定命令,压力表微处理器收到命令后，自动计算常数并存储。
单体液压支柱维修规程MT/T549中对安全阀的压力-时间特性曲线的规定是“流量为90?110mL/min时,测得安全阀的溢流曲线应满足:在安全阀(三用阀)额定工作液压的85%?110%区间内，曲线全长压力波动值不大于额定工作压力的15%”。压力-时间特性曲线在标准中是抽检项目，不论是三用阀生产企业还是使用单位,必须能够画出特性曲线。但是实际操作中，如果保持三用阀处在溢流状态,需要液压系统不停地工作,保持一个恒定的压力给三用阀,这样压力表检测到的是液压系统提供的压力值,并不能真正反映三用阀的开启和关闭特性。
特性曲线的检测过程:首先开启试验台压力系统,加压到38.2MPa额定压力并保持,调整三用阀,使其打开在溢流状态,通过流量检测仪调整流量在90?110mL/min之间。此时关闭试验台动力使整个系统处于密封状态,这时三用阀从开启状态逐步到关闭密封状态,关闭后压力要保持不变。压力表上显示三用阀上压力的变化情况,并且不断地把数据传送到计算机,计算机根据这些数据,画出压力-时间特性曲线。对于合格的三用阀,开启后压力下降不应超过额定压力的15%,也就是关闭压力不小于32.5MPa。当压力小于这一值时,设定自动报警,图4为压力-时间特性曲线图。
5.结语
该智能数显压力表专门应用于使用三用阀的煤矿单体支柱生产、维修企业。可以根据用户的不同要求扩展其它功能,如果前端连接温度传感器,可进行温度的测量。通过在多家单体支柱维修厂的使用表明,该智能压力表具有较好的可靠性和实用性。 |
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