摘要:針對(dui)礦用電磁(cí)流量計 由(you)于其自身(shēn)原理特性(xing)，長期以來(lai)一直限制(zhi)其在采礦(kuang)和✂️選礦等(děng)❗安全要求(qiú)較高場所(suo)使用的現(xiàn)實,提出了(le)一種采🔴用(yòng)新型單✍️片(pian)機控制并(bing)滿足礦用(yòng)防爆和本(ben)質安‼️全要(yào)求,實現測(cè)定污水和(hé)泥礦漿流(liu)量的電磁(ci)流量計電(dian)路的實現(xiàn)方法,通過(guo)設計發✌️現(xian)該電磁☀️流(liú)量計在測(ce)量過程中(zhong),所得到的(de)實測數據(ju)經最小二(er)乘法進行(háng)🤩直線拟合(hé)後,其誤⛷️差(cha)可以控制(zhi)在0.8%以内🧡。
0引(yin)言
　　近年來(lai)礦用電磁(ci)流量計在(zai)工業領域(yù)中得到迅(xùn)速的應用(yong),特别是在(zài)河水輸送(song)與污水排(pái)放流量的(de)計量方面(mian)突出，由于(yu)它測量❗靈(ling)活方便和(hé)靈敏度較(jiào)高,工業上(shang)多用以測(cè)量各類水(shui)流、礦漿流(liu)等介質。然(ran)而⁉️，由于煤(mei)礦✔️安全性(xing)的特殊要(yào)求📐,目前可(ke)用于煤礦(kuang)井下的電(dian)磁流量計(ji)很少,如,不(bú)能滿足礦(kuàng)㊙️用防爆和(hé)本質安全(quan)要求♊、測量(liang)範圍窄以(yi)及❌傳輸信(xin)号易受❗外(wài)磁🌏場幹擾(rao)等。針對這(zhe)些問題,研(yan)發了一.種(zhǒng)适合于礦(kuang)用測🏃流的(de)電磁流量(liàng)計電路。
1設(she)計方案
1.1設(shè)計思想
　　目(mù)前,我國礦(kuang)用防爆電(diàn)氣産品的(de)安全類型(xing)主要;以隔(ge)爆型和本(ben)質安全型(xíng)爲主。本安(ān)設計就是(shì)要嚴格❄️控(kong)制💋電路各(gè)部分産😄生(sheng)的🌍電火花(hua)能量,因此(ci)在設計中(zhōng)采用🧡了專(zhuan)用本安勵(lì)🌈磁電路來(lái)防止勵磁(cí)電流引起(qǐ)電火花;采(cǎi)用新型🚶低(dī)功耗單片(pian)機來控✌️制(zhi)整個裝置(zhì)的工作,以(yi)保證其穩(wěn)定🌍性和可(kě)靠性;采用(yong)多種電磁(cí)屏蔽措施(shī)來防止靜(jìng)電産生和(hé)電磁幹擾(rǎo)，以保證♍電(dian)路的穩定(ding)工作👌。
1.2系統(tǒng)電路硬件(jiàn)部分
(1)方框(kuàng)圖
　　裝置采(cai)用高速單(dan)片機模塊(kuài)電路(STM32F407),它具(jù)有浮點運(yùn)算能☁️力強(qiáng)，超低🐉功耗(hào),功耗僅爲(wei)38.6mA。用來控制(zhi)整個電磁(cí)流量計，包(bāo)括産生勵(li)磁脈沖方(fāng)波信号、接(jie)收來自探(tan)頭的反映(ying)流量大小(xiao)的電壓信(xìn)号、輸出4~20mA電(diàn)流信号供(gong)模拟顯示(shì)儀表用,CPU模(mo)塊帶有各(ge)類✍️接口電(dian)路(RS232、高速USB接(jiē)口⛹🏻‍♀️等).操作(zuò)鍵盤⛱️和顯(xiǎn)示器接口(kǒu)電路等。方(fāng)框圖如圖(tu)1所示。

(2)傳感(gǎn)器
　　爲了保(bao)證測量的(de)精度，要求(qiú)傳感器的(de)探頭做成(cheng)流😄線型，當(dāng)探頭插人(ren)時對流體(ti)的影響很(hen)小,近似，地(di)認爲是無(wú)阻🌈流狀✔️态(tai)。具體采用(yong)25.4mm不鏽鋼管(guǎn)爲探頭殼(ke)體，勵磁線(xian)圈芯采用(yong)軟磁鋼作(zuò)鐵芯,線包(bāo)，繞好後将(jiāng)它♻️密封在(zai)-一👅個呈流(liú)線型半球(qiú)的高強度(du)塑料殼内(nèi),上面有一(yi)-對不鏽鋼(gāng)電極,與💯勵(li)磁線圈相(xiang)連。爲避免(miǎn)探💰頭内感(gan)應發♍射信(xìn)号引起的(de)幹擾,對信(xin)号發射引(yǐn)線、線圈與(yu)電極連線(xiàn)🔞進行屏蔽(bì)處理。
(3)特殊(shu)的電路設(she)計
①勵磁信(xìn)号與驅動(dòng)電路
　　爲了(le)保證探頭(tóu)工作在無(wú)阻流狀态(tài),探頭尺寸(cùn)要盡量小(xiao)，這樣所産(chǎn)生的勵磁(ci)電流也就(jiu)小,要求後(hou)續的接收(shōu)電路有足(zu)夠高🌍的輸(shu)人阻抗,來(lai)保證傳感(gan)器的靈敏(min)度及抗幹(gàn)擾性;爲防(fang)止交流50Hz的(de)工💘頻幹擾(rao),選用方波(bo)電流作爲(wei)勵磁電流(liú)，其頻率可(ke)選用🔆1/4的工(gōng)頻頻率12.5Hz,有(you)效地抑制(zhì)工頻幹擾(rao)。
　　勵磁信号(hao)由單片機(ji)内部生成(chéng),從第26腳輸(shu)出12.5Hz方波信(xìn)号🚩,接到IC5(LMD18200T)的(de)🔞3腳信号,它(ta)是勵磁線(xiàn)圈的驅動(dong)模塊電路(lù),内部采用(yòng)🥰H橋式🏃🏻‍♂️驅動(dòng)，送出勵磁(ci)電流加到(dào)其2腳和10腳(jiao)🔞之間的勵(li)磁線🔞圈上(shang)。在勵磁線(xiàn)圈L上形成(cheng)20~30mA正負對稱(chēng)的方波電(dian)流,它與控(kòng)制方波電(diàn)壓同步。流(liu)體運動切(qiē)🏃🏻‍♂️割磁力線(xian)産生的方(fang)波電壓與(yǔ)勵磁電流(liú)完全保持(chí)☁️同步，即與(yu)控🏃🏻制開關(guān)網絡的方(fang)波電壓保(bao)持同⛹🏻‍♀️步,便(biàn)于在接收(shou)電路中信(xìn)号的同步(bu)解調。電路(lu)如圖2所示(shì)。

　　傳感器中(zhōng)勵磁電流(liu)是産生電(diàn)火花的危(wēi)險源,電磁(cí)✨流量計要(yào)用于礦井(jǐng)下,保證勵(lì)磁電路達(da)到本質安(an)全要求。當(dang)電流流過(guò)勵磁線圈(quan)時,在線圈(quān)内部會産(chǎn)生磁場,磁(cí)場貯存能(néng)量❤️,當電路(lù)斷開時🌈,儲(chǔ)存在線圈(quan)中的能量(liàng)就會以火(huo)花的形式(shi)釋放出來(lai)，因此必須(xu)洩放線圈(quan)中🏃‍♀️的貯能(néng)才能🔱達到(dao)本安的要(yao)求。采用了(le)在線圈兩(liang)端并聯-一(yi)個雙向二(er)🧡極管(TVS管P6KE6.8CA)作(zuo)爲續流支(zhī)路,以洩放(fang)線圈儲存(cun)的磁能,降(jiang)低通斷時(shi)的電火花(hua),吸收電流(liú),洩放能量(liang)🙇🏻。以達到本(běn)質安全的(de)目的。
③傳感(gǎn)器放大電(diàn)路
　　電路如(rú)圖3所示。IC2(SL28617)前(qián)置放大器(qì)用于放大(da)傳感器送(song)來的反🔞映(yìng)流量大小(xiao)的電壓信(xìn)号,改.變圖(tú)中Rm和R。的阻(zǔ)值🍓大小🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，可(ke)以改變🤞該(gai)運算放大(da)器的增益(yì)。S1是勵磁信(xin)号源,R17、R18是輸(shu)人偏置👨‍❤️‍👨電(diàn)阻,運放的(de)9腳和16腳分(fèn)别供+5V電壓(ya),接在運放(fàng)IC2輸出端的(de)IC3(ADS8320)是16位高速(su)的A/D轉換器(qì),其轉換速(sù)度可達16kHz/s,接(jie)在前置放(fàng)大器與A/D轉(zhuan)換器之間(jian)的IC12(ISL21090)是三端(duan)穩壓器。

1.3編(biān)制軟件
　　軟(ruǎn)件流程圖(tú)如圖4所示(shi)。

　　在編制礦(kuang)用電磁流(liu)量計軟件(jian)的過程中(zhong),首先要求(qiu)🥰對系👈統進(jin)🚶行🤟初始化(huà)、再對CPU進行(hang)初始化,由(you)CPU輸出勵磁(cí)脈沖方波(bō)信号,控制(zhi)LM8200産生㊙️勵磁(cí)電流驅動(dong)勵磁線圈(quan)。采集傳感(gan)器信🙇‍♀️号,使(shi)傳🐅感器送(sòng)出反映.流(liú)量大小的(de)電壓信号(hào)，經過IC2前置(zhì)放大器放(fàng)大該信号(hào)，再經16位A/D轉(zhuan)💃換器和SPI串(chuan)口送人單(dān)片機進行(hang)處理，在單(dān)片機中要(yào)進行A/D實時(shí)采集、實時(shí)濾波和數(shu)據拼接和(hé)數據傳送(song)，最後經過(guo)D/A轉換後,經(jing)過IC4轉換成(cheng)4~20mA電流信号(hao)直接輸出(chu)或者以電(dian)壓形式輸(shū)㊙️出。
2測試方(fang)法與結果(guǒ)分析
(1)流速(su)0p和流量Q、
　　當(dāng)環境處于(yu)紊流狀态(tai)時求測點(dian)處流速vp和(he)流量Q.。選擇(ze)穩壓水塔(tǎ)和容積法(fa)來确定流(liú)速儀表的(de)系數。其測(cè)試環境選(xuǎn)擇是非常(chang)重要的。在(zài)測試時選(xuǎn)擇内壁半(bàn)徑R=50mm,且具有(yǒu)光❤️滑内壁(bi)🔱的塑料或(huò)金屬直管(guǎn),并将探頭(tóu)插人1/4的直(zhí)徑處,即R,=25mm,設(shè)與流體🏒對(duì)應的雷諾(nuo)數有關的(de)n=7,因爲該狀(zhuàng)态接近紊(wen)流産生的(de)條件🏃🏻‍♂️，因此(cǐ)是比較理(li)想的測試(shi)條件。由穩(wen)壓水塔和(he)容積時間(jian)法經驗💜公(gōng)式得:
面平(píng)均流速

　　插(chā)入式電磁(ci)流量計 樣(yàng)品的計算(suan)值vop與儀表(biao)測定電壓(yā)值U。的關系(xi)如表1所示(shi)。

　　即測點處(chu)流速與儀(yi)表輸出電(diàn)壓之間存(cún)在着簡單(dān)的線🈲性關(guan)系🏃‍♀️，因此使(shǐ)用起來很(hen)方便。隻要(yao)将β作爲--個(gè)乘數♉設置(zhì)到編程軟(ruǎn)🍉件中,即可(ke)直接讀出(chu)vqpo
　　表3列出了(le)由測點處(chu)流速讀出(chū)值0p=BU。與Uop(理論(lùn)值)之間的(de)誤⚽差✌️E,如表(biao)3所示。
　　從表(biao)3中可以看(kàn)出,經理論(lùn)計算與實(shí)際所測的(de)數值接💛近(jìn),誤差在🧡千(qian)分之幾的(de)範圍内。

(2)面(miàn)平均流速(sù)元
　　當環境(jing)處于非理(lǐ)想紊流狀(zhuàng)态時求面(mian)平均流速(sù)，`?。如😘果現場(chang)是處于如(rú)彎頭或者(zhe)閥門附近(jìn)時,則可用(yòng)階回歸拟(nǐ)合方程♉式(shì)

　　在測試時(shi)，可選擇現(xiàn)場每一個(ge)穩定的流(liu)速狀态,測(cè)定一組不(bú)同半徑處(chu)的流速，然(ran)後作流速(sù)分布圖,通(tōng)🈚過面積加(jiā)權法,可求(qiú)📐出一個面(miàn)平均流速(su)`?。由測得的(de)`?op(工作測✌️點(dian)處的流速(sù))和元的一(yī)組數據,然(ran)後根據線(xiàn)性回歸方(fang)程公式求(qiu)📞出一-組kr,k2。最(zui)後取該組(zǔ)k1,k2的平均值(zhí),并将該值(zhi)設置到編(bian)程軟件中(zhong)，即可直接(jiē)求出面平(píng)🌐均流速元(yuan)。
3結語
　　介紹(shào)了一-種适(shì)合采礦和(he)選礦等安(an)全要求較(jiào)高場所使(shǐ)用的礦用(yòng)智能化礦(kuàng)用電磁流(liú)量計電路(lù)的設計方(fang)案,以及在(zài)測試中遇(yu)到的問題(ti)與解決的(de)方法㊙️,具有(yǒu)廣泛的實(shi)用價值。參(can)考國内外(wai)同🐕類産品(pǐn)的技術性(xing)能指标，采(cai)用直徑爲(wèi)φ100mm鐵管或PVC塑(sù)料管做測(cè)試,并通過(guò)現場流速(su)逐點分布(bu)測量,獲取(qu)若❄️幹組不(bu)同狀❓态下(xia)的平均流(liu)速,通過計(jì)算機模拟(ni)來确定回(huí)歸方☔程系(xì)數,進而來(lai)測量不同(tong)狀态下的(de)流量值。測(cè)試結☔果分(fen)析表明,其(qí)可測🔅流量(liang)範圍控制(zhi)在0~120m/h,非線性(xing)誤差爲0.8%。從(cong)性能指标(biao)可以看出(chū),該礦用電(diàn)磁流量計(jì)📧已達到了(le)國内外同(tóng)類産品的(de)🍉水平。

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