摘要:針對(dui)礦用電磁流(liú)量計 由于其(qí)自身原理特(tè)性，長期以來(lai)一直限制其(qí)在采礦和選(xuǎn)礦✌️等安全要(yao)求較高場所(suo)使用的現實(shí),提出了一種(zhǒng)采用新🐉型單(dān)片機⁉️控制并(bing)滿足礦用防(fang)爆和本質安(an)全要求,實現(xian)測定污水🏒和(he)泥礦漿流量(liàng)的電磁流量(liàng)計電路的實(shí)❤️現方法,通☔過(guo)設計發現該(gāi)電磁📱流量計(jì)在測量過程(chéng)中,所得到的(de)實測數據經(jīng)最小二乘法(fa)進行直線拟(nǐ)合後,其誤⛹🏻‍♀️差(chà)可以控制在(zai)0.8%以内🔞。
0引言
　　近(jin)年來礦用電(dian)磁流量計在(zai)工業領域中(zhong)得到迅速✊的(de)應用,特别是(shi)在河水輸送(song)與污水排放(fàng)流量的計量(liàng)方面突出，由(yóu)于它✍️測量靈(ling)活方便和靈(líng)敏度較高,工(gong)業上多用以(yǐ)測量各類水(shui)流、礦漿流📧等(deng)介質。然而，由(you)于煤礦安全(quán)性的特殊要(yao)求,目前可用(yong)于煤礦井🔞下(xià)的電磁流📱量(liàng)計很少,如,不(bú)能滿足礦用(yòng)防爆和本質(zhi)安全要求💚、測(ce)量範圍窄以(yi)及傳輸信号(hào)易受外磁場(chang)幹擾等✊。針對(duì)這些問題,研(yán)發了一.種适(shi)合于礦用測(cè)✉️流的電磁流(liu)量計電路。
1設(shè)計方案
1.1設計(ji)思想
　　目前,我(wo)國礦用防爆(bao)電氣産品的(de)安全類型主(zhǔ)要;以隔爆型(xing)和本質安全(quán)型爲主。本安(ān)設計就是要(yào)嚴格📧控制💯電(dian)路各部分産(chǎn)生的電火花(huā)能量,因此在(zài)設計中采用(yong)了專用💋本安(ān)勵磁電路來(lái)防止勵磁電(dian)流引起電火(huǒ)花;采用新型(xíng)低功耗單片(pian)機來控制整(zheng)個裝置的工(gong)作,以保證其(qí)穩定性和可(kě)靠性;采用多(duo)種電🐅磁屏蔽(bì)措施來防止(zhi)靜電産生👄和(he)電磁幹擾，以(yǐ)保證電路的(de)穩🍓定工作。
1.2系(xì)統電路硬件(jiàn)部分
(1)方框圖(tú)
　　裝置采用高(gao)速單片機模(mo)塊電路(STM32F407),它具(ju)有浮點運算(suan)能力強，超低(dī)功耗,功耗僅(jin)爲38.6mA。用來控制(zhi)整個電磁流(liú)量計🤟，包括産(chan)生勵磁脈沖(chòng)🈲方波信号、接(jie)收來自探頭(tou)的反映🐅流量(liàng)大小的電壓(yā)信号、輸出4~20mA電(dian)流信号供模(mo)拟顯示儀表(biǎo)用,CPU模塊♊帶有(you)各類接口電(diàn)路(RS232、高速USB接口(kǒu)☎️等).操作鍵盤(pán)和顯示器接(jiē)口電路等。方(fāng)框圖如圖1所(suo)示。

(2)傳感器
　　爲(wei)了保證測量(liang)的精度，要求(qiú)傳感器的探(tàn)頭做成流線(xiàn)型，當探頭插(chā)人時對流體(ti)的影響很小(xiǎo),近似，地認爲(wei)是無阻流狀(zhuang)态。具🍉體采用(yong)25.4mm不鏽鋼管爲(wei)探頭殼體，勵(lì)磁線圈芯采(cǎi)用軟磁鋼作(zuò)鐵芯,線包🌈，繞(rao)好後将它密(mi)封在-一個呈(cheng)流線型半球(qiú)的高強度塑(sù)料殼内,上🔱面(mian)有一-對不鏽(xiu)鋼電極,與勵(lì)磁線圈相連(lian)。爲避免探頭(tou)内感應發射(shè)信号引起的(de)幹擾,對信号(hào)發射引線✍️、線(xian)圈與電極連(lian)線進行屏🏃‍♀️蔽(bì)處理。
(3)特殊的(de)電路設計
①勵(li)磁信号與驅(qu)動電路
　　爲了(le)保證探頭工(gong)作在無阻流(liu)狀态,探頭尺(chi)寸要盡🌍量小(xiǎo)💞，這樣所産生(sheng)的勵磁電流(liú)也就小,要求(qiú)後續的接收(shōu)💘電路有足夠(gou)高🤞的輸人阻(zǔ)抗,來保證傳(chuan)感器的靈敏(min)度及抗幹擾(rǎo)性;爲♌防止交(jiao)流50Hz的工頻幹(gàn)擾,選用方波(bo)電流🌏作爲勵(li)磁電流，其頻(pín)率可選用1/4的(de)工頻頻率12.5Hz,有(you)效地抑制工(gong)頻幹擾。
　　勵磁(ci)信号由單片(pian)機内部生成(cheng),從第26腳輸出(chū)12.5Hz方波信号,接(jiē)到IC5(LMD18200T)的3腳信号(hao),它是勵磁線(xian)圈的驅動模(mó)塊電路,内部(bu)采用💚H橋式驅(qu)動，送出勵磁(ci)電流加到其(qí)2腳和10腳之間(jian)的🔆勵磁線✍️圈(quan)上。在☁️勵磁線(xian)🏃🏻圈L上形成20~30mA正(zhèng)負對稱的方(fang)波電流,它與(yu)控制方波電(dian)壓同步。流體(tǐ)運動切割磁(ci)力線産生的(de)方波電👄壓與(yu)勵磁電流完(wán)全保持同步(bù)，即與控⭐制開(kai)關網絡的方(fang)波電壓保持(chí)同🔅步,便于在(zai)接收🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電路中(zhong)🔆信号的同步(bù)解調。電路如(rú)圖2所示。

　　傳感(gan)器中勵磁電(dian)流是産生電(diàn)火花的危險(xian)源,電磁流㊙️量(liàng)計要用于礦(kuàng)井下,保證勵(lì)磁電路達到(dào)本質安全要(yao)🈲求。當‼️電流流(liu)過🔞勵磁線圈(quan)時,在線圈内(nèi)部會産生磁(cí)場❗,磁場貯💔存(cún)能量,當電路(lu)斷開時💃,儲存(cún)在線圈☂️中的(de)能量㊙️就會以(yi)火💋花的形式(shì)釋放出來🔞，因(yin)此必須洩放(fàng)線圈中的貯(zhù)能才能達到(dao)本安的要求(qiu)。采用了⭐在線(xiàn)圈兩端并聯(lián)-一個雙向二(èr)極管(TVS管P6KE6.8CA)作爲(wèi)續流支路,以(yi)洩放線圈儲(chu)存的磁🈚能,降(jiàng)低通斷時的(de)電火花,吸收(shōu)電流,洩放能(neng)量。以達到本(ben)質安全的目(mù)的。
③傳感器放(fang)大電路
　　電路(lu)如圖3所示。IC2(SL28617)前(qián)置放大器用(yòng)于放大傳感(gan)器送來的反(fǎn)映流量大小(xiǎo)的電壓信号(hao),改.變圖中Rm和(hé)R。的阻值大小(xiǎo)，可以改變該(gai)運🐪算放大器(qi)的增益。S1是勵(li)磁信号源,R17、R18是(shi)輸人偏置電(diàn)阻,運放的9腳(jiao)👣和16腳分❓别供(gong)+5V電壓,接🍉在運(yun)放IC2輸出端的(de)IC3(ADS8320)是16位高速的(de)🈲A/D轉換器,其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)16kHz/s,接在前置放(fàng)大器與A/D轉換(huan)器之間📞的IC12(ISL21090)是(shi)三端穩㊙️壓器(qì)。

1.3編制軟件
　　軟(ruǎn)件流程圖如(ru)圖4所示。

　　在編(bian)制礦用電磁(cí)流量計軟件(jiàn)的過程中,首(shǒu)先要求對系(xi)🏃🏻‍♂️統進行初始(shi)化、再對CPU進行(háng)初始化,由CPU輸(shu)出勵磁脈沖(chong)方波🏃‍♀️信号,控(kòng)制LM8200産生勵磁(cí)電流驅動勵(lì)磁線圈。采集(ji)傳🎯感器信号(hao),使傳感器送(sòng)♊出反映☁️.流量(liang)大小的電壓(ya)信号，經過IC2前(qián)置放大器放(fàng)❗大該信号，再(zài)經16位A/D轉換器(qi)和SPI串口送人(ren)單片機進行(hang)處理，在單片(piàn)機中要進行(hang)A/D實時采集🥵、實(shi)時濾波和數(shù)✊據拼接和數(shù)據傳送，最後(hòu)經過D/A轉換後(hòu)🤞,經過IC4轉換成(chéng)4~20mA電流✂️信号直(zhi)接輸出或者(zhě)以電壓形式(shì)輸出。
2測試方(fang)法與結果分(fèn)析
(1)流速0p和流(liú)量Q、
　　當環境處(chu)于紊流狀态(tai)時求測點處(chù)流速vp和流量(liàng)Q.。選擇穩壓水(shui)塔和容積法(fa)來确定流速(sù)儀表的系數(shù)。其🐕測試環境(jing)選擇是非🤞常(cháng)重要的。在測(cè)試時選擇内(nèi)壁半徑R=50mm,且具(ju)有光☀️滑内壁(bì)的塑料或金(jin)屬💛直管,并将(jiāng)探頭插人1/4的(de)直徑處,即🌈R,=25mm,設(she)與流體對應(ying)的雷諾數有(you)關的n=7,因爲該(gai)狀态接近紊(wen)流産生的條(tiáo)件，因此是比(bi)較理想的測(cè)試🏃‍♂️條件。由穩(wěn)壓水塔😍和容(rong)積時間法🎯經(jing)驗公式得:
面(mian)平均流速

　　插(chā)入式電磁流(liú)量計 樣品的(de)計算值vop與儀(yí)表測定電壓(ya)值U。的關系如(ru)表1所示。

　　即測(cè)點處流速與(yu)儀表輸出電(dian)壓之間存在(zài)着簡單的♍線(xian)性🐪關系✉️，因此(ci)使用起來很(hěn)方便。隻要将(jiang)β作爲--個乘數(shù)設置😄到編程(chéng)軟🔱件中,即可(kě)直接讀出vqpo
　　表(biǎo)3列出了由測(cè)點處流速讀(dú)出值0p=BU。與Uop(理論(lun)值)之間的誤(wù)✌️差E,如表3所示(shi)。
　　從表3中可以(yǐ)看出,經理論(lun)計算與實際(jì)所測的數值(zhi)接近,誤差在(zai)千分之幾的(de)範圍内。

(2)面平(ping)均流速元
　　當(dang)環境處于非(fēi)理想紊流狀(zhuàng)态時求面平(píng)均流速，`?。如果(guǒ)現♍場是處💔于(yu)如彎頭或者(zhě)閥門附近時(shí),則可用階回(hui)歸拟合方程(cheng)式

　　在測試時(shí)，可選擇現場(chǎng)每一個穩定(ding)的流速狀态(tài),測定一組不(bú)🌐同😘半徑處的(de)流速，然後作(zuo)流速分布圖(tú),通過面積加(jia)權法,可求出(chū)一☔個面平均(jun)流速`?。由測得(de)的`?op(工作測點(dian)處的💛流速)和(hé)🥰元的一組數(shù)據,然後根據(ju)線性回歸方(fāng)程公式求出(chū)一-組kr,k2。最後取(qǔ)該組🌂k1,k2的平均(jun)值,并将該值(zhi)設置到編程(cheng)軟🙇🏻件中，即可(ke)直接求出面(mian)平🔞均流速元(yuán)。
3結語
　　介紹了(le)一-種适合采(cǎi)礦和選礦等(děng)安全要求較(jiao)高場所使用(yòng)的礦🈲用智能(neng)化礦用電磁(ci)流量計電路(lu)的設❄️計方案(àn),以及在測試(shi)中遇到的問(wèn)題與解決的(de)方法♍,具有廣(guǎng)泛的實👅用價(jià)值。參考國内(nei)外同類産品(pǐn)的技術性能(néng)指标，采用直(zhí)徑爲φ100mm鐵管或(huo)PVC塑料管🌈做測(ce)試,并㊙️通過現(xian)場流👌速逐點(diǎn)分布測量,獲(huò)取若幹組不(bu)同狀☎️态下的(de)平均🙇🏻流速,通(tong)過計算機模(mó)拟來确定回(huí)歸方程系數(shu),進🍓而來測量(liang)不同狀态下(xia)的㊙️流量值。測(ce)試結果分析(xi)表明,其可測(ce)流量範圍控(kòng)制在0~120m/h,非線性(xìng)誤差爲0.8%。從性(xìng)能指标可以(yǐ)看出,該礦用(yòng)電磁流量計(jì)已達到了國(guó)内外同類産(chan)品的水平。

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