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                            矿用电磁流◥量计电路的设■计与测量
                            发布时间:2021-5-19 08:49:09

                            摘要:针对矿用电磁流量计由∩于︾其自身原理特性,长期以来一直限制其在采矿和选矿等安全要求较高场所ㄨ使用的现实,提∮出了一种采用新型单片机控制并满足矿用防爆和本质≡安全要求,实现测定污水和泥矿浆流量的电磁流量计电路的实现方法,通过设计、测试和分析,发现该电磁♂流量计在测量过程中,所得到的实╲测数据经最小二乘法进行直线拟合后,其误差可①以控制在0.8%以内。表明这种电磁流量计已达到国内◥外同类产品的先¤进水平。
                            0引言
                              近年来矿用电磁流量计在工业领域中得到迅∩速的应用,特别是在河水输送与污水排放流量的计量方面尤为突出,由于它测量灵活方便和灵敏度较高,工业上多用以测量各类水流、矿浆流等介质。然而,由于煤〖矿安全性的特殊要求,目前可用于煤矿井下的电磁流量〗计很少,如,不能满足矿用防爆和本质安全要」求、测量范围窄』以及传输信号易受々外磁场干扰等。针对这些问题,研发了一.种适合于矿用测流的电磁流量计电路。它采用新型单片机来控制,加之专用本安励磁电@ 路,具有实时检测和及时显示等多种功能,经过多家企∏业的试用,性能和技术指标已基本达到国内外同类产品的先进水平。
                            1设计方案
                            1.1设计思想
                              目前,我国矿用防爆电气产品的安全类型主要;以隔爆型和本质安全型为主。本安设≡计就是要严格控制电路◆各部分产生◤的电火花能量,因此在设计中采用了专用本安励磁电路来防止励磁电流引起电火花;采用新型低功耗单≡片机来控制整个装置的工作,以保证其稳定性和可靠性;采用多种ω电磁屏蔽措施来防止静电产生和电磁干扰,以保证电路的』稳定工作。
                            1.2系统电▲路硬件部分
                            (1)方框图
                              装置采用高速单片机模块①电路(STM32F407),它具有浮点运算能力强,超低功耗,功耗仅为38.6mA。用来控制整个电磁流量计,包括产生励磁脉冲方波信号、接收来自探头的反映流量大小的电压☉信号、输出4~20mA电流信号供模拟显示仪表用,CPU模块带有各类接口电路(RS232、高速USB接口等).操作键盘和显示器接口电路等。方框图如▲图1所示。

                            (2)传感器
                              为了保证测量的精度,要求传感器的探头做成流々线型,当探头插人时对↑流体的影响很小,近似,地认为是无阻流状态。具体采用25.4mm不锈钢管为探头壳体,励磁线圈芯采用软磁钢ξ 作铁芯,线包,绕好〖后将它密封在-一个呈流线型『半球的高强度塑料壳内,上面有一-对不锈钢电极,与励磁♀线圈相连。为避免探头内感应发射信号╲引起的干扰,对信号发◇射引线、线圈与电极连线进行屏蔽处理。
                            (3)特∑ 殊的电路设计
                            ①励磁信号与驱动电路
                              为了︼保证探头工作在无阻流状态,探头︼尺寸要尽量小,这样所产生的励磁电流☆也就小,要求后续的接收电路有足够高的输人阻抗,来保证传感器的灵敏度及抗干扰性;为防止◆交流〓50Hz的工频干扰,选用方波电流作为励磁电流,其频率可ㄨ选用1/4的工频频率12.5Hz,有※效地抑制工频干扰。
                              励磁信号由单片机内◢部生成,从第26脚输出12.5Hz方波信号,接到IC5(LMD18200T)的3脚信号,它是励磁线♀圈的驱动模块电路,内部采用H桥式驱动,送出励磁电流加到其2脚和10脚之间的励磁线圈上。在励磁线圈L上形成20~30mA正负对称的方╱波电流,它与控制方波电压同步。流体运动切割磁力线产生的方波电压与励磁ぷ电流完全保持同步,即与控制开关网络的方波电压保持同步,便于在接收电路中信号的同步解调。电路如图2所示。

                              传感器中励磁→电流是产生电火花的危险源,电磁流量计要用于矿井【下,保证励磁电★路达到本质安全要求。当电流流过励磁线圈时,在线圈内部会产生磁场∏,磁场贮存能量,当电路断开时,储存在线圈中的能量◆就会以火花◤的形式释放出来,因此必须泄〖放线圈中的贮能才能达到本安的要求↙。采用了在线圈■两端并联-一个双向二极管(TVS管P6KE6.8CA)作为续流∑支路,以泄放线圈储存的磁能,降低通断时的电火花,吸收电流,泄放能量。以达到本质安全的目的。
                            ③传感器放大电路
                              电路如图3所示。IC2(SL28617)前置放大器〗用于放大传感器送来㊣ 的反映流量大小的电压信○号,改.变图中Rm和R。的阻值大小,可以改变该运算放大器的增益。S1是励□ 磁信号源,R17、R18是输人偏︽置电阻,运放的9脚和16脚分别供+5V电压,接在运放IC2输出端的IC3(ADS8320)是16位高速的A/D转换器,其转换速度可达16kHz/s,接在↓前置放大器与A/D转换器之间◆的IC12(ISL21090)是三端稳压器。

                            1.3编制软件
                              软件流程图如◎图4所示。

                              在编制矿用电磁流量计软件的过程中,首先要求对系统进行∞初始化、再对CPU进行初始化∞,由CPU输出励磁脉冲方波信号,控制LM8200产生励磁电流驱动励磁】线圈。采集传感器信号,使传感器送出反映.流量大小的电压信号,经过IC2前置放大器『放大该信号,再经16位A/D转换器和SPI串口送人单片机进行处理,在单片机中◥要进行A/D实时采集、实时滤波和数据拼接和数据传送,最后经过D/A转换后,经过IC4转换成4~20mA电流信号直接输出或者以电压形式输出。
                            2测试方法与结果※分析
                            (1)流速0p和流量Q、
                              当环境█处于紊流状态时求测点处流速vp和流量Q.。选择稳压水塔和容积法来确定流速仪表的系№数。其测试环境选⌒择是非常重要的。在▼测试时选择内壁半径R=50mm,且具有光滑内壁的塑料或金属直管,并将≡探头插人1/4的直径处,即R,=25mm,设与∩流体对应的雷诺数有关的n=7,因为该状态接近紊流产生的条件,因此∑ 是比较理想的测试条件。由稳压∑ 水塔和容积时间法经验公式得:
                            面平均流←速

                              插入式电︾磁流量计样品的计算值vop与仪表测定电压值U。的关系◣如表1所示。

                              即测点处流速与仪表输出电☆压之间存在着简单的线性●关系,因此使用起来ζ很方便。只要将β作为--个乘数设置到编程软件中,即可直接读出vqpo
                              表3列出了由测点处流速读出值0p=BU。与Uop(理论值)之间的误差E,如表3所示。
                              从表3中可以看出,经理论计算与实际所测♀的数值接近,误差在千分之几的范围内。

                            (2)面√平均流ω 速元
                              当环境处于非理想紊流状态时求面平均流速,`?。如果现场是处于如弯头或者阀门附近时,则可用阶Ψ回归拟合方程式

                              在测试时,可选择现场每一个稳定的流速状态,测定一组不同半径处的流速,然后作流速分布图★,通过面积加权法,可求出一个面平均流速`?。由测得的`?op(工【作测点处的流速)和√元的一组▽数据,然后根据线性回归方程公式求出一-组kr,k2。最后取该组〓k1,k2的平均值,并将该值设置到编程软件「中,即可直接求出面平均流速元。
                            3结语
                              介绍了一-种适合采矿和选矿等安」全要求较高※场所使用的矿用智能化㊣矿用电磁流量计电路的设计方案,以及在测试中遇到的问题与解决的方法,具有广泛的实用价值。参考国内外同类产品的▆技术性能▆指标,采用△直径为φ100mm铁管或PVC塑料管做测试,并通过现场←流速逐点分布测量,获取若干组不同状态下的平均流速,通过计算机模拟来确定回归方程系数,进而来测量不同状态下的流量值。测试结●果分析表明,其可测流量范围控制在0~120m/h,非线性误差为0.8%。从性能ω 指标可以看出,该矿用电磁流量计已达到了国内外同类产品的先进水平。

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