一種油水混勻裝置的研制

劉廣銀，任素萍，劉 帆，李 波，武靈杰

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

石油作為一種常規能源和化工基礎原料，在我國的國民經濟中占有重要地位。隨著石油開采量的增加，油田化學研究也得到很大的發展，其中原油脫水是原油開采中必須進行的環節。原油破乳劑是快速高效去除原油中水分的最有效辦法。針對我國目前原油破乳的使用和研究現狀，以及越來越嚴格的環保要求，對新型高效的破乳劑的研究和應用顯得日益緊迫。

在破乳劑的研究中，需要混勻原油和破乳劑。本文研制了一種用于稠油降黏實驗中混勻破乳劑和原油的裝置，提高混勻效率，縮短脫水時間，降低人力成本，并且能夠廣泛地應用于實驗室中各類液液混勻實驗。

1 組成結構及工作原理

該機構由一組凸輪搖臂、連接搖臂、主動齒輪和動齒輪構成，基于此結構，研制了一種反復搖勻試管的實驗裝置。裝置由可編程微處理器控制，通過鍵盤顯示電路設定參數，經直流電機驅動器放大輸出信號，電機帶動往復運動機構，實現試管的振蕩。同時采用光電編碼器采集試管的轉動位置，反饋到控制器，進而適時控制電磁閥對試管中的廢氣周期性排出。實驗裝置如圖1 所示。

1.1 往復擺機構設計

為了實現試管的擺動，并且使電機的控制簡單化，采取在保持電機轉向不變的情況下周期性改變力矩轉向的往復擺機構，結構如圖2所示。從動齒輪、主動齒輪和電機，連桿兩個節點均為活動鏈接。電機帶動連桿轉動時，主動齒輪會在連桿的束縛下在一定角度范圍內往復運動，從而帶動從動齒輪往復運動。從動齒輪帶動中心主軸反復運動，即可實現試管的往復擺。經過實驗驗證，該結構穩定且輸出力矩大，能夠帶動較重的試管。

圖1 油水混勻裝置結構圖Fig.1 Oil and water mixing device

圖2 機械結構Fig.2 Mechanical structure

光電編碼器通過連接齒輪與定位齒輪嚙合，從而獲得中心主軸的轉動位置信息。由于實驗過程中存在僅一組實驗的情況，也存在同時幾組對照實驗的可能，因而結構在后期的改進中在同一中心軸上增加了多個試管固定結構。

1.2 部分參數及理論計算

（1）傳動比的計算。主動齒輪、從動齒輪參數如表1所示。其傳動比：i= Zb/Za=60/100=0.6。

（2）最大擺動角度的計算。主動齒輪轉動角度范圍為-90°～+90°，轉過的齒數為50，故從動齒輪轉過50，折合轉動角度為360/60×50=300°，完全可以實現試管的振蕩要求。

表1 齒輪參數Tab.1Gearparameters

2 控制電路設計

2.1 MCU 的選用

選用MSP430G2553 單片機作為控制器。MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。具有超低功耗、處理能力強、開發環境方便簡捷等優點。

2.2 電機驅動器設計

L298N 是SGS 公司的產品，內部包含4 通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL 邏輯電平信號，可驅動46V、2A 以下的電機。

L298N 有兩路電源，分別為邏輯電源和動力電源，圖中5V 為邏輯電源，12V 為動力電源。J4 接入邏輯電源，J6 接入動力電源，J1 與J2 分別為單片機控制兩個電機的輸入端，J3 與J5 分別與兩個電極的正負極相連，見圖3。

ENA 與ENB 直接接入5V 邏輯電源，即兩個電機時刻都工作在使能狀態，控制電機的運行狀態只有通過J1與J2 兩個接口。

2.3 鍵盤顯示電路

圖3 L298N 電路圖Fig.3 L298N Circuit diagram

采用HD7279 鍵盤顯示電路芯片，該芯片是一片智能顯示驅動芯片，具有串行接口，能夠驅動8 位共陰式數碼管（或64 只獨立LED）。該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。

鍵盤顯示電路中，用一片HD7279 芯片驅動4 位共陰極數碼管，供裝置相關參數的顯示。同時，外接一4×4 的按鍵模塊，用于進行相應參數的設定。

3 控制程序設計

系統的控制流程圖如圖4 所示。電機PWM 調速[1]：

在對直流電動機電壓的控制和驅動中，半導體功率器件（L298）在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式。

半導體功率器件工作在線性放大驅動方式，器件工作在線性區。其優點為控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小。同時也存在功率低和散熱問題嚴重缺點。

而開關驅動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態，通過脈調制（PWM）來控制電動機的電壓，從而實現電動機轉速的控制。

當開關管的驅動信號為高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓U。t1秒后，驅動信號變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，驅動信號重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U 為：

U =（t1×U）/（t1+t2）=( t1×U)/T=D×U

式中：D—占空比（D= t/T）。占空比D 表示了在一個周期T 里開關管導通的時間與周期的比值。D 的變化范圍為0≤D≤1。當電源電壓U 不變的情況下，輸出電壓的平均值U 取決于占空比D 的大小，改變D 值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達到控制電動機轉速的目的，即實現PWM 調速。

圖4 流程圖Fig.4 Flow chart

在PWM 調速時，占空比D 是一個重要參數。改變占空比的方法有定寬調頻法、調寬調頻法和定頻調寬法等。常用的定頻調寬法，同時改變t1和t2，但周期T（或頻率）保持不變。

4 總結

該控制系統簡單高效，能夠實現油水混勻的自動化進行，具有很高的實用價值。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].4 版.北京：機械工業出版社，2000.

[2]趙正宏，許絳垣，劉孝,等．工業安全管理的實用事故模型及剖析[J]．勞動保護科學技術，1999，3．

[3]張勝強．我國煤礦事故致因理論及預防對策研究[D]．杭州:浙江大學，2004．