專利名稱：微機(jī)化在線粘度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種測量粘度的裝置。由于液固兩相流體的濃度與其粘度存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因而本發(fā)明也可用于測量濃度。
目前，根據(jù)剪應(yīng)力原理而制作的粘度或濃度在線測量裝置中，主要有擺動式、外旋轉(zhuǎn)式和內(nèi)旋轉(zhuǎn)式三種。擺動式是利用擺動特性與粘性阻尼之間的關(guān)系來測量粘度或濃度的，而外旋轉(zhuǎn)式則是利用電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載力矩之間的負(fù)載特性關(guān)系來測量粘度或濃度的，這兩種均屬于開環(huán)結(jié)構(gòu)的儀表，性能穩(wěn)定性差，易受電源波動和流速變化的影響。目前國際上公認(rèn)為最先進(jìn)的是內(nèi)旋轉(zhuǎn)式，其中以瑞典Eur-Control公司生產(chǎn)的MEK-2000型濃度變送器為代表，它由敏感元件、機(jī)械環(huán)節(jié)、光電分度傳感器、電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)以及二次儀表構(gòu)成，屬于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的儀表，采用力矩平衡式結(jié)構(gòu)，具有很高的靈敏度和很好的穩(wěn)定性。但由于這種裝置仍屬于模擬式，數(shù)據(jù)處理能力差，功能較少，操作不夠方便，無法與控制管理的微機(jī)直接聯(lián)系。
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種具有非線性校正、環(huán)境影響補償、參數(shù)自整定等功能并構(gòu)成數(shù)字隨動系統(tǒng)的粘度及濃度測量裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達(dá)到在內(nèi)旋轉(zhuǎn)式粘度測量裝置的基礎(chǔ)上設(shè)置由檢測電路、微機(jī)及其接口電路和變斜率逼近式反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成的二次儀表。檢測電路主要由三極管、光電耦合器、組合邏輯電路等組成，它將光電分度傳感器測出的相位差轉(zhuǎn)換成與此時間間隔成比例的脈沖數(shù)值，微機(jī)及其接口電路檢測出該脈沖數(shù)值，并判斷機(jī)械環(huán)節(jié)中的平衡機(jī)構(gòu)是否平衡，若不平衡，則反饋控制系統(tǒng)按變斜率逼近式反饋控制規(guī)律控制平衡機(jī)構(gòu)達(dá)到新的平衡，從而測出粘度或濃度的數(shù)值。
本發(fā)明的目的還可以通過以下措施來達(dá)到在上述的微機(jī)及其接口電路中設(shè)置斷電保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一片三態(tài)緩沖器控制普通CMOSRAM的三個控制端構(gòu)成，它能保證在微機(jī)突然斷電的情況下所存貯的數(shù)據(jù)不致于丟失。
本發(fā)明的解決方案，可進(jìn)一步用下列實施例及其附圖來說明。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2為本發(fā)明中的傳感器部分結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明中的檢測電路5及與光電分度傳感器3相連接部分的電路圖，圖4為本發(fā)明的相位差轉(zhuǎn)換各信號波形圖，圖5為傳統(tǒng)相位差轉(zhuǎn)換電路圖，圖6為本發(fā)明中的復(fù)位電路圖，圖7為本發(fā)明中的斷電保護(hù)電路圖，圖8為本發(fā)明所采用的變斜率逼近式反饋控制算法示意圖。
如圖1所示，本發(fā)明由敏感元件1、機(jī)械環(huán)節(jié)2、光電分度傳感器3、電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)4、檢測電路5、微機(jī)及其接口電路6和反饋環(huán)節(jié)7構(gòu)成。其中敏感元件1、機(jī)械環(huán)節(jié)2、光電分度傳感器3和電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)4組成本發(fā)明的傳感器部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示;而檢測電路5、微機(jī)及其接口電路6和反饋環(huán)節(jié)7構(gòu)成本發(fā)明的二次儀表部分。
根據(jù)剪應(yīng)力原理，敏感元件1在與液固兩相流體作相對運動過程中，按照不同的粘度或濃度，產(chǎn)生不同的剪切力矩;該剪切力矩與來自反饋環(huán)節(jié)7中的反饋力矩進(jìn)行比較，從而使機(jī)械環(huán)節(jié)2中的平衡機(jī)構(gòu)8產(chǎn)生相對角位移，該平衡機(jī)構(gòu)8為空套雙軸結(jié)構(gòu);光電分度傳感器3將該角位移轉(zhuǎn)換成相位差;檢測電路5將該相位差轉(zhuǎn)換成與此時間間隔成比例的脈沖數(shù)值;微機(jī)及其接口電路6能采集到該脈沖信號，并根據(jù)該信號變化情況，按變斜率逼近式反饋規(guī)律控制其輸出接口中的功放電路而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆答侂娏鳎M(jìn)而計算并顯示出濃度、粘度值，同時還隨時向其它裝置和上位機(jī)通訊傳遞粘度、濃度數(shù)據(jù)，顯示輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(0～10mA或4～20mA);反饋環(huán)節(jié)7將來自功放電路的反饋電流按比例地轉(zhuǎn)換成反饋力矩;電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)4將功率、轉(zhuǎn)速從電機(jī)傳遞到驅(qū)動軸，使平衡機(jī)構(gòu)8恒速旋轉(zhuǎn)，從而帶動敏感元件1與液固兩相流體作恒速相對運動。
在圖3中，除UD1、UT1、R1和R2以外的其余部分構(gòu)成本發(fā)明中的檢測電路。P1為傳感器到二次儀表的信號隔離傳輸光電耦合器，當(dāng)信號經(jīng)過P1傳輸時只有光的聯(lián)系而無電的聯(lián)系(不共地)，從而提高了二次儀表的抗共模干擾能力。P1左邊的UD1、UT1和分度盤一起組成光電分度傳感器而與傳感器連接，其方波信號經(jīng)整形后轉(zhuǎn)換成傳輸電流信號，通過光電耦合器P1進(jìn)入二次儀表。R1為光電開關(guān)的發(fā)光二極管UD1的限流電阻，由其確定發(fā)光二極管UD1的工作點，其取值一般為330Ω左右。R2為光電開關(guān)的光敏三極管UT1的負(fù)載電阻，它可將光調(diào)制電流轉(zhuǎn)換成電壓。R2的取值不宜過大，否則將有損光電開關(guān)的頻率特性，這里取R2為5.1kΩ。R3與C1構(gòu)成阻容耦合，它將R2上的交流電壓傳輸?shù)奖容^器U1的同相輸入端，從而起到隔直流作用。由于C1的充放電作用，比較器U1同相輸入端獲得交流電壓信號，當(dāng)光敏三極管UT1截止時，同相輸入端的電壓為負(fù)，因而過零比較器(反相輸入端接地)能可靠工作。R4的作用是使OC輸出的比較器U1能輸出與光電開關(guān)輸出同相的方波信號，從而達(dá)到整形、恒幅的目的。T1為功放三極管，R6為其偏置電阻，R5為其集電極負(fù)載(限流)電阻，它們構(gòu)成功放級，進(jìn)行阻抗變換，提高電流輸出能力，以便將該方波信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳。C2為電源去耦電容器。P1右邊電路中，比較器U2、光敏三極管的負(fù)載電阻R7，R8，R9及電容器C3、C4的設(shè)置情況分別與P1左邊的比較器U1、負(fù)載電阻R2、R3、R4及電容器C1、C2的設(shè)置情況類似。
根據(jù)進(jìn)入二次儀表的兩路方波信號的相位差變化范圍和儀表對相位差檢測的要求，本發(fā)明采用時間間隔變換法測量相位差，即將兩路信號的相位差轉(zhuǎn)換成脈寬信號，再用此脈寬作為采樣計數(shù)的時間間隔，相位差即被線性地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，達(dá)到很高的分辨率。圖3中的U3、U4和U5構(gòu)成組合邏輯電路進(jìn)行相位差轉(zhuǎn)換，由A、B兩端輸入載有相位差信息的同頻率方波信號，由Φ端輸入計數(shù)時鐘信號，則L'端輸出與相位差成比例的計數(shù)脈沖信號，其各信號波形圖如圖4所示。圖5為傳統(tǒng)的相位差轉(zhuǎn)換電路，由于有高通特性的微分電路，容易受到干擾;當(dāng)相位差較小、兩微分脈沖有重疊時，觸發(fā)器將出現(xiàn)不確定狀態(tài)。本發(fā)明則完全克服了上述傳統(tǒng)電路的缺點。
本發(fā)明的二次儀表是以微機(jī)為核心、以總線為聯(lián)接結(jié)構(gòu)的電路網(wǎng)絡(luò)，其工作的可靠性非常重要。為了保證在多次上電的情況下儀表能正常工作，專門設(shè)計了復(fù)位電路和斷電保護(hù)電路。圖6中，DW1為齊納穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值為2伏。上電時，工作電源電壓未達(dá)到4.7V前，以及斷電時電源電壓低于4.7V后，由于穩(wěn)壓二極管的作用，比較器U1的反相輸入端電壓將高于同相輸入端電壓，比較器U1輸出低電平，電容器C2上的電荷通過比較器輸出級釋放。于是比較器U2的反相輸入端電壓比同相輸入端電壓高，比較器U2輸出低電平，經(jīng)反相器U3、U4后成為復(fù)位信號(適應(yīng)于Z80、MCS8098等微機(jī))。K為手動復(fù)位鍵，當(dāng)K閉合時，電容器C2上的電荷通過電阻R5很快釋放;當(dāng)K斷開后，電源通過上拉電阻R4向C2充電(這時比較器U1的輸出端處于OC狀態(tài)即集電極開路狀態(tài))，至電容器C2上電壓高于U2的反相端電壓時，比較器U2輸出電壓變高，復(fù)位結(jié)束。圖中，R1的取值為470Ω左右，以確定DW1的工作電流;R2和R3的數(shù)值之比需要根據(jù)DW1的穩(wěn)壓值實際調(diào)整確定，以保證電源電壓達(dá)到4.7V以后比較器翻轉(zhuǎn)。
圖7中，6116為CMOSSRAM芯片，功耗很低，而且當(dāng)電源電壓在2～6伏間波動時，所存數(shù)據(jù)不變。鋰電池形成的后備電源(4.5V)和微機(jī)工作電源通過兩只二極管隔離加到6116的V端。6116的片選端(CS)、讀(OE)寫(WE)端均通過三態(tài)緩沖器與微機(jī)的控制信號連接，三態(tài)緩沖器的控制端直接連微機(jī)電源。電源電壓正常時，三態(tài)緩沖器打開，控制信號直接加到6116相應(yīng)端，控制存貯器的讀、寫;電源電壓不正常時(低于4.7V)，復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號，微機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，封鎖了控制信號，存貯器中的數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化。微機(jī)斷電后，三態(tài)緩沖器呈高阻狀態(tài)(三態(tài)緩沖器控制信號為高則打開，為低則關(guān)斷)，后備電源經(jīng)電阻和三態(tài)門分壓后產(chǎn)生一高電平作用于6116的讀寫控制端，使6116不可能產(chǎn)生任何讀寫操作，所保存的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化。本發(fā)明達(dá)到連續(xù)斷電一年而數(shù)據(jù)仍不丟失的效果。
在模擬式閉環(huán)儀表中，一般采用PID的規(guī)律進(jìn)行反饋校正;在數(shù)字式閉環(huán)儀表中，也可用數(shù)字PID的辦法進(jìn)行反饋校正。但它們均存在過渡過程超調(diào)的問題，當(dāng)儀表的系統(tǒng)阻尼較小時，儀表還將出現(xiàn)一定振幅的振蕩，不利于儀表的使用和性能的提高。本發(fā)明采用的變斜率逼近式反饋控制算法，是一種單調(diào)逼近式的校正規(guī)律，而逼近的步伐大小完全根據(jù)儀表的狀態(tài)自動調(diào)整。圖8中，當(dāng)相位差大于△1時，反饋的數(shù)字量一次增加(或減少)3;當(dāng)相位差小于△1而大于△2時，反饋的數(shù)字量一次增加(或減少)2;當(dāng)相位差小于△2后，則一步只增加(或減少)1;當(dāng)相位差反向時，則延長一個節(jié)拍，即將逼近速度再次減慢，一直逼近到相位差小于ε(可以設(shè)定)，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。該算法屬于變權(quán)積分調(diào)節(jié)原理的具體應(yīng)用，比逐位逼近的辦法好。用該算法進(jìn)行儀表的反饋校正，超調(diào)量小，由于是單調(diào)逼近，儀表肯定能穩(wěn)定，無需參數(shù)設(shè)定，調(diào)整ε值的大小可以改變儀表的靈敏度。當(dāng)然，實現(xiàn)此算法必須利用微機(jī)的記憶能力和算術(shù)邏輯運算能力進(jìn)行相位差的比較和判斷，因而只有內(nèi)藏微機(jī)的智能儀表才能實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種在線粘度測量裝置，它由敏感元件1、機(jī)械環(huán)節(jié)2、光電分度傳感器3、電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)4組成，其特征在于它還包括a)由三極管、光電耦合器、組合邏輯電路等構(gòu)成的檢測電路5，它將光電分度傳感器3測出的相位差轉(zhuǎn)換成與此時間間隔成比例的脈沖數(shù)值，b)微機(jī)及其接口電路6，它檢測出來自檢測電路5的脈沖數(shù)值，并判斷機(jī)械環(huán)節(jié)2中的平衡機(jī)構(gòu)8是否平衡，c)變斜率逼近式反饋控制環(huán)節(jié)7，當(dāng)平衡機(jī)構(gòu)8不平衡時，按變斜率逼近式反饋控制規(guī)律控制平衡機(jī)構(gòu)8達(dá)到新的平衡。
2.按照權(quán)利要求1中所述的在線粘度測量裝置，其特征在于微機(jī)及其接口電路6中設(shè)有斷電保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一片三態(tài)緩沖器控制普通CMOSRAM的三個控制端構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種測量粘度或濃度的裝置，它由敏感元件1、機(jī)械環(huán)節(jié)2、光電分度傳感器3、電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)4、檢測電路5、微機(jī)及其接口電路6、變斜率逼近式反饋控制環(huán)節(jié)7組成，并設(shè)有復(fù)位系統(tǒng)和斷電保護(hù)系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有非線性校正、環(huán)境影響補償、參數(shù)自整定等功能。
文檔編號G01N11/14GK1078803SQ9210348
公開日1993年11月24日 申請日期1992年5月14日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月14日
發(fā)明者李昌禧, 樊鑫瑞, 鄭瑩娜, 夏士智 申請人:華中理工大學(xué)