一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置及其使用方法，所述校准装置包括上位机、下位机和质量流量计，其特征在于：还包括测试罩、油池和气罐，旋片泵的进气口通过测试罩与气罐连接，自气罐后依次设置有三通阀、第二压力计、质量流量计、流量计控制阀、第三压力计和针阀，测试罩上设置有第四压力计，气罐上设置有第一温度计、液位测量装置和第一压力计，旋片泵上设置有第二温度计。本发明相比现有技术具有以下优点：微型化、组合化、智能化、节能化；采用低功耗技术，嵌入式系统可安装于真空泵工作现场，测量传感器及变送器为数字化设备，安全无毒无污染，检测精度和灵敏度有了较大提升；抗干扰能力强，安全可靠。

权利要求

1.一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置的使用方法，所述基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置包括上位机、下位机和质量流量计，还包括测试罩、油池和气罐，旋片泵的进气口通过所述测试罩与所述气罐连接，所述气罐底部开口扣于所述油池内，所述气罐与所述测试罩之间的连接管路上自所述气罐一侧依次设置有三通阀、第二压力计、质量流量计、流量计控制阀、第三压力计和针阀，所述测试罩上设置有第四压力计，所述气罐上设置有第一温度计、液位测量装置和第一压力计，所述旋片泵上设置有第二温度计，所述第一压力计至第四压力计、第一温度计、第二温度计、质量流量计、液位测量装置和旋片泵的电机均与所述下位机电性连接，所述下位机是STM32F103ZET6单片机；

其特征在于使用方法的步骤如下：

步骤一、管路放空，调节三通阀和针阀使测试罩和气罐内的气压与外界平衡；

步骤二、稳定气流，调节三通阀连通测试罩和气罐，启动旋片泵，将流量计控制阀设定为100％开度，缓慢调节针阀至全开，待气罐内油面高度上升至预设值时，开始记录第一压力计至第四压力计、第一温度计、第二温度计、质量流量计和液位测量装置的读数以及旋片泵电机的转速；

步骤三、计算测量抽速S2，

其中，K是仪表系数，T是温度系数，Q是质量流量计显示流量，Q2是质量流量计实际流量，P4是质量流量计测试罩内的压力，通过第四压力计测量获得，n是旋片泵额定转速，nt是旋片泵实际转速；

步骤四、对比输出，将S2与旋片泵厂家提供的对应状态下抽速数值对比，二者差值的绝对值小于5％S2时，上位机输出S2数值作为校准抽速，进入步骤八；否则进入步骤五；

步骤五、计算调节针阀抽速S1，

令压力比为r，

其中P3是流量计控制阀下游压力，通过第三压力计测量获得，当r≤0.525时，

其中A是调节针阀上小孔的截面积，T1是管道内气体温度，通过第一温度计测量获得；

当r>0.525时，

步骤六、计算气罐抽速S3，

其中，P2是测量时气罐内实时压力，由第一压力计的实时测量数据获得，P1是气罐起始压力，由第一压力计在气罐内油面达到预设值时的测量数据获得，V1是气罐内油面达到预设值时自气罐内油面以上至调节针阀的气体体积，V2是测量时自气罐内油面以上至调节针阀的气体体积，t是油面超过预设值后至测量时经过的时间；

步骤七、上位机输出(S1+S3)/2作为校准抽速，步骤八、以校准抽速绘制抽速曲线；

步骤九、重复，分别将流量计控制阀设定为90％开度、80％开度、70％开度、60％开度、

50％开度、40％开度、30％开度、20％开度和10％开度，重复步骤一至步骤八。

2.如权利要求1所述一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置的使用方法，其特征在于：所述上位机与下位机之间采用USB线连接，通过引入RS485ModBusRTU协议，实现上下位机的通讯功能。

3.如权利要求1所述一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置的使用方法，其特征在于：所述三通阀和针阀是电动阀，且均与所述下位机电性连接。

4.如权利要求1所述一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置的使用方法，其特征在于：所述下位机上还设置有TFT彩屏显示电路、串口通讯电路。

说明书

一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于测量及数据采集技术领域,尤其是一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 在石油化工、真空镀膜等行业中，大型设备如压缩机和真空泵等的正常工作关系重大。因为在这些行业生产过程中，大部分原料易燃易爆，设备工作压力都较大。一旦设备
运行偏离正常工况，极易发生危险造成人员伤亡甚至是大范围的环境污染。因此，有必要开
发出一套能够对压缩机以及真空泵等大型设备工作过程中的工作参数进行实时监测的系
统。

[0003] 传统的参数采集多采用人工的方式进行，具有时效性差、范围小、效率低的问题，不能及时侦测泵的工作状态。传统的旋片泵抽速测量还是使用麦氏压缩真空计和滴定管测
量,麦氏计工作介质为汞，汞为有毒有害物质，长久使用会对人体造成危害，不符合环保要
求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置及其使用方法。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置，包括上位机、下位机和质量流量计，其特征在于：还包括测试罩、油池和气罐，旋片泵的
进气口通过测试罩与气罐连接，气罐底部开口扣于油池内，气罐与测试罩之间的连接管路
上自气罐一侧依次设置有三通阀、第二压力计、质量流量计、流量计控制阀、第三压力计和
针阀，测试罩上设置有第四压力计，气罐上设置有第一温度计、液位测量装置和第一压力
计，旋片泵上设置有第二温度计，第一至第四压力计、第一温度计、第二温度计、质量流量
计、液位测量装置和旋片泵的电机均与下位机电性连接，下位机是STM32F103ZET6单片机。

[0006] 作为对上述方案的进一步改进，上位机与下位机之间采用USB线连接，通过引入RS485ModBusRTU协议，实现上下位机的通讯功能。

[0007] 作为对上述方案的进一步改进，三通阀和针阀是电动阀，且均与下位机电性连接。

[0008] 作为对上述方案的进一步改进，下位机上还设置有TFT彩屏显示电路、串口通讯电路。

[0009] 本发明还提供一种上述基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置的使用方法，步骤如下：

[0010] 步骤一、管路放空，调节三通阀和针阀使测试罩和气罐内的气压与外界平衡；

[0011] 步骤二、稳定气流，调节三通阀连通测试罩和气罐，启动旋片泵，将流量计控制阀设定为100％开度，缓慢调节针阀至全开，待气罐内油面高度上升至预设值时，开始记录第
一至第四压力计、第一温度计、第二温度计、质量流量计和液位测量装置的读数以及旋片泵
电机的转速；

[0012] 步骤三、计算测量抽速S2，

[0013]

[0014] 其中，K是仪表系数，T是温度系数，Q是质量流量计显示流量，Q2是质量流量计实际流量，P4是质量流量计测试罩内的压力，通过第四压力计测量获得，n是旋片泵额定转速，nt
是旋片泵实际转速；

[0015] 步骤四、对比输出，将S2与旋片泵厂家提供的对应状态下抽速数值对比，二者差值的绝对值小于5％S2时，上位机输出S2数值作为校准抽速，进入步骤八；否则进入步骤五；

[0016] 步骤五、计算调节针阀抽速S1，

[0017] 令压力比为r，

[0018]

[0019] 其中P3是流量计控制阀下游压力，通过第三压力计测量获得，

[0020] 当r≤0.525时，

[0021]

[0022] 其中A是调节针阀上小孔的截面积，T1是管道内气体温度，通过第一温度计测量获得；

[0023] 当r>0.525时，

[0024]

[0025] 步骤六、计算气罐抽速S3，

[0026]

[0027] 其中，P2是测量时气罐内实时压力，由第一压力计的实时测量数据获得，P1是气罐起始压力，由第一压力计在气罐内油面达到预设值时的测量数据获得，V1是气罐内油面达
到预设值时自气罐内油面以上至调节针阀的气体体积，V2是测量时自气罐内油面以上至调
节针阀的气体体积，t是油面超过预设值后至测量时经过的时间；

[0028] 步骤七、上位机输出(S1+S3)/2作为校准抽速，

[0029] 步骤八、以校准抽速绘制抽速曲线；

[0030] 步骤九、重复，分别将流量计控制阀设定为90％开度、80％开度、70％开度、60％开度、50％开度、40％开度、30％开度、20％开度和10％开度，重复步骤一至步骤八。

[0031] 本发明相比现有技术具有以下优点：(1)微型化。由新技术研制出新的微型传感器，微型执行器，配以专业集成电路、液晶显示和高能量电池形成微型化仪表，可安装于单
台真空泵实体上，实现现场检测，实时监测；

[0032] (2)组合化。包含了较多的仪表单元，如检测单元、显示单元、调节单元、电源单元等。可靠性高、抗干扰能力强；

[0033] (3)智能化。采用的STM32嵌入式芯片功能强劲，覆盖面广，它可以完成检测、显示、控制、打印、记录，并可以完成对信号的转换、存储、发送和接收，特别是对信号的判断、分
析、运算，完全具备“智能”的特点；

[0034] (4)节能化。采用低功耗技术使得所研制的系统在电池供的模式下能连续运行更长的时间。

[0035] 与现有的数据采集系统相比，本发明所研制系统主要改进为：嵌入式系统可安装于真空泵工作现场，测量传感器及变送器为数字化设备，安全无毒无污染，检测精度和灵敏
度有了较大提升；抗干扰能力强，安全可靠；进一步的软件设计可对相关数据进行深入分析
和处理，提高了系统的柔性化程度。

[0036] 在需要真空泵的生产中，在生产线上使用各种参数对应的传感器，将信号传入单片机，从而采集到真空泵运行时的温度、电机转速、压强、流量、电机功率等参数，通过对采
集出来的结果进行分析和处理，与真空泵的预定参数进行对比，然后根据误差信号做出相
应工艺决策(如报警、停止、反馈调节等)，对生产过程和真空泵的安全起着很重要的作用。

[0037] 由于市场上现有质量流量计是在标准状态(101325帕，25摄氏度)环境下标定，当此种流量计用于真空泵的抽速测量时，测试罩内的气体压力远低于标准状态的大气压力
(本实验中为绝压10‑1000帕)，气体密度低，流量小。流量计测量的气体流动是依靠管道两
端的压差实现的，现有流量计测量结果会因为测量管道安装方式、气体流动波动、温度变化
等原因产生较大误差。而流量计的读数的是否精确，决定了泵的抽速测量的精确度。因此，
本发明设计了一种基于stm32单片机的旋片泵抽速测量中流量计在线标定装置，根据工况
不同的压力、温度、电机实时转速、实时标定后再对抽速进行在线测量。

附图说明

[0038] 图1是本发明结构示意图。

[0039] 图2是TFT彩屏显示电路管脚示意图。

[0040] 图3是RS485通讯电路图。

[0041] 图4串口通信电路图。

具体实施方式

[0042] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施
例。

[0043] 实施例1

[0044] 一种基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置，包括上位机91、下位机9和质量流量计7，其特征在于：还包括测试罩2、油池31和气罐3，旋片泵1的进气口通过测试罩2与气罐
3连接，气罐3底部开口扣于油池31内，气罐3与测试罩2之间的连接管路上自气罐3一侧依次
设置有三通阀81、第二压力计42、质量流量计7、流量计控制阀82、第三压力计43和针阀83，
测试罩2上设置有第四压力计44，气罐3上设置有第一温度计61、液位测量装置和第一压力
计41，旋片泵1上设置有第二温度计62，第一至第四压力计44、第一温度计61、第二温度计
62、质量流量计7、液位测量装置和旋片泵1的电机11均与下位机9电性连接，下位机9是
STM32F103ZET6单片机。

[0045] 液位测量装置由液位仪51及液位送变器52构成，当气罐3内液面到达液位送变器52测量下限时可输出开关量，液面高于测量下线时，实时输出高度值

[0046] 温度的采集主要由NTC 10K型热敏电阻温度传感器。该温度传感器是铜电阻温度传感器，其中包含一个热敏电阻，在不同温度下具有不同的阻值。可以通过测量热敏电阻的
阻值，对照温度阻值对应表，读出对应的温度值。

[0047] 压力的采集主要由压力变送器和4‑20mA转0‑3.3V转换电路组成。压力变送器为二线制输出信号，+接线端子与4‑20mA转0‑3.3V转换电路的接线端子CN1的1管脚相连；‑接线
端子与4‑20mA转0‑3.3V转换电路的接线端子CN1的2管脚相连；4‑20mA转0‑3.3V转换电路的
输出信号即CN2的2引脚，四个压力变送器分别与STM32F103ZET6单片机电路的PCO、PC1、
PC2、PC3管脚连接,4‑20mA转0‑3.3V转换电路的输出信号即CN2的3引脚，与STM32F103ZET6
单片机电路的VSS接地管脚连接。

[0048] 质量流量计7可选用热式气体质量流量计，其和RS485通讯电路共同完成流量测量信号采集，热式气体质量流量计的rs485输出端子A与RS485通讯电路中P6排针的2管脚相
连，热式气体质量流量计的rs485输出端子B与RS485通讯电路中P6排针的1管脚相连。RS485
通讯电路的485_RXD管脚与STM32F103ZET6单片机电路的USART3_RX管脚PB11相连，RS485通
讯电路的485_TXD管脚与STM32F103ZET6单片机电路的USART3_TX管脚PB10相连。

[0049] 上位机91与下位机9之间采用USB线连接，通过引入RS485ModBusRTU协议，实现上下位机9的通讯功能。

[0050] 三通阀81和针阀83是电动阀，且均与下位机9电性连接。

[0051] 下位机9上还设置有TFT彩屏显示电路、串口通讯电路。串口通讯电路中的U340芯片的2管脚即TXD管脚与STM32F103ZET6单片机电路的USART1_RXD(PA19)管脚相连，串口通
讯电路中的U340芯片的3管脚即RXD管脚与STM32F103ZET6单片机电路的USART1_TXD(PA10)
管脚相连。

[0052] 在TFT彩屏显示电路中,排针p2的5、7、9管脚与STM32F103ZET6单片机的SPI1SCK、SPI1MPSI、SPI1MISO相连，2管脚接地，11、13管脚与触摸屏的TOUCH_CS、TOUCH PEN相连，8管
脚与STM32F103ZET6单片机的RESET复位管脚相连，32、30、28、26、24、22、20、18、17、19、21、
23、24、27、29、31管脚分别与FSMC触摸屏的D0‑D15管脚相连，16、14、12、10管脚分别与FSMC
触摸屏的NOE、A10、NE4、NWE管脚相连,33管脚接电源模块的3.3V输出管脚，后并联电容C7与
接地的34管脚相连。

[0053] 实施例2

[0054] 一种上述基于stm32单片机的旋片泵抽速校准装置的使用方法，其特征在于步骤如下：

[0055] 步骤一、管路放空，调节三通阀81和针阀83使测试罩2和气罐3内的气压与外界平衡；

[0056] 步骤二、稳定气流，调节三通阀81连通测试罩2和气罐3，启动旋片泵1，将流量计控制阀82设定为100％开度，缓慢调节针阀83至全开，待气罐3内油面高度上升至预设值时，开
始记录第一至第四压力计44、第一温度计61、第二温度计62、质量流量计7和液位测量装置
的读数以及旋片泵1电机11的转速；

[0057] 步骤三、计算测量抽速S2，

[0058]

[0059] 其中，K是仪表系数，T是温度系数，Q是质量流量计7显示流量，Q2是质量流量计7实际流量，P4是质量流量计7测试罩2内的压力，通过第四压力计44测量获得，n是旋片泵1额定
转速，nt是旋片泵1实际转速；

[0060] 步骤四、对比输出，将S2与旋片泵1厂家提供的对应状态下抽速数值对比，二者差值的绝对值小于5％*S2时，上位机91输出S2数值作为校准抽速，进入步骤八；否则进入步骤
五；

[0061] 步骤五、计算调节针阀83抽速S1，

[0062] 令压力比为r，

[0063]

[0064] 其中P3是流量计控制阀82下游压力，通过第三压力计43测量获得，

[0065] 当r≤0.525时，

[0066]

[0067] 同时

[0068] Q1＝C(P3‑P4)

[0069] 其中C是调节针阀83上小孔处的粘滞流流导，可以得知

[0070]

[0071] 其中M为气体的摩尔质量，当气体为空气时M＝29，R为理想气体常数取值8.314，k为空气定压比热容与定容比热容的比值，k＝1.4

[0072]

[0073]

[0074] 其中A是调节针阀83上小孔的截面积，T1是管道内气体温度，通过第一温度计61测量获得；

[0075] 当r>0.525时，

[0076]

[0077] 其中M为气体的摩尔质量，当气体为空气时M＝29，R为理想气体常数取值8.314，k为空气定压比热容与定容比热容的比值，k＝1.4，

[0078]

[0079]

[0080] 步骤六、计算气罐3抽速S3，

[0081]

[0082] 其中，Q3是气罐3流量

[0083]

[0084]

[0085] 其中，P2是测量时气罐3内实时压力，由第一压力计41的实时测量数据获得，P1是气罐3起始压力，由第一压力计41在气罐3内油面达到预设值时的测量数据获得，V1是气罐3内
油面达到预设值时自气罐3内油面以上至调节针阀83的气体体积，V2是测量时自气罐3内油
面以上至调节针阀83的气体体积，t是油面超过预设值后至测量时经过的时间；

[0086] 步骤七、上位机91输出(S1+S3)/2作为校准抽速，

[0087] 步骤八、以校准抽速绘制抽速曲线；

[0088] 步骤九、重复，分别将流量计控制阀82设定为90％开度、80％开度、70％开度、60％开度、50％开度、40％开度、30％开度、20％开度和10％开度，重复步骤一至步骤八。

[0089] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。