摘要:針對礦(kuàng)用電磁流量計 由(you)于其自身原理特(te)性，長期以來一直(zhí)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(quán)要求✔️,實現測定污(wu)水㊙️和泥礦漿流量(liang)的電磁流量計電(dian)路的實🙇‍♀️現方法,通(tong)過設計發現該電(dian)磁⭐流量計在測量(liang)過程中,所得到的(de)實測數據經最小(xiao)🧡二乘法進行直線(xian)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(diàn)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(liàng)方🥰面突出，由于它(ta)測量靈活方便和(hé)靈敏度較高,工業(ye)上多用以測量各(gè)類水流、礦漿流等(deng)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(ci)流量計很少,如,不(bu)能滿足礦用防爆(bào)和本質安全要求(qiu)、測🥰量範圍窄以及(jí)傳輸信号易受🐪外(wài)磁場幹擾等🔴。針對(duì)這些問題,研發了(le)一.種适合于礦用(yòng)測流的電磁流量(liàng)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(yao)嚴格控制電路🈲各(ge)部分産生的電火(huo)花能量,因此在設(she)計中采用了專用(yòng)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(zhi)的工作,以保證其(qi)穩定性和可靠性(xing);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(dian)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(suan)💛能力強，超🥰低功耗(hào),功耗僅爲38.6mA。用來控(kong)制整個電磁流量(liang)計，包括産生勵磁(cí)☎️脈沖方波信号、接(jiē)收來自探頭的反(fǎn)映流量大小的電(diàn)👣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(kou)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(duì)流體的影響很小(xiao),近似，地認🌏爲是無(wu)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(quan)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(nèi),上面有一-對不鏽(xiu)鋼電極,與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻勵磁線(xian)圈相連。爲避免探(tàn)頭内感應發射信(xìn)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(shū)的電路設計
①勵磁(cí)信号與驅動電路(lu)
　　爲了保證探頭工(gong)作在無阻流狀态(tai),探頭尺寸要盡量(liàng)㊙️小✍️，這😘樣所産生的(de)勵磁電流也就小(xiǎo),要求後續的⁉️接收(shōu)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(qí)頻✂️率可選用1/4的工(gong)頻頻率12.5Hz,有效地抑(yi)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(lì)磁線圈的驅動模(mó)塊電路,内部采用(yong)H橋式驅動☀️，送出勵(li)磁電流加到其2腳(jiǎo)和10腳👈之間的勵磁(ci)線圈上。在勵磁線(xian)圈L上形成20~30mA正負對(dui)稱🚶的方波電流,它(tā)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(cí)電流完全保持同(tóng)步，即與控制開關(guan)網絡的方波電壓(yā)保持同步,便于在(zai)接收電路中信号(hào)的同步解調。電路(lu)如圖2所示。

　　傳感器(qi)中勵磁電流是産(chan)生電火花的危險(xiǎn)源,電磁流❌量計要(yào)💞用✂️于礦井下,保證(zheng)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(huì)産生磁場,磁場貯(zhù)🔞存能量,當電路斷(duan)開時,儲存在線圈(quān)中的能量就會以(yǐ)火💘花的形式釋放(fàng)出來，因此必須洩(xie)放線圈中🔆的貯能(neng)才能達到本安的(de)💰要求。采用了在線(xiàn)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(cí)能,降低通斷時的(de)電火花,吸收電流(liu),洩放能量。以達到(dào)本質安全的目的(de)。
③傳感器放大電路(lu)
　　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(gòng)+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(huan)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(duān)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(chu)始化、再對CPU進行初(chū)始化,由CPU輸出勵磁(cí)脈沖方波☁️信号,控(kong)制🔞LM8200産生勵磁電流(liú)驅動勵磁線圈。采(cǎi)集傳感器信❓号,使(shǐ)傳感器送出反映(ying).流量大小的🙇🏻電壓(yā)信号，經過IC2前置💯放(fang)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(jī)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(hé)數據拼接和數據(ju)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(shū)出或🔱者以電壓形(xing)式輸🔞出。
2測試方法(fǎ)與結果分析
(1)流速(su)0p和流量Q、
　　當環境處(chù)于紊流狀态時求(qiú)測點處流速vp和流(liú)量Q.。選擇穩壓水塔(tǎ)和容積法來确定(ding)流速儀表的系數(shù)。其測試環境選擇(zé)是非常重要的。在(zài)測試時選擇内壁(bì)半徑R=50mm,且具有光滑(huá)内壁的塑料或金(jīn)屬直管,并将探頭(tóu)插人1/4的直徑處,即(jí)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(wěn)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(pǐn)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(cè)點處流速與儀表(biǎo)輸出電壓之間存(cún)在着簡單的線性(xing)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼關🚩系，因此使用起(qi)來很方便。隻要将(jiāng)β作爲--個乘數設置(zhi)到編程軟件中,即(jí)可直接讀出vqpo
　　表3列(liè)出了由測點處流(liú)速讀出值0p=BU。與Uop(理論(lun)值)之間的誤差E,如(ru)表3所🥰示。
　　從表3中可(kě)以看出,經理論計(jì)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(yuan)
　　當環境處于非理(li)想紊流狀态時求(qiú)面平均流速，`?。如果(guo)現場🔞是處于如彎(wan)頭或者閥門附近(jin)時,則可用階回歸(gui)💚拟合方程式

　　在測(cè)試時，可選擇現場(chang)每一個穩定的流(liú)速狀态,測定🛀🏻一組(zu)🍉不同半徑處的流(liú)速，然後作流速分(fen)布圖,通過面積加(jiā)⭕權法♊,可求出一個(ge)面平均流速`?。由測(cè)得的`?op(工作測點處(chù)的流速)和元的一(yī)組數據🏃‍♀️,然後根據(jù)線性回歸方☔程公(gong)式求⭐出一-組kr,k2。最📞後(hòu)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(jun)流速元。
3結語
　　介紹(shào)了一-種适合采礦(kuàng)和選礦等安全要(yào)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(dao)的問題與解決的(de)方法👉,具有廣泛的(de)實用價值。參考國(guó)㊙️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(qǔ)若幹組不同狀✊态(tài)下的平均流速,通(tong)過計算機模拟來(lai)确定回歸方程系(xì)數,進🐅而來測量不(bú)同狀态下的流量(liang)值。測試結果🔞分析(xī)表明,其可測流量(liang)範圍控制在0~120m/h,非線(xiàn)性誤差爲0.8%。從性能(neng)指标可以看♋出,該(gāi)礦用電磁流量計(ji)已達到了國内外(wai)同類産品的水平(ping)。

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