礦用電磁流量計電路的設計與測量分析

0 引言

近年來(lái)電磁流量計在工業(yè)領(lǐng)域中得到迅速的應用，特別是在河水輸送與污水排放流量的計量方面尤為突出，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(lèi)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(mǎn)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(chǎng)干擾等。針對這些問(wèn)題，研發(fā)了一種適合于礦用測流的電磁流量計電路。它采用新型單片機來(lái)控制，加之專(zhuān)用本安勵磁電路，具有實(shí)時(shí)檢測和及時(shí)顯示等多種功能，經(jīng)過(guò)多家企業(yè)的試用，性能和技術(shù)指標已基本達到國內外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

1 設計方案

1.1 設計思想

目前，我國礦用防爆電氣產(chǎn)品的安全類(lèi)型主要以隔爆型和本質(zhì)安全型為主。本安設計就是要嚴格控制電路各部分產(chǎn)生的電火花能量，因此在設計中采用了專(zhuān)用本安勵磁電路來(lái)防止勵磁電流引起電火花；采用新型低功耗單片機來(lái)控制整個(gè)裝置的工作，以保證其穩定性和可靠性；采用多種電磁屏蔽措施來(lái)防止靜電產(chǎn)生和電磁干擾，以保證電路的穩定工作。

1.2 系統電路硬件部分

（1）方框圖

裝置采用高速單片機模塊電路（STM32F407），它具有浮點(diǎn)運算能力強，超低功耗，功耗僅為38.6mA。用來(lái)控制整個(gè)電磁流量計，包括產(chǎn)生勵磁脈沖方波信號、接收來(lái)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(lèi)接口電路（RS232、高速USB接口等）、操作鍵盤(pán)和顯示器接口電路等。方框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

（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(xiàn)型，當探頭插入時(shí)對流體的影響很小，近似地認為是無(wú)阻流狀態(tài)。具體采用25.4mm不銹鋼管為探頭殼體，勵磁線(xiàn)圈芯采用軟磁鋼作鐵芯，線(xiàn)包，繞好后將它密封在一個(gè)呈流線(xiàn)型半球的高強度塑料殼內，上面有一對不銹鋼電極，與勵磁線(xiàn)圈相連。為避免探頭內感應發(fā)射信號引起的干擾，對信號發(fā)射引線(xiàn)、線(xiàn)圈與電極連線(xiàn)進(jìn)行屏蔽處理。

（3）特殊的電路設計

①勵磁信號與驅動(dòng)電路

為了保證探頭工作在無(wú)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，要求后續的接收電路有足夠高的輸入阻抗，來(lái)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。

勵磁信號由單片機內部生成，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(xiàn)圈的驅動(dòng)模塊電路，內部采用H橋式驅動(dòng)，送出勵磁電流加到其2腳和10腳之間的勵磁線(xiàn)圈上。在勵磁線(xiàn)圈L上形成20~30mA正負對稱(chēng)的方波電流，它與控制方波電壓同步。流體運動(dòng)切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生的方波電壓與勵磁電流完全保持同步，即與控制開(kāi)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。電路如圖2所示。

圖2 勵磁線(xiàn)圈驅動(dòng)模塊電路

②本安型勵磁線(xiàn)圈電路

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，保證勵磁電路達到本質(zhì)安全要求。當電流流過(guò)勵磁線(xiàn)圈時(shí)，在線(xiàn)圈內部會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)貯存能量，當電路斷開(kāi)時(shí)，儲存在線(xiàn)圈中的能量就會(huì )以火花的形式釋放出來(lái)，因此必須泄放線(xiàn)圈中的貯能才能達到本安的要求。采用了在線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)雙向二極管（TVS管P6KE6.8CA）作為續流支路，以泄放線(xiàn)圈儲存的磁能，降低通斷時(shí)的電火花，吸收電流，泄放能量。以達到本質(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(lái)的反映流量大小的電壓信號，改變圖中Rin和Rfb的阻值大小，可以改變該運算放大器的增益。S1是勵磁信號源，R17、R18是輸入偏置電阻，運放的9腳和16腳分別供±5V電壓，接在運放IC2輸出端的IC3（ADS8320）是16位高速的A/D轉換器，其轉換速度可達16kHz/s，接在前置放大器與A/D轉換器之間的IC12（ISL21090）是三端穩壓器。

1.3 編制軟件

軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件編制流程圖

在編制電磁流量軟件的過(guò)程中，首先要求對系統進(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)生勵磁電流驅動(dòng)勵磁線(xiàn)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(guò)IC2前置放大器放大該信號，再經(jīng)16位A/D轉換器和SPI串口送入單片機進(jìn)行處理，在單片機中要進(jìn)行A/D實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)濾波和數據拼接和數據傳送，最后經(jīng)過(guò)D/A轉換后，經(jīng)過(guò)IC4轉換成4~20mA電流信號直接輸出或者以電壓形式輸出。

2 測試方法與結果分析

（1）流速υ_op和流量Qv

當環(huán)境處于紊流狀態(tài)時(shí)求測點(diǎn)處流速vop和流量Qv。選擇穩壓水塔和容積法來(lái)確定流速儀表的系數。其測試環(huán)境選擇是非常重要的。在測試時(shí)選擇內壁半徑R=50mm，且具有光滑內壁的塑料或金屬直管，并將探頭插入1/4的直徑處，即Rx=25mm，設與流體對應的雷諾數有關(guān)的n=7，因為該狀態(tài)接近紊流產(chǎn)生的條件，因此是比較理想的測試條件。

由穩壓水塔和容積時(shí)間法經(jīng)驗公式得：

面平均流速

    （1）

式中  υ_max——流體最大流速。

被測點(diǎn)處流速

    （2）

由容積時(shí)間法測得。由面平均流速和被測點(diǎn)處流速可得；設流速分布系數，則；流量

    （3）

式中  S——所選管道的截面積。

插入式電磁流量計樣品的計算值υ_op與儀表測定電壓值Uo的關(guān)系如表1所示。

表1 插入式電磁流量計樣品的測量數據表

由表1利用二元一次線(xiàn)性回歸方程υ_op＝βUo+c來(lái)確定系數β和c，線(xiàn)性回歸系數比較表如表2所示。

表2 線(xiàn)性回歸系數比較表

平均值=1.1260258，c=-0.0065562，顯然c太小，因此可以忽略，則

    （4）

即測點(diǎn)處流速與儀表輸出電壓之間存在著(zhù)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，因此使用起來(lái)很方便。只要將β作為一個(gè)乘數設置到編程軟件中，即可直接讀出υ_op。

表3列出了由測點(diǎn)處流速讀出值υ_op=βUo與υ_op（理論值）之間的誤差Er，如表3所示。

表3 讀出值與理論值的比較表

從表3中可以看出，經(jīng)理論計算與實(shí)際所測的數值接近，誤差在千分之幾的范圍內。

（2）面平均流速

當環(huán)境處于非理想紊流狀態(tài)時(shí)求面平均流速。如果現場(chǎng)是處于如彎頭或者閥門(mén)附近時(shí)，則可用二階回歸擬合方程式

系數k1，k1可由現場(chǎng)測得的數據求出。由于二階回歸方程是非線(xiàn)性方程，要將其轉化為線(xiàn)性方程，則

    （5）

在測試時(shí)，可選擇現場(chǎng)每一個(gè)穩定的流速狀態(tài)，測定一組不同半徑處的流速，然后作流速分布圖，通過(guò)面積加權法，可求出一個(gè)面平均流速。由測得的υ_op（工作測點(diǎn)處的流速）和的一組數據，然后根據線(xiàn)性回歸方程公式求出一組k1，k2。最后取該組k1，k2的平均值，并將該值設置到編程軟件中，即可直接求出面平均流速。

3 結語(yǔ)

介紹了一種適合采礦和選礦等安全要求較高場(chǎng)所使用的礦用智能化電磁流量電路的設計方案，以及在測試中遇到的問(wèn)題與解決的方法，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。參考國內外同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)性能指標，采用直徑為準100mm鐵管或PVC塑料管做測試，并通過(guò)現場(chǎng)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(guò)計算機模擬來(lái)確定回歸方程系數，進(jìn)而來(lái)測量不同狀態(tài)下的流量值。測試結果分析表明，其可測流量范圍控制在0~120m3/h，非線(xiàn)性誤差為0.8%。從性能指標可以看出，該礦用電磁流量計已達到了國內外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。