史先傳，顧玉凱，潘禮正

（常州大學 機械與軌道交通學院，常州 213000）

在鑄造結束后， 鑄件上和澆鑄模具內(nèi)的型砂（舊砂）需經(jīng)過振動落砂、砂塊破碎、溫濕與稱重檢測、灑水增濕、冷卻、除塵等一系列步驟，才可達到再生標準。 再生利用舊砂過程中，舊砂含水量關系到舊砂除塵效果以及舊砂再利用質(zhì)量，因此需要對舊砂含水量進行測量。 目前，測量型砂含水量的方法主要有：電阻法、電容法、中子法、紅外法[1]等方法，一般根據(jù)被測型砂含水量的范圍、測量環(huán)境和成本等情況，選擇合適的檢測方法。 由于在線檢測的舊砂含水量較高且測量精度要求不高，所以選擇電阻法測量較為合適[2-4]。 電阻式水分儀是利用型砂含水量與其阻值的對數(shù)近似成線性的關系來檢測含水量[5]，具有快速性、準確性以及成本低的特點。但現(xiàn)有的電阻法水分儀通常由分立元件、模擬電路構成，測量電路內(nèi)包含多個電位器，需要進行現(xiàn)場調(diào)零、校準，操作繁瑣。 另外，這些分立元件也易受環(huán)境溫度和機械振動影響，因此設計一款新型電阻法水分儀成為一種現(xiàn)實需求。

1 技術要求

電阻式水分儀主要用于實時檢測由傳送帶運送的舊砂含水量[6]，并輸出相應電流信號給上位機，其性能要求為：①測量的舊砂含水量在18%～40%之間；②含水量相對應的輸出的電流為4～20 mA；③電流檢測值與真實值的誤差小于3%。

根據(jù)用戶要求，水分儀檢測電極之間的型砂不同含水量的阻值與水分儀輸出的4～20 mA 電流信號應滿足規(guī)定的對應關系，如表1 所示。

表1 型砂阻值與電流值的對應關系Tab.1 Corresponding relationship between sand resistance and current value

2 硬件設計

2.1 電阻式水分儀的檢測原理

電阻式水分儀檢測原理如圖1 所示，Rx為測量電極之間的型砂阻抗，R1為采樣電阻。施加激勵電壓Ui，電流流過Rx和R1，在R1上產(chǎn)生壓降Uo，在10 V電壓作為激勵電壓與100 Ω 作為采樣電阻時，通過Uo與Rx的歐姆定律關系， 將型砂含水量與電阻的關系轉(zhuǎn)變?yōu)榕c壓降Uo的變化關系。 如式（1）所示[7]：

圖1 電阻式水分儀檢測原理圖Fig.1 Schematic of resistance moisture meter detection

型砂阻值與壓降值隨含水量變化關系如圖2所示，根據(jù)表1 型砂阻值測得的電壓值隨含水量大小近似成線性增長。 再進行濾波放大電路和AD 轉(zhuǎn)換電路傳遞到微控制器中，經(jīng)過分段線性計算轉(zhuǎn)變?yōu)閷娏髦怠?由此采用線性關系的電壓代替非線性的阻值，可有效地提高測得含水量的準確度。

圖2 型砂阻值與壓降值隨含水量變化關系Fig.2 Diagram of resistance and pressure drop of molding sand with water content

2.2 水分儀硬件結構

水分儀由電源電路、激勵電壓電路、采樣電路、有源濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電流轉(zhuǎn)換電路、線路檢測電路以及由微控制器STM32F103C8T6 構成的最小系統(tǒng)等電路構成，如圖3 所示。

圖3 水分儀硬件結構框圖Fig.3 Hardware structure diagram of moisture meter

電源電路將交流220 V 電源轉(zhuǎn)換為水分儀所需的各種直流電源，激勵電壓電路產(chǎn)生10 V 穩(wěn)定的電壓源施加在測量電極和采樣電阻上，采樣得出的壓降Uo經(jīng)有源濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路得出對應的數(shù)字量，從而經(jīng)串行總線傳送到微控制器。 微控制器根據(jù)表1 對應關系編寫相對應的電流值，并采用分段線性計算法，使電流值隨含水量變化具有連續(xù)性，再經(jīng)串行總線寫入到電流轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20 mA電流信號，以此傳遞到上位機，由上位機控制加水量。 電極故障檢測模塊則用于判別檢測的電極是否發(fā)生短路或斷路，若有短路或斷路，則輸出報警信號。

2.3 電源模塊

由于水分儀所需的直流電源較多，同時在舊砂制備的大型設備下，很容易受環(huán)境以及機械振動的產(chǎn)生電磁干擾，因此所設計的電源模塊需具備體積小，抗干擾能力強，電路簡單等特點。 電源供電電路如圖4 所示。

圖4 電源供電電路Fig.4 Power supply circuit

總體供電電源如圖4（a）所示，主要是采用小體積、高效率，安全隔離的LHE10-20C 開關電源模塊將交流電220 V 轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕分绷鬏敵鲭妷海?再經(jīng)過兩個不同的電源穩(wěn)壓芯片，在拓展輸出電源數(shù)量的情況下也對不同模塊所需的電源進行了隔離。 其中兩路輸出相同的5 V 電壓， 一路轉(zhuǎn)換成為微控制器供電的3.3 V，如圖4（b）所示；一路轉(zhuǎn)換成為AD 轉(zhuǎn)換芯片供電的2.5 V，如圖4（c）所示，±15 V 輸出電壓則負責給有源濾波電路中的運算放大器元件供電，而單獨的15 V 電壓則供電給D/A 轉(zhuǎn)化芯片。

2.4 激勵電壓電路

由圖1 工作原理可知，在測量過程中，若激勵電壓Ui發(fā)生波動，會直接影響到采樣電阻兩端的壓降Uo，從而影響到水分儀測量的準確性，所以Ui必須穩(wěn)定、準確。 為了獲得穩(wěn)定的激勵電壓Ui，采用精度高、溫度系數(shù)小的基準電壓芯片AD780B 產(chǎn)生2.5 V電壓，再經(jīng)過功率運算放大器OPA551 放大4 倍后產(chǎn)生10 V 作為激勵電壓，如圖5 所示。

圖5 激勵電壓電路Fig.5 Excitation voltage circuit

2.5 電極故障檢測模塊

電極故障檢測電路用于檢測電極連線是否發(fā)生斷路故障以及電極間是否產(chǎn)生短路故障。 在輸出電流值之前， 微控制器首先進行電極故障檢測，檢測電路如圖6 所示。

圖6 電極故障檢測電路Fig.6 Electrode fault detection circuit

由微控制器控制干簧繼電器觸點K1接通、觸點K2斷開，如果此時電極1 的端子1 和端子2 之間連線正常，則10 V 電壓信號經(jīng)R3、觸點K1、端子1 和端子2，使得m 點的電平為高電平，再經(jīng)電阻R5、反相器A 和反相器B，到達光耦U1的2 腳，由于U1的2 腳為高電平，U2的輸入側無電流流過，所以Vout1為高電平，表示電極1 的連線正常；反之，如果電極1 的端子1 和端子2 之間的連線發(fā)生斷路， 則圖中m 點電壓為低電平，使得Vout1 為低電平，表示電極1 連線發(fā)生斷路。 如果電極1 和電極2 之間發(fā)生短路，則10 V 電壓信號經(jīng)R3、觸點K1、端子1、端子3，使得n 點的電平為高電平，n 點的高電平再經(jīng)電阻R6、反相器C 和反向器D，到達光耦U2的2 腳，由于U2的2 腳為高電平，U2的輸入側無電流，此時Vout2為高電平， 表示電極1 和電極2 之間發(fā)生短路；反之，Vout2 低高電平，表示電極1 和電極2 之間沒有發(fā)生短路。同理，由微控制器控制觸點K1斷開、觸點K2接通， 可以判斷電極2 的連線是否發(fā)生斷路，以及電極1 和電極2 之間是否發(fā)生短路。

2.6 有源濾波放大電路

被測量的舊砂電阻值是隨著傳送帶的運動而不斷變化，再加上周圍環(huán)境中噪聲等影響，測得的電壓信號并不穩(wěn)定，具有較多雜波。 因此需要對其先進行濾波再比例放大。 本設計采用的是OPA2277集成芯片，其構成的電路如圖7 所示。 一級運算放大器主要是作為二階低通濾波器[8]，其傳遞函數(shù)為

圖7 濾波放大電路Fig.7 Filter amplifier circuit

二級運算放大器電路則用于比例放大，放大輸出的電壓值控制在AD 轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓之內(nèi)，同時增大的電壓經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換獲得的電壓值與實際誤差越小，準確度越高。 根據(jù)理論得出的壓降值和AD轉(zhuǎn)換的參考電壓范圍，將放大倍數(shù)設置為8 倍。

2.7 A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換電路采用12 位逐次比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7895， 它主要包含了1 個3.8 us 的ADC 轉(zhuǎn)換器、1 個跟蹤/保持器和1 個高速SPI 串行接口。 A/D轉(zhuǎn)換電路與微控制器之間使用SPI 通信， 為了避免外界電磁干擾影響到微控制器，轉(zhuǎn)換電路與微控制器之間的SPI 通信在硬件上添加了數(shù)字隔離芯片。

微控制器傳遞的二進制值則通過AD5410 的12 位D/A 轉(zhuǎn)換芯片，該芯片輸出對應的電流值在4～20 mA 范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)換公式為

式中：D 為輸入的代碼的十進制值；N 為DAC 的分辨率。

2.8 主控模塊

主控芯片采用STM32F103C8T6 微控制器[9-10]，主要是其具有高速的工作頻率（可達7 MHz），使上位機可快速獲得實時的數(shù)據(jù)信息。 電極故障檢測模塊則是通過微控制器的定時器3 對IO 輸入的檢測信號進行中斷判斷； 采用2 個SPI 串口分別對AD轉(zhuǎn)換信號進行接收與電流值傳遞給DA 轉(zhuǎn)換芯片，其中SPI 總線的傳輸速率可達每秒幾兆字節(jié)。 同時開啟微控制器內(nèi)的看門狗定時器，在出現(xiàn)死機情況時自動重啟水分儀。

3 軟件設計

程序編寫選擇Keil 5 軟件，用C 語言對電極故障檢測和舊砂含水量進行測量編程， 其流程如圖8所示。 首先檢測導線是否與兩電極連接，若已連接成功，則進行輸入的數(shù)字量定時采集，每1.5 ms 采集一個數(shù)據(jù)，讀取5 個值便計算平均值，當數(shù)字量≤300 時，則固定為最小值；在300～2047 之間的數(shù)字量則設定為其本身。 再用分段線性的計算方法，將得到的相應數(shù)字量，傳遞給AD 轉(zhuǎn)換模塊。

圖8 軟件總體設計Fig.8 Overall design of the software

由表1 顯示標定的值是有限的，而采樣8 獲得的電壓值是連續(xù)的， 因此采用分段線性的計算，首先判斷讀取的AD 值在哪兩個標定的AD 值之間，再利用公式將AD 值轉(zhuǎn)成DA 值。 如式（4）所示：

式中：DAout為讀取的AD 轉(zhuǎn)化DA 值；ADin為AD 讀取值；DA1，DA2分別為標定的相鄰DA 最小值和最大值；AD1，AD2分別為標定的相鄰AD 最小值和最大值。 通過該計算公式編程，即可得到連續(xù)性的DA 值。

4 系統(tǒng)標定

按表1 對應關系對水分儀進行標定，將阻值為表1 所列的精密電阻分別連接水分儀，對輸出電流進行標定。 標定過程如圖9 所示。

圖9 電阻式水分儀標定過程Fig.9 Calibration process of resistive moisture meter

電阻盒內(nèi)有12 個精密電阻，在不同檔位輸出不同的阻值，在電流輸出端聯(lián)一個500 Ω 的電阻，示波器采集電阻兩端的電壓， 從而得出輸出的電流值。在水分儀測量舊砂含水量時，測試電極間的阻值在850～4700 Ω 之間且不是上述阻值， 則按公式（4）輸出電流值；小于850 Ω，則直接輸出20 mA；阻值大于4700 Ω，則直接輸出4 mA 電流。同時實際測得的電流值與理論的電流值的對比圖如圖10 所示，可以發(fā)現(xiàn)誤差范圍很小，一般在0～1.1%之內(nèi)。

圖10 實際電流值與理論值對比Fig.10 Comparison of actual and theoretical current values

5 結語

電阻式水分儀在運行過程中檢測電極是否發(fā)生短路或斷路情況，從而避免因電極短路或斷路而輸出錯誤結果。 并且通過實驗測試可以得出該水分儀可以將檢測出的連續(xù)電阻值轉(zhuǎn)化為連續(xù)性的電流值， 同時實際輸出的電流值與理論值誤差變化小，較為精準。 水分儀實際投入使用1年表明，基于微控制器的水分儀運行可靠、性能穩(wěn)定，輸出的電流值誤差范圍在0～1.1%，具有較高的精度。 基于微控制器的水分儀電路上沒有電位器，避免了機械振動影響。 采用低溫度系數(shù)的電阻也減小了溫度對測量電路的影響。