摘要:針對(duì)礦用電磁流量(liang)計 由于其自身(shēn)原理特性，長期(qi)以來一直限制(zhi)其在采礦和選(xuan)礦♈等安全要求(qiu)較高場所使用(yòng)的現實,提出👄了(le)一種采用新型(xing)單片機控制并(bing)滿足礦用防爆(bào)和本質安全要(yào)求,實現測定污(wū)水和泥礦漿流(liu)量的電磁流量(liang)計電路的實✉️現(xiàn)方法,通過設計(ji)發現該電磁🏃‍♂️流(liu)量計在測❓量過(guò)程中,所得到的(de)實測數據經最(zui)小二乘法進行(háng)直線拟合後,其(qí)誤差可以控制(zhì)在0.8%以内。
0引言
　　近(jìn)年來礦用電磁(ci)流量計在工業(ye)領域中得到迅(xun)速的應用,特别(bié)是在河水輸送(song)與污水排放流(liú)量的計量方面(miàn)突出，由于它測(cè)量靈活方便和(hé)靈敏度較高,工(gōng)業上多用以測(ce)量各類水流、礦(kuang)漿流等介質。然(rán)而，由于煤礦安(an)全性的特殊要(yao)求,目前可用于(yú)煤礦井下的電(dian)磁流量計很少(shao),如,不能滿足礦(kuang)用防爆和本質(zhì)安全要求、測🐪量(liàng)範圍窄以及傳(chuán)輸信号易受外(wai)磁場幹擾等。針(zhen)對這些問題,研(yán)發了一🌈.種适合(he)于礦用測🔞流的(de)電磁流量計💚電(diàn)路。
1設計方案
1.1設(she)計思想
　　目前,我(wǒ)國礦用防爆電(dian)氣産品的安全(quan)類型主要;以隔(ge)爆型和本質安(ān)全型爲主。本安(ān)設計就是要嚴(yán)格控制電路各(ge)部分産生的電(diàn)火花能量,因此(cǐ)在設計❓中采用(yòng)了專用🌈本安勵(lì)磁電路來防止(zhi)勵磁電流引起(qǐ)電火花;采用新(xīn)型低功耗單片(pian)機來控制整個(ge)裝💁置的工作,以(yǐ)保證其穩定性(xing)和可靠性;采用(yòng)多種電🛀磁屏蔽(bi)措施來防止靜(jìng)電産生和電磁(ci)幹擾，以保證電(diàn)路的穩🐅定工作(zuò)🌈。
1.2系統電路硬件(jian)部分
(1)方框圖
　　裝(zhuāng)置采用高速單(dān)片機模塊電路(lù)(STM32F407),它具有浮點運(yùn)算能力🈲強，超低(di)功耗,功耗僅爲(wei)38.6mA。用來控制整個(gè)電磁流❗量計，包(bao)括産生🤟勵磁脈(mò)沖方波信号、接(jiē)收來自探頭的(de)反映流量大小(xiao)的電壓信号、輸(shū)出4~20mA電流信号供(gòng)模拟顯示儀表(biǎo)用,CPU模塊🙇🏻帶有各(gè)類接口電路(RS232、高(gao)速USB接口🚩等).操作(zuo)鍵盤和顯示器(qì)接口電路等。方(fang)框圖如圖1所示(shi)。

(2)傳感器
　　爲了保(bǎo)證測量的精度(dù)，要求傳感器的(de)探頭做成流㊙️線(xian)型🧡，當探頭插人(rén)時對流體的影(yǐng)響很小,近似，地(dì)認爲是無阻流(liu)狀态。具體采用(yong)25.4mm不鏽鋼管爲探(tàn)頭殼體✏️，勵磁線(xian)圈芯采用軟磁(ci)🌈鋼作鐵芯,線包(bāo)，繞好後将它♊密(mi)封在-一個呈流(liú)線型半球的高(gāo)強度塑料殼内(nèi),上面有一-對不(bu)鏽鋼電極,與勵(li)磁線圈相連。爲(wei)避免探💛頭内感(gan)應發射⭕信号引(yǐn)起的幹擾,對信(xin)号發射🈚引線、線(xiàn)圈與電極連線(xian)進行屏蔽處理(lǐ)。
(3)特殊的電路設(she)計
①勵磁信号與(yu)驅動電路
　　爲了(le)保證探頭工作(zuo)在無阻流狀态(tai),探頭尺寸要盡(jìn)量小，這樣所産(chǎn)生的勵磁電流(liú)也就小,要求後(hòu)續的接收電路(lù)❤️有足夠高的輸(shu)人阻抗,來保證(zheng)傳感器的🙇🏻靈敏(mǐn)度及抗幹擾性(xing);爲防止交流50Hz的(de)工頻幹擾,選用(yong)✨方波電流作爲(wèi)勵磁電流，其頻(pin)🤟率可選用👄1/4的工(gong)頻頻率12.5Hz,有效地(dì)抑制工頻幹擾(rǎo)。
　　勵磁信号由單(dan)片機内部生成(cheng),從第26腳輸出12.5Hz方(fang)波信号,接到IC5(LMD18200T)的(de)3腳信号,它是勵(li)磁線圈的驅動(dòng)模塊電路,内部(bu)采用H橋式驅動(dong)，送出🔞勵磁電流(liú)加到其2腳和10腳(jiǎo)⭐之間的勵磁線(xian)㊙️圈上。在勵磁線(xiàn)圈L上形成20~30mA正負(fu)對稱😄的方波電(diàn)流,它與控制方(fang)波電壓同步。流(liú)體運動切❗割磁(ci)力線産生的方(fang)波電壓與勵磁(cí)電流完全保持(chi)同步，即與控制(zhì)開關網絡的方(fāng)波電壓保持同(tong)步,便于在接收(shōu)電路中🈲信号的(de)同步解調🌈。電路(lu)如圖2所示🌈。

　　傳感(gan)器中勵磁電流(liú)是産生電火花(huā)的危險源,電磁(cí)流量計要用于(yú)礦井下,保證勵(li)磁電路達到本(ben)質安全要求。當(dang)電流流過勵磁(cí)👣線圈時,在線圈(quan)内部會産🌈生磁(cí)場,磁場貯🥵存能(néng)量,當電路斷開(kai)時,儲存在線圈(quan)中的能量就會(hui)以火💃花的形式(shi)釋放出來，因此(cǐ)必須🔞洩放線圈(quān)中的貯能才能(néng)達到本安的要(yào)求。采用了在線(xiàn)圈兩端并聯-一(yī)個雙向二極管(guan)(TVS管P6KE6.8CA)作爲續流支(zhī)路,以洩放㊙️線圈(quan)儲存的磁能,降(jiàng)低通斷時的電(diàn)火花,吸收電流(liu),洩放能量👅。以達(da)到本質安全的(de)目的。
③傳感器放(fàng)大電路
　　電路如(rú)圖3所示。IC2(SL28617)前置放(fàng)大器用于放大(da)傳感器送來👄的(de)反映流量大小(xiǎo)的電壓信号,改(gǎi).變圖中Rm和R。的阻(zǔ)值大小，可以改(gai)變該運算放大(dà)器的增益。S1是勵(lì)磁信号源,R17、R18是輸(shū)人偏置電阻,運(yùn)放的9腳和16腳分(fen)别供+5V電壓,接🈲在(zai)運放IC2輸出端的(de)IC3(ADS8320)是16位高速的A/D轉(zhuǎn)換器,其轉換速(su)度👌可達16kHz/s,接在前(qián)置放大器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的IC12(ISL21090)是(shì)三端穩💘壓器。

1.3編(biān)制軟件
　　軟件流(liú)程圖如圖4所示(shi)。

　　在編制礦用電(dian)磁流量計軟件(jiàn)的過程中,首先(xiān)要求對系統進(jin)行初始化、再對(duì)CPU進行初始化,由(yóu)CPU輸出勵磁脈沖(chong)方波信号,控制(zhi)LM8200産生勵磁電流(liú)驅動勵磁線圈(quan)✍️。采集傳感器信(xìn)号,使傳㊙️感器送(song)出反映.流量大(da)小的🐕電壓信号(hao)♻️，經過IC2前置放大(da)器放大該信号(hao)，再經16位A/D轉換器(qi)和SPI串口💘送人單(dan)片機進行處理(lǐ)，在單片機中要(yào)🐅進行A/D實時采集(jí)、實時濾波和數(shu)據拼接和數據(ju)傳送，最後經過(guò)D/A轉換後,經過IC4轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信号(hao)直接輸出或者(zhe)以電壓形式輸(shū)⁉️出。
2測試方法與(yǔ)結果分析
(1)流速(su)0p和流量Q、
　　當環境(jìng)處于紊流狀态(tài)時求測點處流(liú)速vp和流量Q.。選🛀擇(zé)穩壓水塔和容(rong)積法來确定流(liú)速儀表的系數(shu)。其測試環境選(xuǎn)擇🧡是非常重要(yào)的。在測試時選(xuan)擇内壁半徑R=50mm,且(qie)具有光滑内壁(bi)的塑料或金屬(shǔ)🏃🏻‍♂️直管,并将探頭(tóu)插人1/4的直徑處(chu),即🔆R,=25mm,設與流體✊對(dui)應的雷諾數有(you)關🔱的n=7,因爲該狀(zhuang)态接近紊流産(chǎn)生的條件，因此(cǐ)是比較㊙️理想的(de)測試條件。由穩(wen)壓水塔和容積(jī)時間法🤩經驗公(gōng)式得:
面平均流(liú)速

　　插入式電磁(cí)流量計 樣品的(de)計算值vop與儀表(biǎo)測定電壓值U。的(de)關系如表1所示(shì)。

　　即測點處流速(sù)與儀表輸出電(diàn)壓之間存在着(zhe)簡單的線性🌍關(guān)系，因此使用起(qi)來很方便。隻要(yào)将β作爲--個乘數(shu)✌️設置到編程軟(ruǎn)件中🌐,即可直接(jie)讀出vqpo
　　表3列出了(le)由測點處流速(su)讀出值0p=BU。與Uop(理論(lùn)值)之間的誤差(chà)🌈E,如表3所示。
　　從表(biao)3中可以看出,經(jīng)理論計算與實(shí)際所測的數值(zhí)接近,誤差🏃🏻‍♂️在千(qian)分之幾的範圍(wéi)内。

(2)面平均流速(sù)元
　　當環境處于(yú)非理想紊流狀(zhuang)态時求面平均(jun1)流速，`?。如💃果現場(chang)🏃是處于如彎頭(tóu)或者閥門附近(jìn)時,則可用階回(huí)歸拟合方程式(shì)

　　在測試時，可選(xuan)擇現場每一個(gè)穩定的流速狀(zhuang)态,測定一組📐不(bu)同半徑處的流(liu)速，然後作流速(sù)分布圖,通過面(miàn)積加權法,可求(qiu)🔞出一個面平均(jun)流速`?。由測得的(de)`?op(工作測點處的(de)🔴流速)和元的一(yī)組數據,然後根(gen)據線性回歸方(fāng)💛程公式求出一(yī)-組kr,k2。最後取該組(zǔ)k1,k2的平均值,并将(jiāng)該值設🆚置到編(bian)程軟件中，即可(ke)直接求出面平(píng)均流速元。
3結語(yǔ)
　　介紹了一-種适(shì)合采礦和選礦(kuàng)等安全要求較(jiào)高場所使用的(de)礦用智能化礦(kuang)用電磁流量計(jì)電路的設計方(fang)案,以及在測試(shì)中遇到的問題(tí)與解決的方法(fǎ),具有廣泛的實(shi)用價值。參考國(guó)内外同類産品(pin)的技❓術性能指(zhǐ)标，采用直徑爲(wei)φ100mm鐵管或PVC塑料管(guan)做測試,并⭐通過(guò)現場流速逐點(dian)分布測量,獲取(qu)若幹組不同狀(zhuang)态下的平均🐅流(liú)速,通過計算機(jī)模拟來确定回(huí)歸方程系數,進(jìn)而來測量不同(tóng)狀态下的流量(liàng)值。測試結果分(fen)析表明,其可測(cè)流量範圍控制(zhi)在0~120m/h,非✍️線性誤差(cha)爲0.8%。從性能指标(biao)可以看出,該礦(kuàng)用電磁流量計(ji)已達🚶到了國内(nei)外同類産品的(de)水平。

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