CN2256534Y - 智能化便携式气体流速仪 - Google Patents

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CN2256534Y CN 95244360 CN95244360U CN2256534Y CN 2256534 Y CN2256534 Y CN 2256534Y CN 95244360 CN95244360 CN 95244360 CN 95244360 U CN95244360 U CN 95244360U CN 2256534 Y CN2256534 Y CN 2256534Y
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朱苏康
张志奋
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Abstract

本实用新型智能化便携式气体流速仪是对现有纺织工艺在线的流速测量仪器的新改进，它由总压采集、传输、电测系统和量化、数据处理系统两个部分组成。本仪器具有结构轻巧、使用方便、成本低廉、频率响应性能良好、测试准确的特点，能适应纺织工程各种恶劣环境的气体流速测量。

Description

智能化便携式气体流速仪
本实用新型涉及纺织工程中工艺气流的流速测定仪器。具体地说是用于测量定常或脉动的管道流和自由沉没射流，流速为10-160米/秒。
气体流动测试是纺织工艺过程中参数控制的关键之一，这种气体流动通常是一维定常或脉动流。
传统的流速测试工作中应用了毕托管测量方法，该方法虽然简单，但由于以汞柱高度差作速度换算，故仪器动态响应特性极差，只能用于定常流动的速度测量，并且不具备测定结果自动处理和记录功能。
激光多普勒流速测量方法具有测试准确且适宜于脉动流速测定等优点。但是，激光测速仪价格昂贵，普及性差，测试过程中仪器对环境要求极高。然而，用作纺织工艺过程的流速在线测试的常规仪器不仅应具有手动触发和脉冲触发执行测定、结果打印及显示的功能，而且要操作简便、仪器体积小、重量轻、能用于振动、纤维、尘埃、高温、高湿等环境比较恶劣的测试场合。显然，激光多普勒测速方法是不合适的，因而它在纺织工艺过程的流速在线测量工作中应用极少。
热线风速仪也是一种常规的流速测量仪器，它以高温加热的热线探头来感应流体速度。纺织流体所载有的纤维、尘杂、油、水等会冲断纤细的热线，中断测试过程，或在高温的热线上烧灼，严重影响测试的准确程度。同时，仪器较大的体积和较高的价格，都是阻碍它在纺织工艺过程流速在线检测中广泛应用的因素。
由本发明人以往建立的、与本实用新型比较接近的“压力一速度”测试方法是一种改进后的毕托管测量方法，见纺织学报1991年第10期第28-30页<喷气织机引纬流场的计算机辅助测试方法>。该方法测试准确、动态频率响应效果较好。由于仪器以微型计算机系统作为采样控制和数据处理、结果显示部件，因此体积庞大、价格较高、使用也有一定的技术难度。所以，它的应用面狭窄，常局限于实验研究等为数不多的场合。
本实用新型目的在于提供一种测试准确、重量轻、体积小、成本低、使用方便，能适应纺织工程各种恶劣测试环境的智能化便携式气体流速仪。
本实用新型仪器的设计原理为毕托管原理，即通过流体总压Pt和测点处静压Ps的测定来计算流速V，计算公式为：
Figure Y9524436000031
式中： ——空气密度
考虑到流速测定范围为10-160米/秒，流体作为不可压缩流体，且测点处静压Ps与总压Pt之比数值极小(小于1/30)，为简化测试装置及数据处理过程，本仪器忽略静压对流速计算的影响。计算和实验都证明了：由此而产生的测量误差小于5％，完全能满足纺织工程测量的精度要求。于是流速测量公式为：
Figure Y9524436000042
本实用新型仪器结构如图1所示。它由总压采集、传输、电测系统和量化、数据处理系统两个部分组成。总压采集、传输、电测系统包括总压测管1、压力传输管2、涨丝式压力传感器(型号CYS)3，量化、数据处理系统包括高精度载波稳零放大器(型号ICL7650)4、精密基准电压集成块(型号MC1403)5、模数转换器(型号ADC0804)6、单片机(型号8039)7、EPROM存储器(型号2716)8、地址锁存器(型号74LS373)9、译码器(型号74LS154)10、反相器(型号74LS04)11、光电耦合器组(型号4N25，14只)12和带有微型打印机的计算器(型号CASIO HR-8B)13。
总压采集、传输、电测系统元件尺寸和连按。为减少测压探头对流场的干扰，并考虑到系统频率响应因素，总压测管1应按照附图2所示的尺寸要求制作：D1为1.0-1.6mm，D2为1.45D1，L1为8D2，L2为8-41D2，R＞2mm其材料为不锈钢管。压力传输管2为厚壁塑料管，管内径为1.6-3.0mm，壁厚为1-2mm，管子长度为50-350mm。涨丝式压力传感器3的1、3端接5V，输出端2(OUT)与高精度载波稳零放大器4的IN端相连接，4端接地。总压测管1、压力传输管2、涨丝式压力传感器3之间的空气通道采用异径平滑过渡连接。总压测管1将滞止点气体总压通过压力传输管2传递到涨丝式压力传感器3，涨丝式压力传感器3把滞止点流体总压转化为毫伏级电压量。由此所构成的总压采集、传输、电测系统(图1中1、2、3)适宜于各种纺织工程测试环境，并且对被测流场干扰较小，系统具有良好的频率响应特性，最高信号频率可达500赫兹。
量化、数据处理系统的电路连接如图3所示。涨丝式压力传感器3输出的信号电压经高精度载波稳零放大器4放大后，从高精度载波稳零放大器4的10端输出。高精度载波稳零放大器4的10端与模数转换器6的Vin(+)端连接。模数转换器6的参考电压Vref2端经电位器W2与精密基准电压集成块5的V0端连接，电位器W2用来调整精密电压数值(通常为2.5伏左右)，从而改变模数转换器6的量程(用作标定过程中放大倍数调整)。模数转换器6的Vin(-)端经电位器W1按5V电平，调节W1可以调整模数转换器6的零位电压。模数转换器6在单片机7的控制下进行工作。单片机7的P10、 RD、 WR端分别与模数转换器6的 CS、 RD、WR端连接，控制模数转换器6的启动和从模数转换器6读取数据。单片机7的DB0-DB7端分别与模数转换器6的DB0-DB7端连接作数据总线，同时又与地址锁存器9的1D-8D端连接作EPROM存储器8的低八位的地址总线。单片机7的DB0一DB7端分别与EPROM存储器8的DB0-DB7端连接，作数据总线。单片机7的P20-P22端分别与EPROM存储器8的A8-A10端连接作高三位的地址总线(2716的地址总线寻址范围为2K)。单片机7的VDD、 SS、EA端接5V，单片机7的 PSEN端与EPROM存储器8的OE端连接，单片机7的ALE端与地址锁存器9的ALE端连接，地址锁存器9的1Q-8Q端分别与EPROM存储器8的A0-A7端连接，单片机7的P11-P14端分别与译码器10的A、B、C、D连接，单片机7的P17端与反相器11的A3端连接。单片机7的P25端通过按键K1接5V电平，作为“零漂记忆程序分支”的选通开关。单片机7的P26端通过按键K2接5V电平，作为“定常及标定、校零程序分支的选通开关。单片机7的P27端通过按键K3接通5V电平，作为“状态值测量程序分支”的选通开关。单片机7的T1端通过按键K4接5V电平，作为状态值测量的触发开关。单片机7的P24端与译码器10的G1、G2端连接，输送译码器的选通信号(低电平有效)。译码器10的1-8、10、13-15、17输出端分别与光电耦合器组12中13个光电耦合器4N25的2端相连。反相器11的4输出端与光电耦合器组12中第14只光电耦合器4N25的2端连接。光电耦合器4N25的1端经电阻接5V电平。带有微型打印机的计算器13的各个按键(0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、＝、.、÷、P/#)接触点分别与相应的光电耦合器4N25的4和5端相连。每当某一光电耦合器导通时，计算器完成一次相应的键入动作。
量化、数据处理系统的电路工作原理。滞止点气体总压经总压测管1、压力传输管2、涨丝式压力传感器3后转化为毫伏级总压变化信号电压，经高精度载波稳零放大器4放大，放大后的伏级电压送模数转换器6。在单片机7的控制下模数转换器6完成模数转换并将数据输入到单片机7，由单片机7进行一系列数据处理工作，所得的中间结果经光电耦合器组12输入到带有微型打印机的计算器13，并在单片机7的控制下由带有微型打印机的计算器13完成测量结果的计算、显示及打印。
单片机的测量控制程序框图如图4示。图中14是将计算器13初始化，15是P2端数值(程序分支开关标志)送累加器A，16是判断是否转入程序分支1(零漂记忆程序分支)，17是判断是否转入程序分支2(定常及标定、校零程序分支)，18是判断是否转入程序分支3(状态值测量程序分支)，19是死循环(仪器进入等待状态)，20和21都是连续采样32个，22是每当T1＝1(特定状态)时采样，共采样32个，23是对32个数据作四舍五入平均，24是对平均值作零漂修正，25是判断程序转入第1、2页还是第3、4页平方根表及其查表程序，26是判断程序转入第1页还是第2页平方根表及其查表程序，27是判断程序转入第3页还是第4页平方根表及其查表程序，28、29、30、31分别是根据第1、2、3、4页平方根表查出平方根值，将平方根值键入到计算器13，32是单片机7依次将“/”、“8”、“·”、“7”、“3”、“＝”键入到计算器13，33是对32个数据的平均值作四舍五入处理并放入地址为60H的零漂修正值存储单元中，34和35是单片机7将“P/#”键入到计算器13，36、37、38为死循环。
程序清单见第  页，程序共分为20段。第1段(地址0000H-000AH)是将计算器13初始化，对应图4中14，第2段(地址0013H-0026H)是启动模数转换子程序，第3段(地址0100H-010AH)是控制程序分别流向程序分支1、2、3，对应图4中15、16、17、18，第4段(地址0110H-012CH)是连续采样32个并存放在以20H为首址的内存区域中，第5段(地址0140H-0166H)是作为程序分支2，完成连续采样32个，并存放在以20H为首址的内存区域中等一系列后续工作，对应图4中21直至34、37流程，第6段(地址0170H-01FFH)是将32个数据作四舍五入平均，然后进行零漂修正，查表计算平方根值，并将平方根值键入到计算器13，最后单片机7依次将“/”、“8”、“·”、“7”、“3”、“＝”键入到计算器13，对应图4中23、24、 25、26、27、28、29、30、31、32，第7段(地址0720H-0737H)为零漂修正子程序，第8段(地址0200H-0211H)是控制查表程序流向的子程序，对应图4中25、26、27，当零漂修正后的数值为00D-63D时转第1页，数值为64D到127D时转第2页，数值为128D到191D时转第3页，数值为192D到225D时转第4页，第9段(地址0300H-037FH是第1页平方根表，对应图4中28，第10段(地址03C5H-03D0H)是第1页平方根表的查表程序，并将平方根值键入到计算器13，对应图4中28，第11段(地址0400H-04BFH)、第12段(地址0500 H-05BFH)、第13段(地址0600H-06BFH)分别是第2、3、4页平方根表，对应图4中29、30、31，第14段(地址04C5H-04D9H)、第15段(地址05C5H-05D9H)、第16段(地址06C5H-06D9H)分别是第2、3、4页平方根表的查表程序，并将平方根值键入到计算器13，对应图4中29、30、31，第17段(地址0220H-0236H)是将累加器A中的内容键入到计算器13的子程序，累加器A中的内容与键入到计算器13的字符关系如表1示，第18段(地址01D0H-01DCH)是程序分支1，完成零漂修正值的32个采样、平均等工作，然后将经四舍五入处理的平均值放入60H存储单元中，对应图4中20直到33、36流程，第19段(地址01E0H-01FCH)是程序分支3，完成对某一状态(T1＝1时)值的测定，共测32次，然后作四舍五入平均及后续计算，最后显示打印测定的结果，对应图4中22直到35、38流程，第20段(地址0700H-0707H)是启动模数转换并数据存储子程序。表1累加器内容1FH 17H 1BH 13H 0FH OBH 05H 01H 03H 07H 81H 09H 19H 0DH字符       0   1   2   3   4   5   6   7   8   9  ＝  ÷  ·  P/#
仪器的电源采用常用的电源电路(见图5，本说明书不再详述)，电源输出有6V(500mA)、+5V(1000mA)、-5V(200mA)三种电压，共4路。
仪器开机时，校零及标定工作通过调节模数转换器6的零位电压Vin(-)和参考电压Vref2来实现，调节之后，对应总压测管1上施加零气压和某一预定气压时(如220mmH2O)，打印的测量结果应为零流速和某一预定流速(如57.13m/s)。
由总压采集、传输、电测系统和量化、数据处理系统两个部分组成的仪器结构轻巧。其外形尺寸为60毫米×108毫米×253毫米，重量为1000克，具有便携式的特点。
本实用新型的优点在于：
(1)具有一定的测试准确程度，误差小于5％。良好的频率响应特性，最高信号频率达500赫兹。
(2)体积小、重量轻，属便携式仪器。仪器的硬件包括简单的总压采集、传输及电测系统，单片机系统，带微型打印机的计算器和电源，因此仪器十分轻巧，能方便地在测试现场携带，用作在线检测。
(3)具有多种智能化功能，适用于各种恶劣的测试环境。仪器采用单片机技术，测试过程由程序控制。能手动触发或脉冲触发对流体总压进行采样、转换和存储，并根据所执行的不同的程序分支，选择相应的采样方式和采样个数。然后，在程序控制下自动完成数据处理、打印、显示等工作。测试过程中，各种因素造成的仪器零位漂移，由软件自动校正。以总压测管1和压力传输管2构成的检测部件与被测流体接触，总压测管1和压力传输管2分别以耐用、防腐蚀的不锈钢管和厚壁塑料管加工而成。因此，被测流体的各种载体以及测试环境的振动、高温、高湿等不会影响检测部件和仪器其它部分的正常工作。
(4)成本低、功耗小、使用方便。仪器选用了常见的低能耗集成元件和价格低廉的计算器，因此仪器成本低、功耗小。使用时，将总压测管1固定在被测点上，按下功能键之后，仪器便自动完成测试工作。仪器操作简单，使用也很方便。
图1为仪器工作原理框图，图2为总压测管结构图，图3为量化、数据处理系统(包括涨丝式压力传感器3)的电路图，图4为单片机7的测量控制程序框图，图5为电源电路图。
实例：在试验台上测定津田驹喷气织机(ZA200-190)主喷嘴射流核心区轴线上某点流速。随机地变化供气压力，以改变该点流速大小，测试结果如表2所示。表2内还列举了同时对本实用新型作对比测试的激光多普勒测试仪(型号LDA-10)的流速测试值。对比结果表明：以激光多普勒测速仪测试值为准，本实用新型的测量误差一般小于5％。表2：
  序号 智能化便携式气体流速仪 激光多普勒测速仪LDA-10型  相对误差(％)
    1   37.1945     38.9757     4.6
    2   48.8842     48.4148     1.0
    3   49.9469     50.4134     1.5
    4   51.0096     51.5042     1.0
    5   60.5739     59.6100     1.6
    6   91.3921     93.2590     2.0
    7   105.2072     103.2029     1.9
   程序清单
    0000    MOV A，#81H

        OUTL P1，A

        CALL 223H

        MOV A，#1FH

        CALL 220H
0009    CALL 100H
0013    MOV A，#FFH
0015    DEC A

        NOP

         .

         .

        NOP

        JNZ 15H

        MOVX A，@R1

        ORL P1，#01H
0026    RET
0100    IN A，P2

        JB5 DOH

        JB6 40H

        JB7 EOH

        MOV A，#FFH
0109    JNZ 09H
0110    ANL P1，#FEH

        MOVX A，@R1

        ORL P1，#01H

        NOP

         .

         .

        NOP

        MOV R0，#20H

        MOV R1，#FFH

        M0V R2，#20H
0121    ANL P1，#FEH

        MOVX @R1，A

        CALL 13H

        MOV @R0，A

        1NC R0

        DJNZ R2，21H
012A    CALL 170H
012C    RET
				
				<dp n="d7"/>
0140    ANL P1，#FEH

        MOVX A，@R1

        0RL P1，#01H

        MOV R0，#20H

        MOV R1，#FFH
        MOV R2，#20H
O14B    NOP

        ANL P1，#FEH

        MOVX@R 1，A

        CALL 13H

        MOV @R0，A

        INC R0

        MOV R7，#FFH
0155    NOP

         .

         .

        NOP

        DJNZ R7，55H

        DJNZ R2，48H
015D    CALL 170H
015F    MOV A，#0DH

        CALL 220H

        MOV A，#FFH
0165    JNZ 65H
0170    MOV R2，#10H

        MOV R6，#10H

        MOV R3，#00H

        MOV R5，#05H
0178    MOV A，R6

        RR A

        MOV R6，A

        MOV R0，#20H

        MOV R1，#20H
017F    CLR A

        CLR C

        ADD A，@R0

        INC R0

        ADD A，@R0

        JBO FDH
0186    RRC A

        MOV @R1，A

        INC R1

        INC R0

        DJNZ R2，7FH

        MOV A，R3
				
				<dp n="d8"/>
       MOV R4，A

       CLR C

       RRC A

       MOV R3，A

       MOV A，R6

       MOV R2，A

       DJNZ R5，78H

       MOV A，R4

       JBO B8
O198   MOV R1，#20H

       MOV A，@R1
019B   ADD A，R3
019C   CALL 720H
019E   MOV A，#09H

       CALL 220H

       MOV A，#03H

       CALL 220H

       MOV A，#19H

       CALL 220H

       MOV A，#01H

       CALL 220H

       MOV A，#13H

       CALL 220H

       MOV A，#81H

       0UTL P1，A
       CALL 223H
01B7   RET
01B8   INC R3

       JMP 98H

       INC R3
01FE   JMP 86H
0720   MOV @R1，A

       NOP

        .

        .

       NOP

       MOV R5，A

       MOV R1，#60H

       MOV A，@R1
072A   JNZ 730H

       MOV A，R5

       CALL 200H
072F   RET
0730   DEC A

       MOV R6，A

       MOV A，R5

       DEC A
				
				<dp n="d9"/>
       MOV R5，A

       MOV A，R6
0736   JMP 2AH
0200   JB7 0AH

       JB6 07H

       CALL 3C5H

       RET
0207   CALL 4C5H

       RET
020A   JB6 0FH

       CALL 5C5H

       RET
020F   CALL 6C5H
0211   RET
0300
  .
  .    第1页平方根表
037F
03C5   MOV R3，A

       ADD A，R3

       MOV R3，A
       MOVP A，@A

       CALL 220H

       MOV A，R3

       INC A

       MOVP A，@A

      CALL 220H
03D0   RET
0400
  .
  .    第2页平方根表
04BF
0500
  .
  .    第3页平方根表
05BF
0600
  .
  .    第4页平方根表
06BF
				
				<dp n="d10"/>
04C5   ANL A，#3FH(05C5H，06C5H)

       MOV R3，A

       ADD A，R3

       ADD A，R3

       MOV R3，A

       MOVP A，@A

       CALL 220H
       MOV A，R3

       INC A

       MOVP A，@A

       CALL 220H

       MOV A，R3

       INC A

       INC A

       MOVP A，@A

       CALL 220H
04D9   RET(05D9H，06D9H
0220   OUTL P1，A

       ANL P2，#EFH
0223   MOV R6，#FFH
0225   NOP

        .

        .

       NOP
022B   DJNZ R6，25H

       ORL P2，#10H

       MOV A，#1FH

       OUTL P1，A

       MOV R6，#FFH
0234   DJNZ R6，34H
0236   RET
01D0   CALL 110H
01D2   MOV R1，#20H

       MOV R0，#60H

       MOV A，@R1

       ADD A，R4

       MOV @R0，A

       MOV A，#FFH
01DB   JNZ DBH
				
				<dp n="d11"/>
01E0    ANL P1，#FEH

        MOVX A，@R1

        ORL P1，#01H

        MOV R0，#20H

        MOV R1，#FFH

        MOV R2，#20H
01EB    JNT1 EFH

        JMP EBH
O1EF    CALL 700H
01F1    DJNZ R2，EBH
01F3    CALL 170H
01F5    MOV A，#0DH
01F7    CALL 220H
O1F9    MOV A，#FFH
01FB    JNZ FBH
O700    ANL P1，#FEH

        MOVX @R1，A

        CALL 13H

        MOV @R0，A

        INC R0
0707    RET

Claims (1)

  1. 本实用新型涉及一种用以测量纺织工程中工艺气流流速的智能化便携式气体流速测定仪，它由总压采集、传输、电测系统和量化、数据处理系统两个部分组成，总压采集、传输、电测系统包括总压测管1、压力传输管2、涨丝式压力传感器3，本实用新型的特征在于量化、数据处理系统，它包括高精度载波稳零放大器4，型号是ICL7650，精密基准电压集成块5，型号是MC1403，模数转换器6，型号是ADC0804，单片机7，型号是8039，EPROM存储器8，型号是2716，地址锁存器9，型号是74LS373，译码器10，型号是74LS154，反相器11，型号是74LS04，光电耦合器组12，型号是4N25，共14只，带有微型打印机的计算器13，型号是CASIOHR-8B，量化、数据处理系统的电路连接，涨丝式压力传感器3输出的信号电压经高精度载波稳零放大器4放大后，从高精度载波稳零放大器4的10端输出，高精度载波稳零放大器4的10端与模数转换器6的Vin(+)端连接，模数转换器6的参考电压Vref2端经电位器W2与精密基准电压集成块5的V0端连接，模数转换器6的Vin(-)端经电位器W1接5V电平，模数转换器6在单片机7的控制下进行工作，单片机7的P10、 RD、 WR端分别与模数转换器6的 CS、 RD、 WR端连接，单片机7的DB0-DB7端分别与模数转换器6的DB0-DB7端连接，同时又与地址锁存器9的1D-8D端连接，单片机7的DB0-DB7端分别与EPROM存储器8的DB0-DB7端连接，单片机7的P20-P22端分别与EPROM存储器8的A8-A10端连接，单片机7的VDD、 SS、EA端接5V，单片机7的 PSEN端与EPROM存储器8的 OE端连接，单片机7的ALE端与地址锁存器9的ALE端连接，地址锁存器9的1Q-8Q端分别与EPROM存储器8的A0-A7端连接，单片机7的P11-P14端分别与译码器10的A、B、C、D连接，单片机7的P17端与反相器11的A3端连接，单片机7的P25端通过按键K1接5V电平，单片机7的P26端通过按键K2接5V电平，单片机7的P27端通过按键K3接通5V电平，单片机7的T1端通过按键K4接5V电平，单片机7的P24端与译码器10的G1、G2端连接，译码器10的1-8、10、13-15、17输出端分别与光电耦合器组12中13个光电耦合器4N25的2端相连，反相器11的Y2输出端与光电耦合器组12中第14只光电耦合器4N25的2端连接，光电耦合器4N25的1端经电阻接5V电平，带有微型打印机的计算器13的各个按键(0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、-、·、÷、P/#)接触点分别与相应的光电耦合器4N25的4和5端相连。
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