摘要:針對礦用電磁流量計由于其自身原理特性，長期以來一直限制其在采礦和選礦等安全要求較高場所使用的現(xiàn)實(shí),提出了一種采用新型單片機(jī)控制并滿足礦用防爆和本質(zhì)安全要求,實(shí)現(xiàn)測定污水和泥礦漿流量的電磁流量計電路的實(shí)現(xiàn)方法,通過設(shè)計發(fā)現(xiàn)該電磁流量計在測量過程中,所得到的實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法進(jìn)行直線擬合后,其誤差可以控制在0.8%以內(nèi)。
0引言
近年來礦用電磁流量計在工業(yè)領(lǐng)域中得到迅速的應(yīng)用,特別是在河水輸送與污水排放流量的計量方面突出，由于它測量靈活方便和靈敏度較高,工業(yè)上多用以測量各類水流、礦漿流等介質(zhì)。然而，由于煤礦安全性的特殊要求,目前可用于煤礦井下的電磁流量計很少,如,不能滿足礦用防爆和本質(zhì)安全要求、測量范圍窄以及傳輸信號易受外磁場干擾等。針對這些問題,研發(fā)了一.種適合于礦用測流的電磁流量計電路。
1設(shè)計方案
1.1設(shè)計思想
目前,我國礦用防爆電氣產(chǎn)品的安全類型主要;以隔爆型和本質(zhì)安全型為主。本安設(shè)計就是要嚴(yán)格控制電路各部分產(chǎn)生的電火花能量,因此在設(shè)計中采用了專用本安勵磁電路來防止勵磁電流引起電火花;采用新型低功耗單片機(jī)來控制整個裝置的工作,以保證其穩(wěn)定性和可靠性;采用多種電磁屏蔽措施來防止靜電產(chǎn)生和電磁干擾，以保證電路的穩(wěn)定工作。
1.2系統(tǒng)電路硬件部分
(1)方框圖
裝置采用高速單片機(jī)模塊電路(STM32F407),它具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，超低功耗,功耗僅為38.6mA。用來控制整個電磁流量計，包括產(chǎn)生勵磁脈沖方波信號、接收來自探頭的反映流量大小的電壓信號、輸出4~20mA電流信號供模擬顯示儀表用,CPU模塊帶有各類接口電路(RS232、高速USB接口等).操作鍵盤和顯示器接口電路等。方框圖如圖1所示。
(2)傳感器
為了保證測量的精度，要求傳感器的探頭做成流線型，當(dāng)探頭插人時對流體的影響很小,近似，地認(rèn)為是無阻流狀態(tài)。具體采用25.4mm不銹鋼管為探頭殼體，勵磁線圈芯采用軟磁鋼作鐵芯,線包，繞好后將它密封在-一個呈流線型半球的高強(qiáng)度塑料殼內(nèi),上面有一-對不銹鋼電極,與勵磁線圈相連。為避免探頭內(nèi)感應(yīng)發(fā)射信號引起的干擾,對信號發(fā)射引線、線圈與電極連線進(jìn)行屏蔽處理。
(3)特殊的電路設(shè)計
①勵磁信號與驅(qū)動電路
為了保證探頭工作在無阻流狀態(tài),探頭尺寸要盡量小，這樣所產(chǎn)生的勵磁電流也就小,要求后續(xù)的接收電路有足夠高的輸人阻抗,來保證傳感器的靈敏度及抗干擾性;為防止交流50Hz的工頻干擾,選用方波電流作為勵磁電流，其頻率可選用1/4的工頻頻率12.5Hz,有效地抑制工頻干擾。
勵磁信號由單片機(jī)內(nèi)部生成,從第26腳輸出12.5Hz方波信號,接到IC5(LMD18200T)的3腳信號,它是勵磁線圈的驅(qū)動模塊電路,內(nèi)部采用H橋式驅(qū)動，送出勵磁電流加到其2腳和10腳之間的勵磁線圈上。在勵磁線圈L上形成20~30mA正負(fù)對稱的方波電流,它與控制方波電壓同步。流體運(yùn)動切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵磁電流完全保持同步，即與控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的方波電壓保持同步,便于在接收電路中信號的同步解調(diào)。電路如圖2所示。
傳感器中勵磁電流是產(chǎn)生電火花的危險源,電磁流量計要用于礦井下,保證勵磁電路達(dá)到本質(zhì)安全要求。當(dāng)電流流過勵磁線圈時,在線圈內(nèi)部會產(chǎn)生磁場,磁場貯存能量,當(dāng)電路斷開時,儲存在線圈中的能量就會以火花的形式釋放出來，因此必須泄放線圈中的貯能才能達(dá)到本安的要求。采用了在線圈兩端并聯(lián)-一個雙向二極管(TVS管P6KE6.8CA)作為續(xù)流支路,以泄放線圈儲存的磁能,降低通斷時的電火花,吸收電流,泄放能量。以達(dá)到本質(zhì)安全的目的。
③傳感器放大電路
電路如圖3所示。IC2(SL28617)前置放大器用于放大傳感器送來的反映流量大小的電壓信號,改.變圖中Rm和R。的阻值大小，可以改變該運(yùn)算放大器的增益。S1是勵磁信號源,R17、R18是輸人偏置電阻,運(yùn)放的9腳和16腳分別供+5V電壓,接在運(yùn)放IC2輸出端的IC3(ADS8320)是16位高速的A/D轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)16kHz/s,接在前置放大器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的IC12(ISL21090)是三端穩(wěn)壓器。
1.3編制軟件
軟件流程圖如圖4所示。
在編制礦用電磁流量計軟件的過程中,首先要求對系統(tǒng)進(jìn)行初始化、再對CPU進(jìn)行初始化,由CPU輸出勵磁脈沖方波信號,控制LM8200產(chǎn)生勵磁電流驅(qū)動勵磁線圈。采集傳感器信號,使傳感器送出反映.流量大小的電壓信號，經(jīng)過IC2前置放大器放大該信號，再經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換器和SPI串口送人單片機(jī)進(jìn)行處理，在單片機(jī)中要進(jìn)行A/D實(shí)時采集、實(shí)時濾波和數(shù)據(jù)拼接和數(shù)據(jù)傳送，最后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過IC4轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號直接輸出或者以電壓形式輸出。
2測試方法與結(jié)果分析
(1)流速0p和流量Q、
當(dāng)環(huán)境處于紊流狀態(tài)時求測點(diǎn)處流速vp和流量Q.。選擇穩(wěn)壓水塔和容積法來確定流速儀表的系數(shù)。其測試環(huán)境選擇是非常重要的。在測試時選擇內(nèi)壁半徑R=50mm,且具有光滑內(nèi)壁的塑料或金屬直管,并將探頭插人1/4的直徑處,即R,=25mm,設(shè)與流體對應(yīng)的雷諾數(shù)有關(guān)的n=7,因?yàn)樵摖顟B(tài)接近紊流產(chǎn)生的條件，因此是比較理想的測試條件。由穩(wěn)壓水塔和容積時間法經(jīng)驗(yàn)公式得:
面平均流速
插入式電磁流量計樣品的計算值vop與儀表測定電壓值U。的關(guān)系如表1所示。
即測點(diǎn)處流速與儀表輸出電壓之間存在著簡單的線性關(guān)系，因此使用起來很方便。只要將β作為--個乘數(shù)設(shè)置到編程軟件中,即可直接讀出vqpo
表3列出了由測點(diǎn)處流速讀出值0p=BU。與Uop(理論值)之間的誤差E,如表3所示。
從表3中可以看出,經(jīng)理論計算與實(shí)際所測的數(shù)值接近,誤差在千分之幾的范圍內(nèi)。
(2)面平均流速元
當(dāng)環(huán)境處于非理想紊流狀態(tài)時求面平均流速，`?。如果現(xiàn)場是處于如彎頭或者閥門附近時,則可用階回歸擬合方程式
在測試時，可選擇現(xiàn)場每一個穩(wěn)定的流速狀態(tài),測定一組不同半徑處的流速，然后作流速分布圖,通過面積加權(quán)法,可求出一個面平均流速`?。由測得的`?op(工作測點(diǎn)處的流速)和元的一組數(shù)據(jù),然后根據(jù)線性回歸方程公式求出一-組kr,k2。最后取該組k1,k2的平均值,并將該值設(shè)置到編程軟件中，即可直接求出面平均流速元。
3結(jié)語
介紹了一-種適合采礦和選礦等安全要求較高場所使用的礦用智能化礦用電磁流量計電路的設(shè)計方案,以及在測試中遇到的問題與解決的方法,具有廣泛的實(shí)用價值。參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)，采用直徑為φ100mm鐵管或PVC塑料管做測試,并通過現(xiàn)場流速逐點(diǎn)分布測量,獲取若干組不同狀態(tài)下的平均流速,通過計算機(jī)模擬來確定回歸方程系數(shù),進(jìn)而來測量不同狀態(tài)下的流量值。測試結(jié)果分析表明,其可測流量范圍控制在0~120m/h,非線性誤差為0.8%。從性能指標(biāo)可以看出,該礦用電磁流量計已達(dá)到了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的水平。
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