摘要:針對礦(kuang)用電磁流量計 由(yóu)于其自身原理特(tè)性，長期以來一直(zhi)限制其在采礦和(hé)♻️選💋礦等安全要求(qiú)較高場所使用的(de)現實,提出🐪了一種(zhǒng)采🔆用新型單片機(jī)控制并滿足礦用(yong)防爆和本質安全(quan)要求,實現測🌏定污(wū)水和泥礦漿流量(liang)的電磁流量計電(diàn)路的實現方法,通(tōng)過設計發🔞現該電(dian)磁流量計在測量(liàng)過程中,所📐得到的(de)實測數據經最小(xiao)二乘法進行直線(xiàn)拟合後,其誤差可(ke)以控制在0.8%以内。
0引(yǐn)言
　　近年來礦用電(dian)磁流量計在工業(yè)領域中得到迅速(su)的應用,特别是在(zai)河水輸送與污水(shui)排放流量的計量(liang)方面突出，由于它(ta)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻測量靈活方便和(he)靈敏度較高,工業(yè)上📞多用以測量各(ge)類水流🛀、礦漿流等(děng)介質。然而，由于煤(mei)礦安全性的特殊(shū)要求🌈,目前可用于(yu)煤礦井下的電磁(cí)流量計很少,如,不(bu)能滿足礦用防爆(bào)和本質安全要求(qiú)、測量範圍窄以及(jí)傳輸信号易受㊙️外(wai)磁場幹擾等。針對(duì)這些問題,研發了(le)一.種适合于礦用(yong)測流的電磁流量(liang)計電路。
1設計方案(an)
1.1設計思想
　　目前,我(wǒ)國礦用防爆電氣(qì)産品的安全類型(xing)主要;以隔爆型🍓和(he)本質安全型爲主(zhǔ)。本安設計就是要(yào)嚴格控制電路各(ge)部分産✍️生的電火(huo)花能量,因此在設(shè)計中采用了專用(yong)🔞本安勵磁電路來(lai)防止勵磁電流引(yin)起電火花;采用新(xīn)型低功耗單🎯片機(ji)來控制整個裝置(zhì)的工作,以保證其(qí)穩定性和可靠性(xìng);采用多種電♊磁屏(ping)蔽措施✔️來防止靜(jìng)電産生和電磁幹(gan)擾，以保證🍉電路的(de)穩🈲定工作。
1.2系統電(diàn)路硬件部分
(1)方框(kuang)圖
　　裝置采用高速(sù)單片機模塊電路(lu)(STM32F407),它具有浮點運算(suàn)能力強，超低功耗(hào),功耗僅爲38.6mA。用來控(kòng)制整個電磁流量(liang)計❗，包括😘産生勵磁(cí)脈沖方波信号、接(jie)收來自探頭✨的反(fan)映流量大小的電(dian)壓信号、輸出4~20mA電流(liú)信号供模拟顯示(shi)儀♻️表用,CPU模塊帶有(yǒu)各類接口電路(RS232、高(gāo)速USB接口等).操作鍵(jiàn)盤和顯示器接口(kǒu)電路等。方框圖如(ru)圖1所示。

(2)傳感器
　　爲(wei)了保證測量的精(jīng)度，要求傳感器的(de)探頭做成流線型(xing)㊙️，當探頭插人時對(dui)流體的影響很小(xiao),近似，地認♌爲是🈲無(wú)阻流狀态。具體采(cǎi)用25.4mm不鏽鋼管爲探(tan)頭殼體💯，勵磁線圈(quān)芯采用軟磁鋼作(zuò)鐵芯,線包🐇，繞好後(hou)将它密封在-一🏃個(ge)呈流線型半球的(de)高強度塑料殼内(nei),上面有一-對不鏽(xiù)鋼電極,與勵磁線(xiàn)圈相連。爲避免探(tàn)頭内感應發射信(xin)号引起的幹擾,對(dui)信号發射引線🏃‍♀️、線(xian)圈與電極連線進(jìn)行屏蔽處理。
(3)特殊(shu)的電路設計
①勵磁(ci)信号與驅動電路(lù)
　　爲了保證探頭工(gong)作在無阻流狀态(tài),探頭尺寸要盡量(liang)小，這樣所産生的(de)勵磁電流也就小(xiao),要求後續的❄️接收(shou)電路有足夠高🏃🏻‍♂️的(de)輸人阻抗,來保證(zhèng)傳感器的靈敏度(du)及抗幹擾性;爲防(fáng)止交流50Hz的工頻幹(gan)擾,選用方波電流(liu)作爲勵磁電流，其(qi)頻率可選用1/4的工(gong)頻頻率12.5Hz,有效地抑(yì)制工頻幹擾。
　　勵磁(ci)信号由單片機内(nèi)部生成,從第26腳輸(shu)出12.5Hz方波信🔞号,接到(dào)IC5(LMD18200T)的3腳🈲信号,它是勵(li)磁線圈的驅動模(mo)塊電路,内部采用(yòng)H橋式驅動，送出🎯勵(lì)磁電流加到其2腳(jiǎo)和10腳之間的勵磁(cí)線圈上。在勵磁線(xiàn)🌏圈L上形成20~30mA正負對(dui)稱的方波電流,它(ta)與控制方波電壓(ya)同步。流體運動切(qiē)割磁力線産生的(de)方波電壓與勵磁(ci)電流完全保持♍同(tong)步，即與控制開關(guān)網絡的方波電壓(yā)保持同步,便于在(zai)接收🔞電路中信号(hao)的同步解調🔱。電路(lu)如圖2所示✏️。

　　傳感器(qì)中勵磁電流是産(chǎn)生電火花的危險(xian)源,電磁流量計要(yào)❌用🍓于礦井下,保證(zhèng)勵磁電路達到本(běn)質安全要求。當🌈電(diàn)流流過✔️勵磁線圈(quān)時,在線圈内部會(hui)産生磁場,磁場貯(zhu)存能量,當電路斷(duan)開時,儲存在線圈(quān)🈲中的能量就會以(yi)火花的形式釋放(fang)出來🐕，因此必須洩(xiè)放線圈中的貯能(neng)才能達到本安的(de)要求。采用了在線(xian)圈兩端🔅并♊聯-一個(gè)雙向二極管(TVS管P6KE6.8CA)作(zuo)爲續⭐流支路,以洩(xiè)放線圈儲存的磁(ci)能,降低通斷時的(de)電火花🈲,吸🤟收電流(liú),洩放能量。以達到(dao)本質安全的目的(de)。
③傳感器放大電路(lù)
　　電路如圖3所示。IC2(SL28617)前(qian)置放大器用于放(fàng)大傳感器送來的(de)反映🌏流量大小的(de)電壓信号,改.變圖(tu)中Rm和R。的阻值👄大小(xiao)🌍，可以改變該運算(suan)放大器的增益。S1是(shi)勵磁信号🌈源,R17、R18是輸(shu)人偏置💋電阻,運放(fang)的9腳和16腳分别供(gong)+5V電壓,接在運放IC2輸(shu)出端的IC3(ADS8320)是16位高速(sù)的A/D轉換器,其轉換(huàn)速度👌可達16kHz/s,接在前(qián)置放大器與A/D轉換(huan)器之間的IC12(ISL21090)是三端(duan)穩壓器。

1.3編制軟件(jian)
　　軟件流程圖如圖(tu)4所示。

　　在編制礦用(yong)電磁流量計軟件(jian)的過程中,首先要(yao)求🧑🏾‍🤝‍🧑🏼對系✍️統進行👌初(chū)始化、再對CPU進行初(chu)始化,由CPU輸出勵磁(cí)脈沖方波信号,控(kòng)制LM8200産生勵磁電流(liú)驅動勵磁線圈。采(cai)集傳感器信号,使(shǐ)傳⁉️感器送出反映(yìng).流量大小的電壓(yā)信号，經過IC2前置放(fàng)大器放大該信号(hào)，再經16位A/D轉換器和(he)SPI串口送人單片機(ji)進行處理，在單片(pian)機中要進行A/D實時(shi)采📧集、實時濾波和(he)數據拼接和數據(jù)傳送🧡，最後經過D/A轉(zhuǎn)換後,經過IC4轉換成(chéng)4~20mA電流信号直接輸(shu)出🤩或者以電壓形(xing)式輸出。
2測試方法(fa)與結果分析
(1)流速(sù)0p和流量Q、
　　當環境處(chu)于紊流狀态時求(qiu)測點處流速vp和流(liu)量Q.。選☎️擇穩壓水塔(ta)和容積法來确定(ding)流速儀表的系數(shu)。其測試❗環境🤟選擇(ze)是非常重要的。在(zài)測試時選擇内壁(bi)半徑R=50mm,且具有光滑(huá)内壁的塑料或金(jin)屬😄直管,并将探頭(tóu)插人1/4的直徑處,即(ji)R,=25mm,設與流體☔對應的(de)雷👈諾數有關🤩的n=7,因(yīn)爲該狀态接近紊(wen)流産生的條件，因(yin)此是比較📐理想的(de)測試條件。由穩壓(yā)水塔和容積時間(jiān)法經驗❤️公式得:
面(miàn)平均流速

　　插入式(shi)電磁流量計 樣品(pin)的計算值vop與儀表(biǎo)測定電壓值U。的關(guan)系如表1所👄示。

　　即測(ce)點處流速與儀表(biao)輸出電壓之間存(cun)在着簡單的線性(xing)關系♋，因此使用起(qǐ)來很方便。隻要将(jiang)β作爲--個乘數設置(zhi)到編程軟件中✊,即(ji)可直接讀出vqpo
　　表3列(lie)出了由測點處流(liú)速讀出值0p=BU。與Uop(理論(lùn)值)之間的誤差📐E,如(ru)表3所👅示。
　　從表3中可(ke)以看出,經理論計(ji)算與實際所測的(de)數值接近,誤🎯差在(zai)千分之幾的範圍(wei)内。

(2)面平均流速元(yuán)
　　當環境處于非理(lǐ)想紊流狀态時求(qiú)面平均流速，`?。如果(guo)現場是處于如彎(wān)頭或者閥門附近(jìn)時,則可用階✌️回歸(guī)🛀🏻拟合🏃方程式

　　在測(cè)試時，可選擇現場(chǎng)每一個穩定的流(liu)速狀态,測定一組(zǔ)不同半徑處的流(liú)速，然後作流速分(fèn)布圖,通過面積加(jia)權法,可求📧出一個(gè)面平均流速`?。由測(ce)得的`?op(工作測點處(chù)的流速)和👨‍❤️‍👨元的一(yi)組數據,然後根據(ju)線性回歸方程公(gong)式求出一-組kr,k2。最後(hou)取該組k1,k2的平均值(zhi),并将該值設置到(dao)編程軟件中，即可(kě)直接求出面平均(jun1)流速元。
3結語
　　介紹(shào)了一-種适合采礦(kuàng)和選礦等安全要(yao)求較高場所💞使用(yòng)的✊礦用智能化礦(kuang)用電磁流量計電(diàn)路的設✊計方案,以(yi)及在測試中遇♊到(dào)的問題與解決的(de)方法,具有廣🏃🏻泛的(de)實用價值。參考國(guo)内外同類産品的(de)技術性能指❤️标，采(cǎi)用直徑爲φ100mm鐵管💜或(huo)PVC塑料管做測試,并(bìng)♍通過現場流速逐(zhu)點分布測量,獲取(qu)若幹組不同狀态(tài)下的平均流速,通(tong)過計算機模拟來(lái)确定回歸方程系(xì)數,進❄️而來測量不(bu)同狀态下的流量(liang)值。測試結果分析(xi)表明,其可測🥰流量(liàng)範圍控制在💃🏻0~120m/h,非線(xian)性誤差💃爲0.8%。從性能(néng)指标可以看出,該(gāi)礦用電磁流量計(jì)已達到了國内外(wài)同類産品的水平(ping)。

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