三用閥試驗臺智能數(shù)顯壓力表的設計和應用
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和顯示的同 時,能夠把壓力數(shù)據(jù)傳送給計算機,計算機根據(jù)釆集到的數(shù)據(jù)畫出三用閥檢測規(guī)程中要求的壓力-時間特性 曲線,并有上、下限設定和報警功能。
0.引言
三用閥(煤炭行業(yè)標準中稱為安全閥)作為單體 液壓支柱(以下稱單體支柱）中不可缺少的一部分,在單體支柱使用過程中起著重要的作用。三用閥可 以使單體支柱加壓、卸載、當超過額定壓力（一般為 38.2 MPa)時溢流。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,有時會出現(xiàn)局部 壓力過大,單體支柱會通過溢流出一部分液體來降低自身高度，使得壓力分散到其它相鄰單體支柱，以 減輕自身承重，起到保護自身的作用。但這種溢流 不能無限制地進行下去，當所受壓力小于額定壓力 的15 %時，三用閥要關閉，繼續(xù)保持單體支柱內(nèi)有 一定的壓力。每個單體支柱生產(chǎn)廠家或者單體支柱 維修中心都有三用閥試驗臺，以檢測三用閥的性能。 目前，普遍釆用傳統(tǒng)的機械壓力表顯示壓力。機械 壓力表存在讀數(shù)不直觀、準確性差等缺點，例如:機 械式壓力表無法準確讀出小數(shù)。如果釆用智能數(shù)顯 壓力表上述問題便迎刃而解了。另外，現(xiàn)有三用閥 試驗臺上的壓力表只有壓力指示，而壓力-時間特 性曲線的檢測在單體支柱生產(chǎn)企業(yè)安全認證時是 一個非常重要的檢測項目。
智能數(shù)顯壓力表既可顯示壓力值,也可通過計 算機將傳送來的壓力值和時間畫出壓力-時間特性 曲線,有自校準和自標定等功能。
1.智能數(shù)顯壓力表的功能
（1）實時顯示數(shù)字壓力；
（2）壓力超過或達不到設定值時報警指示；
（3）具有自校準、自清零、自標定功能,壓力表 操作面板有清零和標定設置按鍵；
（4）通信功能,接收上位計算機發(fā)來的各種命 令,同時反饋給計算機需要的數(shù)據(jù),或者按照計算機 指令完成操作；
（5）智能數(shù)顯壓力表除了能夠?qū)崟r地顯示壓 力,還能把一定時間內(nèi)所測得的壓力值傳給計算機, 由計算機畫出壓力-時間特性曲線。
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、設定報警等模塊組成。硬件系統(tǒng)原 理框圖如圖1所示。
（2）CPU模塊的選型
實現(xiàn)智能化需要有單片機作為核心器件。在選 擇單片機時,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 用閥試驗臺工作環(huán)境較差。并且微處理器釆用弱 電,煤礦生產(chǎn)多數(shù)使用強電設備，電磁環(huán)境復雜,需 要較強的抗干擾能力。硬件系統(tǒng)設計要盡量減少元 件數(shù)目。PHILIPS公司的P89LPC932A1單片機可 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轉(zhuǎn)化為電壓信 號。電阻應變壓力傳感器發(fā)展到今天應用很廣、性 能可靠,具有線性度好、誤差小等優(yōu)點,輸出電壓信 號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定,標定的目的就是確定A/D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字量與壓力值的對應關 系。因為對應關系是線性的,所以只有1個常數(shù)。 壓力傳感器常數(shù)K的計算公式：
K = 40/ (Dmax - D0)
式中：Dmax為壓力為40 MPa時A/D轉(zhuǎn)換出來 的數(shù)字量,D0為壓力為0 MPa時A/D轉(zhuǎn)換出來的 數(shù)字量（由于電橋的不平衡導致0壓力時總有一定 的電壓輸出）。
對于常數(shù)K的計算公式,軟件編程時,可以很 輕松地實現(xiàn)自動計算。
實際測量時,將A/D實時轉(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轉(zhuǎn)換為 單片機可以處理的數(shù)字信號。由于釆集的壓力變化 緩慢,對轉(zhuǎn)換速度要求不高,釆樣周期也沒有特殊要 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) 換傳感器測量到的微小信號;具有高分辨率、寬動態(tài) 范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能,能達到0. 003 %非 線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出；16位數(shù)字量,基準電 壓選擇為2. 5 V ,供電電壓為5 V時,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定, 非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領域的應用。圖2 為A/D轉(zhuǎn)換通道設計電路圖。
(5)通信接口設計
壓力表檢測到的壓力數(shù)據(jù)由通信接口傳輸給計算機,計算機進行數(shù)據(jù)處理,并畫出壓力-時間特性 曲線。在微機室與試驗臺的距離小于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。三用閥試驗臺需要 5個壓力表檢測試驗臺不同部位的壓力值。要隨時 取出每一個表的數(shù)據(jù)就要釆用總線結(jié)構(gòu),本設計用 485總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
（6）顯示模塊設計
用4個LED數(shù)碼管顯示壓力數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)顯示到 小數(shù)點的后2位,計算機接收到的數(shù)據(jù)精確到小數(shù) 點后2位。MAX7219是串行8位LED顯示驅(qū)動集 成電路,廣泛應用于各類單片機控制的智能儀器儀 表中。
（7）設定報警模塊
在壓力表操作面板上有按鍵,可進行閾值的設 定。當數(shù)值超過限值時聲光報警。
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、自標定和清零、復位與看門狗以及報警7個主要 模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。
PC機米用Windows程序開發(fā)技術,可以根據(jù)用戶的具體要求編制出符合要求的界面。
4.應用
壓力表使用之前要標定。首先,在傳感器空載 的情況下，由計算機發(fā)送清零命令,壓力表顯示為 0. 00 ,然后給傳感器加壓,達到40 MPa時,再從計 算機發(fā)出標定命令,壓力表微處理器收到命令后，自 動計算常數(shù)并存儲。
單體液壓支柱維修規(guī)程MT/ T549中對安全閥 的壓力-時間特性曲線的規(guī)定是“流量為90? 110 mL/min時,測得安全閥的溢流曲線應滿足:在 安全閥(三用閥)額定工作液壓的85 %?110 %區(qū)間 內(nèi)，曲線全長壓力波動值不大于額定工作壓力的 15 %”。壓力-時間特性曲線在標準中是抽檢項目， 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,保持一個恒 定的壓力給三用閥,這樣壓力表檢測到的是液壓系 統(tǒng)提供的壓力值,并不能真正反映三用閥的開啟和 關閉特性。
特性曲線的檢測過程:首先開啟試驗臺壓力系 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),通過流量檢測儀調(diào)整流量 在90?110 mL/min之間。此時關閉試驗臺動力使 整個系統(tǒng)處于密封狀態(tài),這時三用閥從開啟狀態(tài)逐 步到關閉密封狀態(tài),關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)傳送到計算機,計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù),畫出壓力 -時間特性曲線。對于合格的三用閥,開啟后壓力 下降不應超過額定壓力的15%,也就是關閉壓力不 小于32.5 MPa。當壓力小于這一值時,設定自動報 警,圖4為壓力-時間特性曲線圖。
5.結(jié)語
該智能數(shù)顯壓力表專門應用于使用三用閥的煤 礦單體支柱生產(chǎn)、維修企業(yè)?？梢愿鶕?jù)用戶的不同 要求擴展其它功能,如果前端連接溫度傳感器,可進 行溫度的測量。通過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用性。
