一种风机动态性能参数测量系统的制作方法

本发明涉及风机状态监控领域，具体涉及一种应用于风机动态性能参数测量系统。

背景技术：

风机的主要性能参数有风量、风压、转速、比转速、功率等，这些参数也基本上上是在出厂前进行测定的，但是，在实际运行当中，风机这些主要参数的实时测量是非常重要的，例如矿井的通风，就需要及时准确地掌握井下主巷道通风参数--风量、风压情况，确保工作人员的安全。此外，其他的工况也需要风机参数实时检测实现优化节能控制。

根据《风机测试操作规程》实现对风机各种参数测量，即使是生产厂家想搭建现场生产试验场地也较困难，比如测风量需要选取6-8个点。对风机各种参数测量，需要各类仪器仪表：如转速表、空盒压力表、钳形表、皮托管、多量程倾斜式微压计、u形压力管等各类仪表及传感器。把这些或类似的仪表应用在设计运行中困难很大，成本很高，且不能形成自动化监测系统。

目前一些重要场合如矿井风机重要的参数实现了实时监测，但均用风速仪、压力仪等仪表及传感器组成监测系统，成本很高，对中小型风机使用常规的仪表及传感器进行测量，再用工业计算机或可编程控制器组成监控系统，一般风机监控系统的成本较风机高，有的超过风机的成本的几倍。非重要场合的中小型风机的运行参数监测和保护一般采用简单的就地温度和振动监测，并不能准确测量风机的主要参数。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种成本较低且便于使用的风机动态性能参数测量系统，该系统基于高性能数字化控制器，利用高性能控制器内部的快速采样a/d、高频外部中断、捕获高频脉宽电路等功能，结合外围模拟电子线路对运行风机的压力、风量、转速参数进行实时测量。

本发明采用以下技术方案：

一种风机动态性能参数测量系统，包括设置在风机上的电阻应变片r3、设置在电路板上的基准电阻应变片r8、多路开关电路、差分放大电路、滤波积分放大电路、比较器电路、基准电压电路和控制器，所述的控制器包括控制芯片及其外围电路，电阻应变片r3和基准电阻应变片r8分别通过一个差分电路电连接多路开关，多路开关由控制芯片控制，并通过差分放大电路连接滤波积分放大电路，滤波积分放大电路输出端分别连接控制芯片的a/d端口以及比较器电路输入端，比较器电路输出端分别连接控制芯片脉宽获取端口和外部中断端口，基准电压电路为整个系统提供稳定的基准电压。

优选的，所述控制芯片采用stm32f047数字信号控制器。

进一步的，所述的基准电压电路包括芯片u2，芯片u2采用ref3012芯片，电压芯片u2第一引脚接地，电压芯片u2的第二引脚接+5v直流电压，并分别连接极性电容c8正极以及电容c9一端，极性电容c8负极以及电容c9另一端均接地，电压芯片u2第三引脚分别接嵌位二极管d1一端、极性电容c1正极、电容c2一端，嵌位二极管d1另一端、极性电容c1负极、电容c2另一端均接地。

进一步的，所述的多路开关电路包括芯片u3，芯片u3采用cd4052芯片，芯片u3第六引脚和第八引脚均接地，芯片u3第十六引脚接+5v直流电压，芯片u3第三引脚和第十三引脚接差分放大电路，芯片u3第七引脚接-5v电压并分别接极性电容c22负极、电容c23一端，极性电容c22正极、电容c23另一端均接地。

进一步的，所述电阻应变片r3与多路开关之间的差分电路为第一差分电路，所述的第一差分电路包括电阻r1，电阻r1一端接基准电压输出端，即芯片u2的第三引脚，电阻r1另一端分别接电容c3一端、电容c5一端、电阻r2一端、电阻应变片r3一端，电容c3另一端接地，电容c5另一端分别接电阻应变片r3另一端、电容c6一端、电阻r4一端、电阻r5一端，电容c6另一端、电阻r4另一端均接地，电阻r5另一端分别接电容c7一端和芯片u3第十二引脚，电容c7另一端接地，电阻r2另一端分别接电容c4一端和芯片u3第一引脚，电容c4另一端接地。

进一步的，所述基准电阻应变片r8与多路开关之间的差分电路为第二差分电路，所述的第二差分电路包括电阻r6，电阻r6一端接基准电压输出端，即芯片u2的第三引脚，电阻r6另一端分别接电容c12一端、电容c10一端、电阻r7一端、基准电阻应变片r8一端，电容c10另一端接地，电容c12另一端分别接基准电阻应变片r8另一端、电容c13一端、电阻r9一端、电阻r10一端，电容c13另一端、电阻r9另一端均接地，电阻r10另一端分别接电容c14一端和芯片u3第十四引脚，电容c14另一端接地，电阻r7另一端分别接电容c11一端和芯片u3第五引脚，电容c11另一端接地。

进一步的，所述的差分放大电路包括芯片u4，芯片u4采用差分放大器ad620，芯片u4第一引脚和第八引脚之间设有电阻r11，芯片u4第三引脚通过电容c17接地，且芯片u4第三引脚接芯片u3第三引脚，芯片u4第二引脚通过电容c25接地，且芯片u4第二引脚接芯片u3第十三引脚，芯片u4第四引脚分别接-5v电压、电容c20一端、极性电容c21负极，电容c20另一端、极性电容c21正极以及芯片u4第五引脚均接地，芯片u4第六引脚接滤波积分放大电路，芯片u4第七引脚分别接极性电容c16正极、+5v电压、电容c15一端，极性电容c16负极、电容c15另一端均接地。

进一步的，所述的滤波积分放大电路包括芯片u5，芯片u5采用运算放大器max4416，芯片u5第二引脚分别接电阻r14一端、电容c30一端，电阻r14一端分别接电容c27一端、芯片u5第一引脚，电容c27另一端分别接电容c30另一端、电阻r15一端、电阻r18一端，电阻r15另一端接差分放大电路，电阻r18另一端接地；芯片u5第三引脚接地；芯片u5第八引脚分别接+5v电压、极性电容c29正极、电容c28一端，极性电容c29负极、电容c28另一端均接地；芯片u5第四引脚分别接-5v电压、电容c32一端、极性电容c33负极，电容c32另一端、极性电容c33正极均接地；芯片u5第一引脚分别接控制芯片第二十七引脚且以及比较器电路输入端。

进一步的，所述的比较器电路包括芯片u6，芯片u6采用高频放大器max987，第二引脚分别接电阻r19一端、电容c34一端、电阻r17一端，电阻r19另一端、电容c34另一端均接地，电阻r17另一端接芯片u5第一引脚；芯片u6第三引脚分别接电阻r16一端、电阻r13一端，电阻r16另一端接芯片u5第一引脚，电阻r13另一端分别接控制芯片第三十一引脚、芯片u6第六引脚；芯片u6第四引脚接地；芯片u6第六引脚分别接稳压二极管d2负极、控制芯片第八十二引脚、极性电容c35正极，稳压二极管d2正极、极性电容c35负极均接地；芯片u6第七引脚分别接+5v电压、极性电容c31正极，极性电容c31负极接地。

本发明的有益效果是：

1、该发明的系统组成电路简单，成本低，数字化、智能化高。采用该控制芯片和电路配以常规方便外围电路可组成仪表和功能模块，实现数字化显示、数据传输、智能控制等方式；采用该电路组成的仪表或模块对风机行业安全、节能环保、高效率运行起着重要的作用。

2、多路开关采用cd4052，为备用电阻应变片预留端口，可以同时支持两组备用电阻应变片，确保在任何时候，风机上至少有一组电阻应变片可以正常工作，大大提升了整个系统的稳定性。

3、比较器电路采用动态比较器，原理是采用c34作为极值变换分界值，即当信号一直上升阶段输入信号为正信号，当信号处于下降阶段输入信号为负信号，形成形成随信号波动的方波脉冲。同时，为了消去抖动，在脉冲输出端加电容c35，确保方波的真实性。

附图说明

图1是本发明电阻应变片r3在风机中安装的位置结构示意图；

图2是本发明风压曲线变化原理图，其中2(a)是经过电路的处理得到的动态曲线，2(b)是电阻应变片实测的动态曲线；

图3是本发明系统原理结构框图；

图4是本发明系统中控制器的电路原理图；

图5是本发明系统去除控制器外的电路原理图。

图1中：1叶轮，2扩压器，3蜗壳，4测压点，5出风口。

具体实施方式

为了更好的理解本发明创造，下面对于本发明的实现原理进行详细的阐述说明。

风机按不同功能分类很多，如风机鼓风机有两大类，一类是叫“离心式鼓风机”，它的原理是由于风机工作时里面的风机叶轮高速旋转，使风机壳里的空气产生离心力而被甩离风机叶轮，经过出风口被“压送”出风机；第二类是叫“轴流风机”，它的工作原理是：这种风机和电风扇一样，其叶片的面和风机轴是有一个夹角的，在旋转时，叶片把空气顺轴向往出风口“推”，而在进风口处就形成了一定的负压，新空气也就被补充进来，这样也就保持了正常工作的状态。

但是，不管什么类型的风机，都是通过叶片传递风量的，由于风叶的数量不止一个，所以风在某点的风压相对风叶的位置是不同的。由此可知，在蜗壳某点安装一个压力片，由压力片的变化情况可以推算出风压、风速、风量、转速的风机参数。

如图1所示的一种风机，其主要结构包括叶轮1、扩压器2、蜗壳3、出风口5，假设测压点4为安装电阻应变片的位置，该点的压力跟风叶的位置或风叶运行时的时间形成一个二维的函数曲线，如图2所示，其中图2(a)经过本发明电路处理后的曲线图；2(b)是电阻应变片实测的动态曲线，该曲线随着叶片的不同位置，形成力不同形成这样的曲线。

实测曲线经过动态比较器获得方波曲线。动态比较器原理是在曲线上升过程中，含电容的比较器输入端电压一直低于另一端电压；而在放电过程中，该端电压一直高于另一端电压。这样就变成方波了。

结合上述原理，如图3所示，本发明提供了一种风机动态性能参数测量系统来具体实现分机参数测量的功能，整个系统包括设置在风机上的电阻应变片r3、设置在电路板上的基准电阻应变片r8、多路开关电路、差分放大电路、滤波积分放大电路、比较器电路、基准电压电路和控制器，所述的控制器包括控制芯片及其外围电路，电阻应变片r3和基准电阻应变片r8分别通过一个差分电路电连接多路开关，多路开关由控制芯片控制，并通过差分放大电路连接滤波积分放大电路，滤波积分放大电路输出端分别连接控制芯片的a/d端口以及比较器电路输入端，比较器电路输出端分别连接控制芯片脉宽获取端口和外部中断端口，基准电压电路为整个系统提供稳定的基准电压。

生产厂家生产风机时期选择在蜗壳一恰当位置安装一个电阻应变片，预留接线端。由于电阻应变片成本很低，所以对风机价格几乎没影响，但对以后风机的参数监控带来极大的方便，也带来相关的效益。

整个系统的功能实现原理为：电阻应变片r3经过恒压分压差分电路后由差分放大器进行放大，再经滤波积分放大形成平滑的曲线，该曲线信号分成两路：一路由数字信号控制器的高速进行采样，cpu根据一系列算法求得分压；另一路进入动态比较器形成方波，数字信号控制器通过方波引起的外部中断可以求得变化频率，方波的脉宽可通过数字信号控制器求得。根据这些参数可以求得风机的风压、风速、风量、转速。同时，为实现自校准，在电路上设计与风机电阻应变片r3相同的基准电阻应变片r8作为定期校准电路。

在具体实现的过程中，本发明采用了如图4和图5所示的具体电路，来作为整个系统的具体实施结构。

所述控制芯片采用stm32f047数字信号控制器，控制芯片的第94、37、20、10、27、74、99引脚均接地，控制芯片的第100、75、50、28、22、21、19、11、6引脚均接3.3v直流电压；控制芯片的外围电路包括有源晶振y1、电容c18、电容c19，有源晶振y1的第三引脚接控制芯片的第十二引脚，有源晶振y1的第四引脚直接接3.3v直流电压，有源晶振y1第四引脚通过电阻r12接控制芯片第十四引脚，有源晶振y1第二引脚通过通过电容c26接3.3v直流电压，有源晶振y1第二引脚通过电容c24接控制芯片第十四引脚，且有源晶振y1第二引脚直接接地；电容c18一端接控制芯片第七十三引脚，电容c18另一端接地；电容c19一端接控制芯片第四十九引脚，电容c19另一端接地。

基准电压电路包括芯片u2，芯片u2采用ref3012芯片，电压芯片u2第一引脚接地，电压芯片u2的第二引脚接+5v直流电压，并分别连接极性电容c8正极以及电容c9一端，极性电容c8负极以及电容c9另一端均接地，电压芯片u2第三引脚分别接嵌位二极管d1一端、极性电容c1正极、电容c2一端，嵌位二极管d1另一端、极性电容c1负极、电容c2另一端均接地。

多路开关电路包括芯片u3，芯片u3采用cd4052芯片，芯片u3第六引脚和第八引脚均接地，芯片u3第十六引脚接+5v直流电压，芯片u3第三引脚和第十三引脚接差分放大电路，芯片u3第七引脚接-5v电压并分别接极性电容c22负极、电容c23一端，极性电容c22正极、电容c23另一端均接地。

电阻应变片r3与多路开关之间的差分电路为第一差分电路，所述的第一差分电路包括电阻r1，电阻r1一端接基准电压输出端，即芯片u2的第三引脚，电阻r1另一端分别接电容c3一端、电容c5一端、电阻r2一端、电阻应变片r3一端，电容c3另一端接地，电容c5另一端分别接电阻应变片r3另一端、电容c6一端、电阻r4一端、电阻r5一端，电容c6另一端、电阻r4另一端均接地，电阻r5另一端分别接电容c7一端和芯片u3第十二引脚，电容c7另一端接地，电阻r2另一端分别接电容c4一端和芯片u3第一引脚，电容c4另一端接地。

基准电阻应变片r8与多路开关之间的差分电路为第二差分电路，所述的第二差分电路包括电阻r6，电阻r6一端接基准电压输出端，即芯片u2的第三引脚，电阻r6另一端分别接电容c12一端、电容c10一端、电阻r7一端、基准电阻应变片r8一端，电容c10另一端接地，电容c12另一端分别接基准电阻应变片r8另一端、电容c13一端、电阻r9一端、电阻r10一端，电容c13另一端、电阻r9另一端均接地，电阻r10另一端分别接电容c14一端和芯片u3第十四引脚，电容c14另一端接地，电阻r7另一端分别接电容c11一端和芯片u3第五引脚，电容c11另一端接地。

差分放大电路包括芯片u4，芯片u4采用差分放大器ad620，芯片u4第一引脚和第八引脚之间设有电阻r11，芯片u4第三引脚通过电容c17接地，且芯片u4第三引脚接芯片u3第三引脚，芯片u4第二引脚通过电容c25接地，且芯片u4第二引脚接芯片u3第十三引脚，芯片u4第四引脚分别接-5v电压、电容c20一端、极性电容c21负极，电容c20另一端、极性电容c21正极以及芯片u4第五引脚均接地，芯片u4第六引脚接滤波积分放大电路，芯片u4第七引脚分别接极性电容c16正极、+5v电压、电容c15一端，极性电容c16负极、电容c15另一端均接地。

滤波积分放大电路包括芯片u5，芯片u5采用运算放大器max4416，芯片u5第二引脚分别接电阻r14一端、电容c30一端，电阻r14一端分别接电容c27一端、芯片u5第一引脚，电容c27另一端分别接电容c30另一端、电阻r15一端、电阻r18一端，电阻r15另一端接差分放大电路，电阻r18另一端接地；芯片u5第三引脚接地；芯片u5第八引脚分别接+5v电压、极性电容c29正极、电容c28一端，极性电容c29负极、电容c28另一端均接地；芯片u5第四引脚分别接-5v电压、电容c32一端、极性电容c33负极，电容c32另一端、极性电容c33正极均接地；芯片u5第一引脚分别接控制芯片第二十七引脚且以及比较器电路输入端。

比较器电路包括芯片u6，芯片u6采用高频放大器max987，第二引脚分别接电阻r19一端、电容c34一端、电阻r17一端，电阻r19另一端、电容c34另一端均接地，电阻r17另一端接芯片u5第一引脚；芯片u6第三引脚分别接电阻r16一端、电阻r13一端，电阻r16另一端接芯片u5第一引脚，电阻r13另一端分别接控制芯片第三十一引脚、芯片u6第六引脚；芯片u6第四引脚接地；芯片u6第六引脚分别接稳压二极管d2负极、控制芯片第八十二引脚、极性电容c35正极，稳压二极管d2正极、极性电容c35负极均接地；芯片u6第七引脚分别接+5v电压、极性电容c31正极，极性电容c31负极接地。

整个电路的信号采集过程为：在风机出口的恰当位置安装的电阻应变片r3，由于受风叶风力的推动，引起电阻应变片的阻值变化，该阻值经过r1、r3、r4组成恒压分压电路变成电压信号，经过差分多路开关cd4052进入仪表差分放大器ad620进行放大；为消除风压的抖动，再经过max4416核心构成的滤波积分放大，形成平滑的交流曲线，该交流曲线分成两路：一路通过stm32f内部a/d的ad0的端口进行高速采样；另一路进入有高频放大器max987组成的动态比较器产生方波脉冲，该脉冲的频率可有由stm32f的外部中断int与其内部定时结合获取，脉冲的脉宽可有stm32f的to端口脉宽捕捉功能获取。

电路中关键部分的设计或选择原理为：

电阻应变片的的风压曲线是变化的，所以不能采用定值的比较器，为实现该功能，比较器电路采用动态比较器，该动态比较器原理是采用c34作为极值变换分界值，即当信号一直上升阶段输入信号为正信号，当信号处于下降阶段输入信号为负信号，形成随信号波动的方波脉冲。为了消去抖动，需要再脉冲输出端加电容c35，确保方波的真实性。

stm32f407数字信号控制器内部的a/d采样速度达到2.4mhz，风机的转速最高一般3000转/分，频率为50hz，转一周需要时间为20ms,如果该风机带较多风叶30个，则每个风叶的区域经过一个压力点的时间为667us，2.4mhz的a/d采样，则可以采样278个点，去掉a/d的启动关闭时间，也能采样200多个点，完全可以精确描述这一个波段的图像。如图2(b)，f1是最小风量，f2是最大风量。

采用外部中断int和内部定时中断可以很容易求得各风叶的频率f,将f除以风叶数就是风机的转速。

to管脚是为了获取脉冲宽度--风量从最小到最大的时间。

一般电阻应变片响应时间为107s,半导体式应变片响应时间达1011s，所以电阻应变片满足风机频率的要求。

在具体测量时，对于参数的设置给出了一种参考：在电路中，将to即pa6用作检测方波高电平时间，这里pa6可复用为定时器3的通道1。首先设置“定时器3通道1”为上升沿检测，这样，在检测到上升沿时，将定时计数器的值清零，并设置“定时器3通道1”为下降沿检测，这样，在检测到下降沿时，记录此时定时计数器的值，这个值可以根据定时器的定时时间来算出上升沿和下降沿之间的时间值，这个时间值就是高电平脉宽△t，利用该值求得风量参数。

计算的参考公式如下：

已知：f＝ma；m是风的质量，a是加速度。

由此风速的公式：v＝at＝ft/m＝k1(f2-f1)δt；k1是系数。

风机的压力：fp＝(f2-f1)/2；f1是最小风量，f2是最大风量，kp为平均压力。

风量：q＝k2vs；s是风机的出口面积,k2是系数。

以上公式虽然不能精确得反映风机的参数，但使用在风机运行期间可以描述风机的三个参数，实施过程中对k1、k2值加以适当校准即可。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明的具体结构，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。