多點旋槳流速儀數(shù)據(jù)的自動采集與處理.docx

1、>1998年3月水道港口第期/多點旋槳流速儀數(shù)據(jù)的自動采集與處理.m燕（天津師范大學(xué)天津：300074）14刖石本流速儀采用光纖式旋槳流速傳感器，由8031單片系統(tǒng)對18根傳感器進行采樣，數(shù)據(jù)處理并以紡圖和文體方式箝出流速值，還可以自行率定系數(shù)。已往的旋槳流速儀只能測星單點流速且只能在紿定的時問間隔內(nèi)記錄旋槳旋轉(zhuǎn)的囹數(shù)即所謂計數(shù)，而不能測量旋槳旋轉(zhuǎn)一周所用的時間即所謂測周。故測最精度受到限制，特別是在低流速誤差更大。本儀器采用單片視記錄旋槳旋轉(zhuǎn)周期提高了測髭精度，而且能夠箕現(xiàn)多點同時測速,提高了奴車，也降低了成本°此外，單片也還使原來只佳測量:單向流速的旋架流速儀改進為可以測景

2、往復(fù)流的雙向流速儀。2工作原理傳感器的旋槳（葉輪）在水流的推動下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。每當(dāng)拋光的葉片掠過測桿前端一次，通過送光光纖束傳來而照射在葉輪上的光束就會發(fā)生一次反射。反射光通過受光纖束被光檢泱I器感受并轉(zhuǎn)換成電脈沖送到8031單片機，單片機對這些脈沖信號進行測周、計數(shù)和處理.即可計算出流速。設(shè)測得旋槳旋轉(zhuǎn)一周所用的時間為&則每秒鐘旋轉(zhuǎn)圈數(shù)x=#°已知流速y與轉(zhuǎn)速X有如下關(guān)系Iy=axb（1）其中y的單位是cm/5.x的單位是轉(zhuǎn)A.a.b為有最綱常數(shù),為三位有效數(shù)字將測得的&代人式得，=«§+&（2）（少式可i|算出傳感器旋槳所在位置的瞬時流速值

3、。測速范圍為2.5cm/s100cm/s。3硬件組成系統(tǒng)硬件組成樞圖如圖】所示。其中數(shù)據(jù)采集緇人接口中設(shè)有8個獨立的通道，每個通道都有一個狀態(tài)觸發(fā)器,傳感器送來的蹤沖信號可使其置于有效狀態(tài)單片機通過P口不M查詢這些狀態(tài)位，在荻得有效信息之后，通過控制端口使觸發(fā)器復(fù)位o鍵盤設(shè)有五個鍵位，可完成啟動輸入、控制及復(fù)位等功能'數(shù)碼顯示器顯示輸入數(shù)據(jù)，工作狀態(tài)等，小數(shù)點被用作光標(biāo)提示。4數(shù)據(jù)采集在數(shù)據(jù)采集接口電路中設(shè)有8個狀態(tài)位,各傳感器送來的脈沖信號可分別使相應(yīng)的狀收修改稿日期,1997-12-24.圖1硬件宙成格圖精入輸出接口態(tài)處于位置“1”表示旋槳旋轉(zhuǎn)一圈。8031單片機不斷地查詢這些狀態(tài)

4、位，并記錄下旋槳每轉(zhuǎn)一圈所用的時間.已知在測速范圍內(nèi)旋槳的最大轉(zhuǎn)速為每秒20周。故若以500”訪向一次狀態(tài)位的話.數(shù)據(jù)采集的時間誤差不超過1%.在查詢過程中，單片機一旦發(fā)現(xiàn)某狀態(tài)位變?yōu)椤?”，則知其對應(yīng)的旋槳已轉(zhuǎn)滿一圈.隨即將這一圈的計時結(jié)果暫存起來，同時開始下一圈的計時，并恢復(fù)狀態(tài)位為“0”，為接收下一個脈沖做好準(zhǔn)備.計時是記錄連續(xù)兩個脈沖的間隔時間即測最旋槳每轉(zhuǎn)一圈所用的時間計時方法采用定時中斷方式8個通道共用一個定時器，以10。內(nèi)為時間單位計數(shù).設(shè)計數(shù)值為n,則IOOmsXh,按測速范圍中最低流速計,設(shè)置計數(shù)單元為兩個字節(jié)。5率定系數(shù)將傳感器置人已知流速y的恒定流中，并將y值輸入到儀器內(nèi)

5、測出相應(yīng)的CI取I。，內(nèi)的平均值.由1求出x.再由x,y按最小二乘法反算出a、b.我們?nèi)?個y值，并使y.盡可能均布于測速范圍。由于傳感器最多有8個;故測得的mi=l,2,“6,=1.2“n）中的n最大為8。最后計算并打印在以后的測速工作中，將這些系數(shù)輸入到儀器中并和儀器所刪出的&一起代入（2）式，以求出各傳感器所在位置的流速。6數(shù)據(jù)處理各通道在預(yù)定時間內(nèi)采集到的4為一系列旋槳旋轉(zhuǎn)周期值。為從大量且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)中獲取既不冗長又充分有效的信息.把采集時間劃分成一系列4T時間段.計算每個時間段的平均流速值y“，并將它們輸出出來.白丁從貝到父火由用戶選擇.欲求各時向段的平均流速值片.，首先要求

6、出各時間段的平均旋轉(zhuǎn)周期孔，。以一個通道為例，將連續(xù)出現(xiàn)的弓累加，求出各時間段內(nèi)旋槳旋轉(zhuǎn)的明數(shù)孔,則&.L即。對于跨越時間段分界線的V，應(yīng)視旋槳在一周內(nèi)為勻速旋轉(zhuǎn)而將該圈按比例分配給相鄰的兩個時間段，故每一時間段內(nèi)的n,值未必為一整數(shù)。對于被選中的各通道都將獲取一系列值,將它們一一代人（2）式，就求出各傳感器所在位置隨時間而變化的一系列平均流速值y.京后繪制出流速曲線。也可以打印出最大（?。┢骄魉僦档葦?shù)據(jù)。7軟件設(shè)計軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，程序的主要功能見圖2。子程序完成數(shù)據(jù)輸入、計算、輸出等大薊工作.中斷服務(wù)程序完成計時工作,這些均未在圖中說明。另外，用戶不僅可以控制程序的順序

7、執(zhí)行，還可以通過鍵盤選擇直接執(zhí)行某些程序模塊。8雙而流速儀傳感器和接口電路可通過增加一簡單電路將原來只能測單向流速的旋槳流速儀變?yōu)榭梢詼y最往復(fù)流的雙向流速儀，從而拓寬了旋槳流速儀的使用范圍。圖3詠沖酎序圖在傳感器中增設(shè)一組與原來一樣的光導(dǎo)纖維和光敏感應(yīng)電路.這樣，當(dāng)光源導(dǎo)出的光通過兩束送光光導(dǎo)纖維照射在旋轉(zhuǎn)葉輪的拋光面上時，反射光通過兩束受光光導(dǎo)纖維分別在兩個光敏感電路中各感應(yīng)出一個電脈沖信號。這兩個脈沖信號存在一定的時間差T,且看部分重合，見圖3。設(shè)這兩個脈沖信號分別為V】和V訃若旋槳正轉(zhuǎn)時，兩個脈沖出現(xiàn)的光先后次序是VM當(dāng)旋槳反轉(zhuǎn)時，其順序為V2、V】。對置于往復(fù)流中作連續(xù)旋轉(zhuǎn)的旋槳,將每

8、次出現(xiàn)的兩個脈沖及反映其出現(xiàn)順序的信號送單片機檢則，不僅可以測出流速，而且還可以測得水流的方向.在接口電路中增設(shè)兩個觸發(fā)器，芬別叫做速度觸發(fā)器Fl和方向觸發(fā)器F2.傳感器送來的脈沖信號經(jīng)整形放大后送進這兩個觸發(fā)器,接線圖如圖4所示。5Vj接單片機圖4接口電路圖囹2主程序流程圖由于旋槳正轉(zhuǎn)時,兩個脈沖信號出現(xiàn)的順序為V、VI、所以在V】上升沿到來時刻,W仍為低電平。將Vi作為F2的觸發(fā)脈沖,金接輸入端0,則在V,上升沿到來四，觸器F2將其輸入端的低電平傳送到輸出端，使Qz=。旋槳反轉(zhuǎn)時，觸發(fā)器已接收的兩個脈沖信號的順序為Vf當(dāng)V】上升沿觸發(fā)&時，。廣金為高電平，故Q2=K將旋槳置于往復(fù)流中，用單片機檢測方向觸發(fā)播F2的輸出端Q2,當(dāng)Q,為“0”時，知旋槳正轉(zhuǎn)，若以此時水流方向為正向，則當(dāng)Q=1時，說明旋槳反轉(zhuǎn)，水流為逆向。另一方面，由于速度慰發(fā)器F,的輸入端D】接置高電平,每當(dāng)脈沖信號V,到來都將使F,置為“1”態(tài)，單片機采得這一信息后，即將F|恢復(fù)為P”態(tài).經(jīng)過對方向和速度信息的處理,求出在不同方向下的流速。雙向