換熱器在線檢測裝置的設計與研究

李旭

摘要：換熱器在線檢測裝置的設計與研究，主要是以服務換熱器檢測實驗室和換熱器生產企業為核心，以檢測換熱器產品質量為目標，通過數據采集模塊、傳輸模塊、處理模塊以及計算機軟件等的設計實現換熱器的在線檢測。

關鍵詞：換熱器;機械設計;在線檢測

中圖分類號：TP391.41;TK172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

1 引言

換熱器是化工生產中重要的單元設備，是一種在不同溫度的兩種或兩種以上冷熱流體間實現物料之間熱量傳遞的節能設備[1]。換熱器檢測是指對換熱器性能的檢測，大多數采用傳熱與阻力性能作為對換熱器的評價依據。由于換熱器檢測系統的體積大、建設開發成本高，大多數換熱器廠家并沒有完整的測試試驗臺。國內具備換熱器檢測資質和能力的實驗室較少，生產企業對換熱器檢測主要是以送檢的形式，將換熱器運輸到具備檢測能力和資質的實驗室進行檢測，運輸和檢測周期較長，運輸和檢測費用也很高，企業無法方便快捷地對換熱器進行檢測。因此，目前的換熱器檢測系統不能完全滿足市場的需求。為解決以上問題，本文提出換熱器在線檢測裝置的設計與研究：企業的換熱器在安裝檢測裝置后，便可以對換熱器運行時的溫度、壓力、流量等數據進行采集，將數據傳輸到企業計算機中的檢測系統應用軟件上顯示，并依照標準公式計算得出當前工況下的總傳熱系數和壓力降。結果表明：本文設計的換熱器在線檢測裝置實現了換熱器的在線檢測。

2 換熱器在線檢測裝置的硬件設計

2.1 換熱器在線檢測裝置的設計理念

換熱器在線檢測裝置硬件部分主要由單片機控制模塊、電源模塊、數據采集模塊、報警模塊、通信模塊以及存儲模塊等組成，檢測裝置架構如圖1所示。STM8S105C6T6型號的單片機具有功能多、價格低等特點，因此，選作本系統硬件的控制模塊，主要用來實現對信號進行判斷、對數據進行處理以及完成通信等功能。壓力、溫度傳感器和流量計等構成了具有實時采集數據功能的數據采集模塊;報警模塊的作用是在檢測數據超出系統預設范圍時，播放聲音警報;電源模塊的作用是為蜂鳴器、單片機、壓力傳感器、溫度傳感器等提供所需的直流電壓。單片機通過RS-485總線的形式將數據傳輸到計算機進行數據處理。

2.2 單片機控制模塊

2.2.1 單片機控制模塊的主要功能及選型

處理器單元作為硬件設計的核心，性能、可靠性等是評價控制芯片的主要參考依據。單片機由控制器、運算器、存儲器、輸入輸出等設備構成，協調整個硬件終端系統的運轉，包括數據的采集、存儲、傳輸，以及對計算機命令的處理，是整個檢測單元的“大腦”。就本系統而言，在精度和功能滿足要求的前提下，對單片機最主要的需求是抗干擾能力強、成本價格低、方便開發。STM8系列的單片機采用先進內核架構和工藝技術，處理能力達20 MIPS，主頻為24 MHz的8位單片機，相比同類的8位單片機，它最顯著的特點是功能強、支持在線仿真、引腳數多[2]，對比16位和32位單片機，它具有價格便宜的特點。本文采用的是STM8系列工業級的STM8S105C6T6作為微處理器。

2.2.2 單片機電路設計

STM8S105C6T6作為檢測單元的核心，所有的模塊都要與它進行連接，單片機的引腳和部分連接如圖2所示。

數據采集模塊中的溫度檢測電路通過PB0、PB1、PB2、PB3進行連接，壓力檢測電路通過PB4、PB5、PB6、PB7進行連接，流量檢測電路通過PE6、PE7進行連接，報警模塊通過PD5進行連接。

2.3 存儲模塊

對于檢驗檢測工作來說，數據安全、便捷、可靠的存儲十分重要。因此，系統存儲采用企業計算機存儲和云服務器存儲兩級存儲方案。

第一級，將換熱器信息包含檢測單元實時采集到的信息存儲到相應企業的計算機專用移動硬盤中。通過對比系統需求和節約成本的原則，選用容量為1TB的聯想F500移動硬盤作為計算機數據存儲設備。該硬盤適用于Windows Vista/XP/7/8/10/Mac等系統，采用USB3.0的高速接口，硬盤理論讀取速度為60～140 MB/s，寫入速度為50～90 MB/s，高速的讀寫能力滿足系統對存儲數據的需求。同時硬盤內置加密軟件保證數據的安全性。第二級，通過云存儲技術將數據通過互聯網存儲到檢測中心服務器上。對于換熱器用戶來說，檢測系統的使用時間并不固定，甚至是24小時不間斷工作運行，而且數據存儲量非常大，因此，要求服務器設備具備運行速度快、內存大、能夠長時間穩定運行的特點。結合上述需求，選擇了聯想的TS250塔式服務器。

2.4 電源模塊

作為應用在工業上的設備，硬件系統要求電源電壓穩定、紋波小、壽命長、效率高，能夠在惡劣環境穩定工作[3]。系統硬件元件需要的供電直流電壓分別為單片機5 V、蜂鳴器5 V、溫度傳感器5 V、壓力傳感器24 V、電磁流量計24 V。采用型號為HD0524P36SR的雙路雙隔離開關電源模塊，將市電AC 220 V轉為DC24 V和DC 5 V。電源模塊的電路如圖3所示。輸入電壓為220 V交流電，輸出電壓為5 V和24 V直流電，工作溫度-20～85℃滿足系統要求;RV壓敏電阻能夠在能量特別大時保護模塊，CX型號的電容對抑制差模信號干擾有很好的效果，R1泄放電阻能夠保障模塊掉電后消耗CX電容能量，LCM共模電感、CY1-Y2電容能夠抑制共模信號干擾的同時，還能提高設備抗干擾能力以及模塊的可靠性。

2.5 數據采集模塊

數據采集模塊的作用是依據標準要求采集現場工況下換熱器進口和出口管道內的溫度、壓力數據以及進口管道內的流量數據。

2.5.1 溫度檢測電路

溫度傳感器能夠在測量溫度時，將其非電量信號轉換成電信號等可用的輸出信號。根據國家標準GB/T 27698.8—2011第四部分的要求，溫度傳感器的準確度等級或精度不得低于0.5，測溫元件的感溫點應位于管道中心。在換熱器檢測的過程中，具有實際環境惡劣、溫度范圍通常為10～80℃之間、傳感器與處理電路之間引線長等特點。對比常用的幾種溫度傳感器，根據和標準對測溫點的要求且結合實際，系統選用Pt100型鉑熱電阻溫度傳感器對溫度進行采集。

2.5.2 壓力檢測電路

根據國家標準GB/T 27698.8—2011第四部分的要求，壓力變送器的準確度等級或精度不得低于0.5，在實際運行的過程中壓力通常為10～100 kPa，通過比對選擇壓阻式中的擴散硅壓力變送器作為壓力采集設備。

被測水介質在管道中的壓力直接作用在擴散硅壓力變送器的彈性元件上，用傳感元件檢測傳感器電阻值的變化，進而輸出一個對應于這一壓力的轉換后的電信號，其原理如圖4所示。

2.5.3 流量檢測電路

根據系統的要求，要分別測量冷、熱管道內介質的流量，依照國家標準GB/T 27698.8—2011第四部分的要求，流量傳感器的準確度等級或精度不得低于0.5。通過比對，電磁流量計更符合需求，具體電路原理如圖5所示。

2.6 通信模塊

通信模塊的作用是實現在工業環境中將各個檢測單元的數據精確地傳輸到計算機中。結合換熱器使用的情況，系統對通信模塊的主要需求是在能夠完成長距離傳輸任務的同時，還能保證傳輸數據的可靠性和準確性。因此選擇了RS-485總線的形式實現多個檢測單元與計算機間的通信，如圖6所示。

2.7 報警模塊

報警模塊的作用是在檢測數據超過預設參數范圍的時候發出聲音進行報警。采用蜂鳴器作為報警模塊，按結構主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器。無源蜂鳴器只能發出很輕微的振動聲，根據換熱器實際工作環境及系統的需求，要求報警模塊發出較大的警報聲音且設計簡單，因此選用了有源電磁式蜂鳴器。

3 換熱器在線檢測裝置的軟件設計

3.1 檢測裝置軟件的開發環境

檢測裝置的STM8單片機程序采用ST Toolset version 4.3.0作為開發環境，主要包括STVD（ST Visual Develop）和STVP（ST Visual Programmer）兩部分軟件，其中STVD是具備創建、調試、燒錄ST微控制器功能的集成開發環境，STVP是用于生產或批量的專用燒錄軟件。本文采用C語言進行開發。

3.2 檢測裝置的軟件程序

系統的軟件程序主要實現對計算機程序命令的應答和處理以及對數據的自動采集功能，具體是指對信號的判斷、處理和通信等。通過使用C語言對程序進行了編程和調試工作，單片機的主程序調用相關子程序實現具體功能，具體流程如圖7所示。

4 結論

本文設計的換熱器在線檢測裝置，符合國家相關標準的要求和企業換熱器實際工作環境的特點，在對在線檢測裝置整體設計的基礎上，著重闡述了單片機及其外圍電路、存儲、電源、數據采集、通信、警報等模塊的選型和設計。

（責任編輯：武多多）

參考文獻：

[1]史美中，王中錚.熱交換器原理與設計（第5版）[M].南京：東南大學出版社，2014：1-35.

[2]董榮偉.基于STM8的交流電壓檢測系統設計[J].河北農機，2017（3）：57+59.

[3]彭博.基于物聯網和大數據的工廠能耗分析平臺的研究[D].北京：北京交通大學，2017.