竖井变形自动综合测量仪

图1　竖井变形曲线示意图

　　取空间直角坐标系(x,y,z)，用x,y,z表示罐道偏斜后的空间位置，并以井口中心为坐标原点，则罐道在不同深度上相互垂直的两个位置的垂直投影可用下列曲线方程表示：

X=f(z)
Y=ψ(z)

i和β_i，则该角的正切乘以分段距离就得出各分段的偏斜量，即：

ΔX=tgα_i^.L
ΔY=tgβ_i^.L

　　显然，各自相对于井口位置的总偏斜量就是这些分段偏斜量之代数和，即：

X=∑ΔX_i=∑tgα_i^.L
Y=∑ΔY_i=∑tgβ_i^.L

　　根据以上公式来选择速度合适，量程合理，相对比较接近的倾角传感器，用于测量仪的偏斜量测量。
2.2　罐道间距测量和罐道磨损测量
　　对于这两项测量，可直接选用输出稳定，线性好，且不受环境条件影响的直流位移传感器，要求传感器在动态条件下应用也能取得很好的结果。
2.3　测量仪的基本构成及其框图
　　为了实现自动测量，测量仪设置多路快速数据采集器，能够在实时测量时将传感器在不同深度上输出的数值采集并存储起来，以便计算机实时分析、计算、打印各种数据。
　　测量仪要求采集不同深度上的输出数据，因此数据采集系统中还装有测深传感器，以测量同步数据。
　　为实现各项测量，将所需各传感器及数据采集系统合理安装在行走机架上，而行走机架可安装在罐笼顶部或底部。
　　综合测量仪结构框图如图2所示。

图2　综合测量仪技术方案图

3　数据采集系统硬件设计

　　根据竖井变形综合测量仪的要求，数据采集器硬件框图如图3所示。

图3　数据采集器硬件框图

　　它由单片机系统、深度测量系统、模拟电路及A/D转换电路等几部分组成。
3.1　单片机系统
　　以PHILIPS公司生产的第一代高性能单片机80C552为CPU，它与INTEL公司的MCS-51系列的单片机兼容，是80C51系列中功能最强、用途最广的单片机。数字电路全部采用高速CMOS器件组成。显示采用20*2位标准字符点阵式液晶显示器，主要显示初始位置测量值、各个测量点测量值、数据采集状态、通信状态等。数据存储由两片32KB高速数据不挥发静态RAM芯片组成，用于存储初始位置测量数据、上、下行深度值及各个测量点的测量数据。两片数据存储器由手动开关选择其一，在现场可以一次测量两对罐道。
　　为了提高采集系统的可靠性，采用了先进的微处理器/单片机系统监控电路，它具有上电复位和手动复位功能，并利用了80C552单片机内部的自动复位(WATCHDOG)电路，保证采集系统在恶劣的环境下也能正常工作。
3.2　深度测量系统
　　深度测量的目的是记录罐笼在罐道上相对井口的距离，并按一定的间距发出位置信号，以便采集器采集该位置的各个参数，它由计程传感器和信号转换电路组成。
　　由计程传感器得到一脉冲信号，而每一个脉冲信号代表实际距离的标定值。而信号转换电路将计程传感器的脉冲信号调理成方波信号传送给CPU，它具有分辨上下行的功能。
3.3　模拟电路和A/D转换
　　测量时，行走机构是运动的，实际要求每隔一定距离同时测量所有参数，以保证各个参数为同一位置的参数值。但是,A/D转换是分时采样的，为此可采用高速采样的A/D转换来实现这一要求。
　　高速采样A/D转换采用12位分辨率的A/D变换AD1674，它由片内带采样/保持放大器(SHA)、10V电压基准、时钟和对微处理器接口的三态输出缓冲器等几部分组成。其中，AD1674完成12位A/D转换，时间为10μs，能够充分满足系统对A/D转换采样的要求。同时，采用AD1674还大大减少了A/D变换器外围元器件，进一步提高了系统的可靠性及抗干扰能力。
　　行走机构在罐道上运行时，各个参数的变化是渐变的，因此，采用低通滤波器对各个传感器信号进行滤波，同时对电压信号进行幅值调节，以适应A/D转换的输入电压，进一步提高测量精度和稳定性。
3.4　计算机及通信系统
　　计算机主要用于保存、处理现场采样的数据，将其整理成图表的形式，并可显示打印输出。
　　通信系统采用串行通信，主要由驱动转换电路MAX232和通信电缆组成。MAX232将单片机的TTL电平转换为计算机串口可接受的RS232电平。

4　计算机软件设计

　　计算机软件采用BASIC语言编写，其主要功能有：取采集器中测量的数据，数据处理，图表的显示和打印等。
　　整个计算机操作全过程完全采用人机对话方式，按计算机屏幕提示，键入必要的参数，以“Y”或“N”键给出响应即可。对检测人员来说，极易掌握，使用非常方便。

作者简介　李成群，男，1963年生。1991年毕业于西安交通大学流体传动与控制专业，硕士。现在河北理工学院传动与控制教研室从事教学与科研工作，讲师。已发表论文4篇。

作者单位：李成群　河北理工学院机械系(唐山 063009)
　　　　　徐文俊　孟庆玉　黄　平　煤科总院唐山分院(唐山 063009)

参考文献

1　张友德.飞利浦80C51系列单片机原理与应用技术手册.北京：航空航天大学出版社，1992.
2　何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京：航空航天大学出版社，1990.