摘(zhai)要:針對礦(kuang)用電磁流(liu)量計 由于(yu)其自身原(yuan)理特性，長(zhang)期以來一(yi)直限制其(qi)在采礦和(he)選礦等❄️安(an)全要求較(jiao)高場所使(shi)用的現實(shi),提出了一(yi)種采用新(xin)型單💘片機(ji)控制并滿(man)足礦用防(fang)爆和本質(zhi)安全要求(qiu),實現測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼定(ding)污水和泥(ni)礦漿流量(liang)的電磁流(liu)量計👣電路(lu)的實現方(fang)法,通過設(she)計發📧現該(gai)電磁流量(liang)計在測量(liang)過程中,所(suo)得到的實(shi)測數據經(jing)最小二乘(cheng)法進行🤩直(zhi)線拟合後(hou),其誤差可(ke)以控制在(zai)0.8%以内。
0引言(yan)
　　近年來礦(kuang)用電磁流(liu)量計在工(gong)業領域中(zhong)得到迅速(su)的☔應用,特(te)别是在河(he)水輸送與(yu)污水排放(fang)流量的計(ji)量方面突(tu)出，由于它(ta)測量☂️靈活(huo)方便和靈(ling)敏度較高(gao),工業上多(duo)用以🚶測量(liang)各類水流(liu)、礦漿流等(deng)介質。然而(er)，由于煤礦(kuang)🔆安全性的(de)🌈特殊要求(qiu),目前可用(yong)于煤礦井(jing)下的電磁(ci)流量計很(hen)少,如,不能(neng)滿足礦用(yong)防爆和本(ben)質安全要(yao)求、測💜量範(fan)圍窄以及(ji)❤️傳輸信号(hao)易受外磁(ci)場幹擾等(deng)。針對這些(xie)問題,研發(fa)了一.種适(shi)合于礦用(yong)測🥰流的電(dian)磁流量計(ji)電路。
1設計(ji)方案
1.1設計(ji)思想
　　目前(qian),我國礦用(yong)防爆電氣(qi)産品的安(an)全類型主(zhu)要;以隔爆(bao)型和本質(zhi)安全型爲(wei)主。本安設(she)計就是要(yao)嚴格控制(zhi)電路各部(bu)分産生的(de)電火花能(neng)量,因此在(zai)設計中采(cai)用了專用(yong)本安勵磁(ci)電路來防(fang)止勵磁電(dian)流引起電(dian)火花;采用(yong)新型低功(gong)耗單片機(ji)來控制整(zheng)個裝置的(de)工作,以保(bao)證其穩定(ding)✔️性和可靠(kao)性;采用多(duo)種電磁屏(ping)蔽措施來(lai)✏️防止靜電(dian)産生🔞和電(dian)磁幹擾，以(yi)保證電路(lu)的穩定工(gong)作。
1.2系統電(dian)路硬件部(bu)分
(1)方框圖(tu)
　　裝置采用(yong)高速單片(pian)機模塊電(dian)路(STM32F407),它具有(you)浮點運算(suan)能力強，超(chao)低功耗,功(gong)耗僅爲38.6mA。用(yong)來控制整(zheng)個電磁流(liu)量計🌈，包括(kuo)産生勵磁(ci)脈沖方波(bo)信号、接收(shou)來自探頭(tou)的反映流(liu)量大小的(de)電壓信号(hao)、輸出4~20mA電流(liu)信号供模(mo)拟顯示儀(yi)表用,CPU模塊(kuai)❤️帶有各類(lei)接口電路(lu)(RS232、高速USB接口(kou)等).操作鍵(jian)盤和顯示(shi)器接口電(dian)路等。方🧑🏾‍🤝‍🧑🏼框(kuang)圖如圖1所(suo)🆚示。

(2)傳感器(qi)
　　爲了保證(zheng)測量的精(jing)度，要求傳(chuan)感器的探(tan)頭做成流(liu)線🔞型，當探(tan)頭插人時(shi)對流體的(de)影響很小(xiao),近似，地認(ren)爲是無阻(zu)流狀态。具(ju)體采用25.4mm不(bu)鏽鋼管爲(wei)探頭殼體(ti)，勵磁線圈(quan)芯采用軟(ruan)磁鋼作鐵(tie)芯,線包，繞(rao)好後将它(ta)密封在-一(yi)個呈流線(xian)型半球的(de)📱高強度塑(su)料殼内,上(shang)💞面有一-對(dui)不鏽鋼電(dian)極,與勵磁(ci)線圈相連(lian)。爲避免探(tan)🔴頭内感應(ying)發🌈射信号(hao)引起的幹(gan)擾,對信号(hao)發射引線(xian)、線圈與電(dian)極連線進(jin)行屏蔽處(chu)理。
(3)特殊的(de)電路設計(ji)
①勵磁信号(hao)與驅動電(dian)路
　　爲了保(bao)證探頭工(gong)作在無阻(zu)流狀态,探(tan)頭尺寸要(yao)盡量🈲小，這(zhe)樣所産生(sheng)的勵磁電(dian)流也就小(xiao),要求後續(xu)的接收電(dian)路有足🈲夠(gou)高的輸人(ren)阻抗,來保(bao)證傳感器(qi)的✂️靈敏度(du)‼️及抗幹擾(rao)性;爲防止(zhi)交流50Hz的工(gong)頻幹擾,選(xuan)用🌈方波電(dian)流作爲勵(li)磁電流，其(qi)頻率可選(xuan)用1/4的工頻(pin)頻率12.5Hz,有效(xiao)地抑制工(gong)頻幹擾。
　　勵(li)磁信号由(you)單片機内(nei)部生成,從(cong)第26腳輸出(chu)12.5Hz方波信号(hao),接到IC5(LMD18200T)的3腳(jiao)信号,它是(shi)勵磁線圈(quan)的驅動模(mo)塊電路,内(nei)部♋采用H橋(qiao)式🏃‍♂️驅動，送(song)出勵磁電(dian)流加到其(qi)2腳和10腳之(zhi)間的♍勵磁(ci)線圈上。在(zai)勵磁線圈(quan)L上形成20~30mA正(zheng)負對稱⁉️的(de)方波電💔流(liu),它與控制(zhi)方波電壓(ya)同步。流體(ti)運動切🤩割(ge)磁力線産(chan)生的方波(bo)電壓與勵(li)磁電流完(wan)全保持同(tong)步，即與控(kong)制開關網(wang)絡的方波(bo)電壓保持(chi)同步,便于(yu)在接收電(dian)路中信号(hao)的同步解(jie)調。電路如(ru)圖2所示。

　　傳(chuan)感器中勵(li)磁電流是(shi)産生電火(huo)花的危險(xian)源,電磁🔞流(liu)🎯量計要用(yong)于礦井下(xia),保證勵磁(ci)電路達到(dao)本質安🍓全(quan)要求。當電(dian)流流過勵(li)磁線圈時(shi),在線圈内(nei)部會産生(sheng)磁場,磁場(chang)貯存能量(liang),當電路✨斷(duan)開時💰,儲存(cun)在線圈中(zhong)的能量就(jiu)會以火花(hua)的形式釋(shi)放出來，因(yin)此必須洩(xie)放線圈中(zhong)的貯能才(cai)能達到本(ben)安的🏃‍♂️要求(qiu)。采用了在(zai)線圈兩端(duan)并聯-一個(ge)雙向二🌈極(ji)管(TVS管P6KE6.8CA)作爲(wei)續流支👣路(lu),以洩放線(xian)圈儲存的(de)磁能,降低(di)通斷時的(de)電火花,吸(xi)收電流,洩(xie)放能量。以(yi)達到本質(zhi)安全的目(mu)的。
③傳感器(qi)放大電路(lu)
　　電路如圖(tu)3所示。IC2(SL28617)前置(zhi)放大器用(yong)于放大傳(chuan)感器送來(lai)的反映🔞流(liu)量大小的(de)電壓信号(hao),改.變圖中(zhong)Rm和R。的阻值(zhi)大小，可以(yi)👨‍❤️‍👨改變該運(yun)算放大器(qi)的增益。S1是(shi)勵磁信号(hao)源,R17、R18是輸人(ren)偏置電阻(zu),運放的9腳(jiao)和16腳分别(bie)供+5V電壓,接(jie)在運放IC2輸(shu)出端的IC3(ADS8320)是(shi)💜16位高速的(de)🥰A/D轉換器,其(qi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻轉換速度(du)可達16kHz/s,接在(zai)前置放大(da)器與A/D轉換(huan)器之間的(de)IC12(ISL21090)是三端穩(wen)壓器。

1.3編制(zhi)軟件
　　軟件(jian)流程圖如(ru)圖4所示。

　　在(zai)編制礦用(yong)電磁流量(liang)計軟件的(de)過程中,首(shou)先要求✔️對(dui)系統進行(hang)🚩初始化、再(zai)對CPU進行初(chu)始化,由CPU輸(shu)出勵磁脈(mo)沖方波信(xin)号,控制LM8200産(chan)生勵磁電(dian)流驅動勵(li)磁線圈。采(cai)集傳感器(qi)信号,使傳(chuan)感器送出(chu)反映🌈.流量(liang)大小的電(dian)壓信号，經(jing)過IC2前置放(fang)大器放大(da)該信号，再(zai)經16位A/D轉換(huan)器和SPI串口(kou)送人單片(pian)機進行處(chu)理，在單片(pian)機中要🛀🏻進(jin)行A/D實時采(cai)集、實時濾(lü)波和數據(ju)拼接和數(shu)據💁傳送，最(zui)後經過D/A轉(zhuan)換後,經過(guo)IC4轉換成4~20mA電(dian)流信号直(zhi)接輸出或(huo)者以電壓(ya)形式輸出(chu)。
2測試方法(fa)與結果分(fen)析
(1)流速0p和(he)流量Q、
　　當環(huan)境處于紊(wen)流狀态時(shi)求測點處(chu)流速vp和流(liu)量Q.。選擇穩(wen)🌐壓🐉水塔和(he)容積法來(lai)确定流速(su)儀表的系(xi)數。其測試(shi)環境選擇(ze)是非常重(zhong)要的。在測(ce)試時選擇(ze)内壁半徑(jing)R=50mm,且具有光(guang)滑内壁的(de)塑料或金(jin)屬🈲直管,并(bing)将探頭插(cha)人1/4的直徑(jing)處,即R,=25mm,設與(yu)流體對應(ying)的雷諾數(shu)有關♍的n=7,因(yin)爲該狀态(tai)接近紊流(liu)産生的條(tiao)件👈，因此是(shi)比較理想(xiang)的測試條(tiao)件。由穩壓(ya)水塔和容(rong)積時間法(fa)☂️經驗🈚公式(shi)得:
面平均(jun)流速

　　插入(ru)式電磁流(liu)量計 樣品(pin)的計算值(zhi)vop與儀表測(ce)定電壓值(zhi)U。的關系如(ru)表1所示。

　　即(ji)測點處流(liu)速與儀表(biao)輸出電壓(ya)之間存在(zai)着簡單❄️的(de)♈線性🆚關🤟系(xi)，因此使用(yong)起來很方(fang)便。隻要将(jiang)β作爲--個乘(cheng)數設置到(dao)編程軟件(jian)中,即可直(zhi)接讀出vqpo
　　表(biao)3列出了由(you)測點處流(liu)速讀出值(zhi)0p=BU。與Uop(理論值(zhi))之間的誤(wu)🐆差🈲E,如表3所(suo)🔞示。
　　從表3中(zhong)可以看出(chu),經理論計(ji)算與實際(ji)所測的數(shu)值接近,誤(wu)差在🔴千分(fen)之幾的範(fan)圍内。

(2)面平(ping)均流速元(yuan)
　　當環境處(chu)于非理想(xiang)紊流狀态(tai)時求面平(ping)均流速，`?。如(ru)果現場是(shi)處于如彎(wan)頭或者閥(fa)門附近時(shi),則可用階(jie)回歸拟合(he)方程式

　　在(zai)測試時，可(ke)選擇現場(chang)每一個穩(wen)定的流速(su)狀态,測🙇‍♀️定(ding)♍一組不同(tong)半徑處的(de)流速，然後(hou)作流速分(fen)布圖,通過(guo)面積加權(quan)法,可求✂️出(chu)一個面平(ping)均流速`?。由(you)測得的`?op(工(gong)作測點處(chu)的流速)和(he)🥵元的一組(zu)數據,然後(hou)根據線性(xing)回歸方程(cheng)公式求出(chu)一-組kr,k2。最後(hou)取該組🌂k1,k2的(de)平均值,并(bing)将該值設(she)置到編程(cheng)軟件中，即(ji)可直接求(qiu)出面平均(jun)流速元。
3結(jie)語
　　介紹了(le)一-種适合(he)采礦和選(xuan)礦等安全(quan)要求較高(gao)場所使用(yong)的礦用智(zhi)能化礦用(yong)電磁流量(liang)計電路的(de)設計方案(an),以及在測(ce)試中遇到(dao)的問題與(yu)解決的方(fang)法,具有廣(guang)泛的實用(yong)價值。參考(kao)國内外同(tong)類産品的(de)技術性能(neng)指标，采用(yong)直☔徑爲φ100mm鐵(tie)管或PVC塑料(liao)管做測試(shi),并通過現(xian)場流速逐(zhu)點分布🥰測(ce)量,獲取若(ruo)幹組不同(tong)狀态下的(de)平均流速(su),通過計算(suan)機模拟來(lai)确定回歸(gui)方程系數(shu),進✂️而來測(ce)量不同狀(zhuang)态下的流(liu)量值。測試(shi)結果分析(xi)表明,其可(ke)測流量範(fan)圍控制在(zai)0~120m/h,非線性誤(wu)差爲0.8%。從性(xing)能指标可(ke)以看出,該(gai)礦🏃‍♂️用電磁(ci)流量計已(yi)達到了國(guo)内外同類(lei)産品的水(shui)平。

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