燃?xì)獗黼姍C(jī)閥參數(shù)檢測(cè)裝置

于千博，毛謙敏

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 引言

燃?xì)獗韽V泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和居民日常生活中，是一種重要的氣體流量檢測(cè)儀表[1]。其中，電機(jī)閥是控制燃?xì)獗磉M(jìn)出氣體的重要部件，電機(jī)閥要求能一次開關(guān)到位防止燃?xì)庑孤2]。其質(zhì)量的好壞，不僅影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是因質(zhì)量問題引起的泄漏將對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅[3]。

隨著微電子技術(shù)及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有研究者研制了相關(guān)電機(jī)閥檢測(cè)裝置[4]。傳統(tǒng)的電機(jī)閥檢測(cè)裝置，使用不同的儀表對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，利用CAN總線通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理[5]。雖采集精度滿足要求，但需購(gòu)置多臺(tái)儀表，一次只能檢測(cè)一個(gè)電機(jī)閥，成本高，檢測(cè)效率低。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套雙檢測(cè)臺(tái)電機(jī)閥檢測(cè)裝置，每個(gè)檢測(cè)臺(tái)有5個(gè)工位，一次能對(duì)5個(gè)電機(jī)閥開關(guān)動(dòng)作時(shí)電機(jī)的工作電流、內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)，并能判斷開關(guān)閥到位情況。雙檢測(cè)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在X檢測(cè)臺(tái)工作的同時(shí)，完成對(duì)Y檢測(cè)臺(tái)工位上待檢產(chǎn)品的裝卸，極大提升了檢測(cè)效率。

1 檢測(cè)原理

1.1 內(nèi)阻檢測(cè)原理

電機(jī)閥內(nèi)部裝有一個(gè)小型直流電機(jī)，電機(jī)內(nèi)部等效電路如圖1所示。當(dāng)開關(guān)閉合后，加載于電機(jī)閥兩端電壓[6]為

(1)

式中：UM為電機(jī)閥兩端電壓；IM為回路電流；RM為電機(jī)閥內(nèi)阻；LM為電機(jī)閥內(nèi)阻等效電感；EM為回路反電動(dòng)勢(shì)。

圖1 電機(jī)內(nèi)部等效電路圖

當(dāng)閥瓣開關(guān)到位后，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)兩端仍加有電壓。此時(shí)，電機(jī)閥內(nèi)阻不切割磁感線，沒有反電動(dòng)勢(shì)EM。堵轉(zhuǎn)電流也保持不變，電感自感電壓為0。根據(jù)式(1),可求得電機(jī)閥兩端的電壓為

UM=IMRM

(2)

為了求取式(2)中的電流IM，可將電機(jī)閥與一個(gè)高精度1 Ω電阻串聯(lián)。電機(jī)閥堵轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量電阻兩端的電壓，由于是純阻性器件，根據(jù)歐姆定律計(jì)算得到整個(gè)回路的電流值，根據(jù)式(2)，可以求得電機(jī)閥內(nèi)阻。

1.2 閥瓣到位檢測(cè)原理

閥瓣開關(guān)距離為7 mm，本裝置只需判斷開關(guān)到位情況，不需要得到具體位移參數(shù)，故使用反射式光電傳感器，檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 反射式光電傳感器檢測(cè)原理圖

本裝置使用的反射式光電傳感器是GP2A25，其探測(cè)量程為3～7 mm。當(dāng)物體處于傳感器探頭探測(cè)范圍內(nèi)，傳感器將輸出低電平，處于探測(cè)范圍外，輸出高電平。將光電傳感器置于距離閥瓣2 mm處，閥瓣開關(guān)動(dòng)作時(shí)依據(jù)輸出引腳的電平信號(hào)，判斷開關(guān)閥是否到位。

1.3 檢測(cè)通道切換原理

每個(gè)電機(jī)閥電參數(shù)經(jīng)過硬件電路處理將產(chǎn)生3路電壓信號(hào)，分別是1 Ω電阻兩端經(jīng)處理后的電壓值，電機(jī)閥兩端經(jīng)處理后的電壓值和反射式光電傳感器輸出分壓后的值。10個(gè)電機(jī)閥將產(chǎn)生30路信號(hào)，占用30個(gè)通道。而STM32F103ZET6芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器最多可使用16個(gè)通道。因此，需要對(duì)輸入STM32單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行切換選擇。如圖3所示，將X檢測(cè)臺(tái)的15路電壓信號(hào)分別與Ax1Bx1Cx1—Ax5Bx5Cx5連接，Y檢測(cè)臺(tái)的15路電壓信號(hào)分別與Ay1By1Cy1—Ay5By5Cy5連接，A1B1C1—A5B5C5這15個(gè)輸出端連接到STM32單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的15個(gè)通道對(duì)應(yīng)的I/O口。通過切換開關(guān)，將X、Y檢測(cè)臺(tái)數(shù)據(jù)交替輸入到STM32單片機(jī)中處理。

圖3 檢測(cè)通道切換原理圖

2 總體設(shè)計(jì)方案

本裝置設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6為核心處理器的測(cè)量控制電路，具體包括按鍵電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、模擬開關(guān)電路、聲光報(bào)警電路、信號(hào)放大和信號(hào)調(diào)理電路。其中，按鍵KX和KY選擇檢測(cè)工作臺(tái)并開啟對(duì)應(yīng)的通道開關(guān)，STM32單片機(jī)I/O口輸出高低電平控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，各參數(shù)信號(hào)經(jīng)處理后由模擬開關(guān)電路輸入到STM32單片機(jī)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，檢測(cè)結(jié)果顯示在LCD屏幕上。如果檢測(cè)結(jié)果不合格，則LED燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警。裝置檢測(cè)流程框圖如圖4所示。

圖4 裝置檢測(cè)流程框圖

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

傳統(tǒng)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是由2個(gè)P型和2個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋電路。但是由于兩種場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)不同，具有電流不穩(wěn)定，開關(guān)時(shí)間不一致等缺點(diǎn)[7]?？紤]到上述缺點(diǎn)，選用DRV8837芯片實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電路功能。該芯片體積小，最大能輸出1.8 A驅(qū)動(dòng)電流，只需要改變輸入端的引腳電平就可以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。其電路連接如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路圖

圖5中J1連接電機(jī)閥，J2可選擇將芯片的休眠控制端連接電源或者地，從而控制芯片處于正常工作狀態(tài)或休眠模式。芯片真值表如表1所示。

表1 DRV8837真值表

3.2 信號(hào)放大電路

由于1 Ω電阻兩端電壓特別小，選用INA128儀表放大器對(duì)1 Ω兩端電壓信號(hào)進(jìn)行放大，方便STM32單片機(jī)采集處理。圖6為信號(hào)放大電路圖。

圖6 信號(hào)放大電路圖

通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RG可以調(diào)節(jié)INA28輸出增益[8]。增益G計(jì)算公式為

(3)

式中RS取固定值，為50 kΩ。

調(diào)節(jié)RG將INA128的輸出增益控制在15～20倍，便于信號(hào)的采集與處理。放大電路的輸出電壓為

UO1=(VIN+-VIN-)G+VRef

(4)

式中：UO1為電路的輸出電壓；VIN+-VIN-為1 Ω兩端電壓；VRef為芯片的參考電壓，電路中與地相連，故VRef為 0 V。

3.3 信號(hào)調(diào)理電路

電機(jī)閥開關(guān)動(dòng)作時(shí)，其兩端電壓處于正負(fù)交替變化狀態(tài)，1 Ω兩端電壓也正負(fù)交替出現(xiàn)。而STM32單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器只能采集轉(zhuǎn)換正電壓。因此使用OP07運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一款同相加法電路，將正負(fù)變化的電壓整體抬高一定幅值，使輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓值恒為正，并且滿足量程[9]。信號(hào)調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路圖

根據(jù)虛短、虛斷原理[10]，可求得：

(5)

式中Ui2為恒定5 V電壓。

3.4 模擬開關(guān)電路

如果使用傳統(tǒng)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)圖3功能，硬件電路將十分復(fù)雜，而且需要手動(dòng)切換通道。因此，使用CD4053芯片來實(shí)現(xiàn)圖3所示的電路功能。CD4053擁有6路輸入3通道輸出，與STM32單片機(jī)連接如圖8所示。當(dāng)芯片INH管腳處于低電平，且A、B、C管腳輸入全部為低電平時(shí)，X檢測(cè)臺(tái)引腳經(jīng)CD4053與STM32單片機(jī)I/O口連通；A、B、C管腳輸入全部為高電平時(shí)，Y檢測(cè)臺(tái)引腳經(jīng)CD4053與STM32單片機(jī)I/O口連通。

圖8 CD4053連接圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件運(yùn)行流程

裝置啟動(dòng)后，軟件程序初始化等待按鍵命令。按下按鍵KX或KY后，STM32單片機(jī)依據(jù)不同按鍵命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制程序、通道切換程序、數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)計(jì)算程序、顯示程序和結(jié)果判斷程序。其流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

4.2 濾波算法

由于外界噪聲的存在，儀表放大器在放大mA級(jí)別的電壓信號(hào)的同時(shí)也會(huì)將信號(hào)噪聲放大，造成波形失真，因此分別采用限幅濾波法和限幅平均濾波法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理[11]。

4.2.1 限幅濾波法

此方法的原理是預(yù)先設(shè)定好2次采樣的最大允許誤差X，這里設(shè)置X=10。設(shè)連續(xù)2次檢測(cè)值的差值絕對(duì)值為Y=|Yi-Yi-1|，若Y>X,，則認(rèn)為Yi是干擾信號(hào)，使用Yi-1替換該值；若Y≤X，則認(rèn)為此次采樣值Yi為有效值。此方法適用于采集堵轉(zhuǎn)電流時(shí)濾除偶然因素造成的脈沖信號(hào)干擾。

4.2.2 限幅平均濾波法

該算法是先對(duì)采集的信號(hào)做限幅濾波法，然后將連續(xù)采集的N個(gè)值看作一組長(zhǎng)度固定的隊(duì)列，這里設(shè)N=10。每次采集的新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并去除原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，然后將新得到N個(gè)值取算數(shù)平均值，即為新的濾波結(jié)果。該算法在限幅濾波法的基礎(chǔ)上，克服了其平滑度差的缺點(diǎn)，并且對(duì)周期性的干擾有較好的抑制，適用于處理電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

電機(jī)閥內(nèi)阻合格范圍為33～36 Ω，裝置對(duì)電機(jī)閥內(nèi)阻檢測(cè)值與真實(shí)值偏差應(yīng)小于±0.5 Ω。開關(guān)閥合格電流分別為30～ 40 mA和-20～ -10 mA。為了能實(shí)現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，將開關(guān)閥時(shí)間分別設(shè)置為2 700 ms和720 ms。圖10為電機(jī)閥實(shí)物圖。

圖10 電機(jī)閥實(shí)物圖

5.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.2.1 閥瓣位移檢測(cè)

在閥門未開始動(dòng)作時(shí)，GP2A25輸出高電平。當(dāng)開關(guān)閥動(dòng)作進(jìn)行到一半時(shí)，閥瓣處于傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)，傳感器輸出低電平。當(dāng)開關(guān)閥動(dòng)作完成，閥瓣距離傳感器分別為2 mm和9 mm，在檢測(cè)范圍外，傳感器輸出高電平。對(duì)一次開關(guān)閥動(dòng)作時(shí)2組傳感器電平輸出值進(jìn)行“與”邏輯運(yùn)算，如果運(yùn)算結(jié)果為“高低高”，則證明開關(guān)閥成功完成，否則，開關(guān)閥失敗。

5.2.2 電阻測(cè)試

設(shè)定A/D采樣頻率為500 Hz，INA128增益為20，開閥關(guān)閥電流波形如圖11(a)和圖11(b)所示。

(a)開閥電流波形圖

(b)關(guān)閥電流波形圖圖11 開關(guān)閥電流波形圖

由圖11可知，在開閥動(dòng)作0.8～2.1 s，關(guān)閥動(dòng)作160～500 ms期間，電機(jī)閥處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，這段時(shí)間內(nèi)電流值的算數(shù)平均值即為穩(wěn)態(tài)工作電流，可求得開閥電流為37.64 mA，關(guān)閥電流為-13.89 mA，符合標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)合格。在開閥動(dòng)作2.2～2.7 s和關(guān)閥動(dòng)作550～720 ms期間，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，且堵轉(zhuǎn)電流保持不變，由式(6)、式(7)可得電阻值。

(6)

(7)

式中：Ur為堵轉(zhuǎn)時(shí)電阻R5兩端電壓;VO為堵轉(zhuǎn)時(shí)OP07運(yùn)算放大器輸出電壓分壓后輸入STM32單片機(jī)的電壓。

為了驗(yàn)證裝置的檢測(cè)精度，對(duì)一個(gè)工位的電機(jī)閥進(jìn)行5次檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

將直流電阻儀檢測(cè)電阻值視為電機(jī)閥內(nèi)阻真實(shí)值，裝置5次測(cè)量的絕對(duì)誤差均小于±0.5 Ω，滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套雙檢測(cè)臺(tái)燃?xì)獗黼姍C(jī)閥參數(shù)檢測(cè)裝置，以STM32單片機(jī)為主控芯片，輔以其他硬件電路和傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)閥開關(guān)時(shí)工作電流、內(nèi)阻等參數(shù)的檢測(cè)，并能判斷閥門開關(guān)到位情況。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該裝置能實(shí)現(xiàn)多工位多參數(shù)測(cè)量，檢測(cè)效率和檢測(cè)精度高，可以應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)檢測(cè)中。