摘(zhāi)要:針對(duì)礦用電(diàn)磁流(liú)量計 由于其(qí)自(zì)身原理特(tè)性，長期以來一(yī)直限制其(qí)在采(cǎi)礦和選(xuǎn)礦等安(ān)全要(yào)求較(jiào)高場(chǎng)所(suǒ)使(shǐ)用(yòng)的(de)現實(shí),提出了一種采(cǎi)用新(xīn)型單(dān)片機控制(zhì)并(bìng)滿足礦(kuàng)用防爆(bào)和本質安全要求,實現(xiàn)測定污(wū)水和泥(ní)礦漿(jiāng)流量的電(diàn)磁流量(liàng)計電路的實(shí)現方(fāng)法,通(tōng)過(guò)設計(jì)發(fā)現該(gāi)電磁流量計在測量過(guò)程(chéng)中,所得到的實(shí)測數據經最小二乘(chéng)法進行直線拟(nǐ)合後(hòu),其(qí)誤(wù)差可以控制在0.8%以内。
0引言
　　近年來礦用電(diàn)磁流量計在工業(yè)領域中得到迅速的應用,特别是在河水輸送與污水(shuǐ)排放流量的計(jì)量方(fāng)面(miàn)突出，由(yóu)于它測量靈活(huó)方便(biàn)和靈(líng)敏度(dù)較高,工(gōng)業上多(duō)用以測(cè)量(liàng)各類(lèi)水流、礦漿(jiāng)流等介質。然(rán)而，由于(yú)煤礦(kuàng)安(ān)全性的特殊要求,目前(qián)可用于(yú)煤(méi)礦井(jǐng)下的電磁(cí)流量(liàng)計很(hěn)少,如,不能(néng)滿足礦用防爆和本質(zhì)安全要(yào)求、測(cè)量(liàng)範圍窄(zhǎi)以及傳輸(shū)信号(hào)易受(shòu)外磁(cí)場幹(gàn)擾等(děng)。針(zhēn)對(duì)這些問題,研(yán)發了一.種适(shì)合于礦用(yòng)測流的(de)電磁流(liú)量計電路(lù)。
1設計(jì)方案
1.1設計(jì)思想
　　目前,我(wǒ)國(guó)礦用(yòng)防爆電氣産品(pǐn)的安全類型主要;以(yǐ)隔(gé)爆(bào)型和(hé)本質安(ān)全型爲(wèi)主。本(běn)安(ān)設(shè)計就(jiù)是要(yào)嚴格控制(zhì)電(diàn)路各部分産(chǎn)生的電火花能量,因此在設計(jì)中采用(yòng)了專用本安(ān)勵磁電路(lù)來(lái)防(fáng)止勵磁電(diàn)流引(yǐn)起電火(huǒ)花(huā);采用新(xīn)型(xíng)低功耗單片機(jī)來控(kòng)制整個裝置的(de)工作(zuò),以保證其(qí)穩定性和可靠(kào)性;采(cǎi)用多(duō)種電磁屏(píng)蔽(bì)措施來(lái)防止(zhǐ)靜(jìng)電産生(shēng)和電磁幹(gàn)擾，以(yǐ)保證(zhèng)電路的穩(wěn)定工作。
1.2系(xì)統電(diàn)路硬件(jiàn)部分
(1)方(fāng)框圖
　　裝置采用高速單片(piàn)機模(mó)塊電(diàn)路(stm32f407),它具有浮點(diǎn)運算能力(lì)強，超(chāo)低(dī)功耗,功(gōng)耗僅爲38.6ma。用來控(kòng)制整個電磁流量計(jì)，包括産生(shēng)勵磁(cí)脈沖方波(bō)信号(hào)、接收來自(zì)探頭(tóu)的(de)反(fǎn)映流量大(dà)小的(de)電壓(yā)信号(hào)、輸出(chū)4~20ma電(diàn)流(liú)信号供(gòng)模拟顯(xiǎn)示儀表用(yòng),cpu模塊(kuài)帶有(yǒu)各類接口(kǒu)電(diàn)路(rs232、高速usb接口(kǒu)等).操作鍵盤和(hé)顯示器接(jiē)口電(diàn)路等。方框(kuàng)圖如(rú)圖1所(suǒ)示(shì)。

(2)傳感器(qì)
　　爲了(le)保證測量(liàng)的精度，要(yào)求傳(chuán)感器的探(tàn)頭做(zuò)成流線型(xíng)，當探(tàn)頭插(chā)人(rén)時對流(liú)體的影響(xiǎng)很小(xiǎo),近似，地(dì)認爲是(shì)無阻(zǔ)流狀态。具體采(cǎi)用(yòng)25.4mm不鏽鋼(gāng)管爲探頭殼體(tǐ)，勵磁(cí)線圈(quān)芯采(cǎi)用軟磁鋼(gāng)作鐵芯,線包，繞好後(hòu)将它密封(fēng)在-一個呈(chéng)流線型半(bàn)球的高(gāo)強(qiáng)度塑(sù)料殼内,上面(miàn)有(yǒu)一-對不鏽(xiù)鋼電極,與(yǔ)勵(lì)磁(cí)線圈(quān)相連。爲(wèi)避免探(tàn)頭内感應發射(shè)信号(hào)引(yǐn)起(qǐ)的(de)幹(gàn)擾,對信号發射引線、線圈與電(diàn)極連(lián)線(xiàn)進行屏蔽處理。
(3)特(tè)殊的電路(lù)設計(jì)
①勵磁(cí)信号與驅(qū)動電(diàn)路
　　爲了(le)保證探(tàn)頭工(gōng)作在(zài)無阻流(liú)狀(zhuàng)态,探頭尺(chǐ)寸要盡量(liàng)小，這(zhè)樣所産生(shēng)的勵(lì)磁電流也就小,要求(qiú)後續(xù)的接(jiē)收電路有足夠(gòu)高的輸人阻抗,來保證(zhèng)傳感器的靈(líng)敏(mǐn)度及抗幹擾性;爲(wèi)防止(zhǐ)交流(liú)50hz的工頻幹(gàn)擾,選用方波電流作爲(wèi)勵磁電流，其頻(pín)率可選用1/4的(de)工頻頻率(lǜ)12.5hz,有(yǒu)效地抑(yì)制工頻幹(gàn)擾(rǎo)。
　　勵(lì)磁(cí)信(xìn)号由單片(piàn)機内(nèi)部生成(chéng),從第26腳(jiǎo)輸出12.5hz方波(bō)信号,接到(dào)ic5(lmd18200t)的(de)3腳信号(hào),它是勵磁線圈(quān)的驅動模(mó)塊電(diàn)路,内(nèi)部采(cǎi)用h橋(qiáo)式驅(qū)動，送(sòng)出勵(lì)磁(cí)電(diàn)流加到其(qí)2腳和10腳(jiǎo)之間的勵磁線圈上。在勵磁線圈l上形(xíng)成20~30ma正負對(duì)稱的(de)方波電(diàn)流,它與(yǔ)控制方波電(diàn)壓同步(bù)。流體運動(dòng)切割磁力(lì)線産(chǎn)生的(de)方波電壓(yā)與勵(lì)磁電流完(wán)全保(bǎo)持同步，即與控制(zhì)開(kāi)關網(wǎng)絡的方波電壓(yā)保持同(tóng)步,便于(yú)在接(jiē)收電(diàn)路中(zhōng)信号的同(tóng)步解調。電路如(rú)圖2所(suǒ)示。

　　傳感器(qì)中勵(lì)磁電(diàn)流是(shì)産生(shēng)電火花的危險(xiǎn)源,電磁流量計(jì)要用于礦(kuàng)井下,保證勵磁電路(lù)達到本質(zhì)安全(quán)要求(qiú)。當電(diàn)流流(liú)過勵磁線圈時(shí),在線(xiàn)圈内部會(huì)産生磁場,磁場(chǎng)貯存能量,當電(diàn)路斷開(kāi)時(shí),儲存(cún)在線圈中的能(néng)量就會以(yǐ)火花(huā)的形式釋放出(chū)來，因此必須洩(xiè)放(fàng)線圈(quān)中(zhōng)的貯(zhù)能才能達到本(běn)安的要求。采用了在線(xiàn)圈兩端(duān)并聯(lián)-一個雙向(xiàng)二極(jí)管(tvs管(guǎn)p6ke6.8ca)作爲(wèi)續流支路,以(yǐ)洩(xiè)放線圈儲(chǔ)存的(de)磁能(néng),降(jiàng)低(dī)通斷時的(de)電(diàn)火花,吸收電流,洩(xiè)放能(néng)量。以(yǐ)達到(dào)本質安全的(de)目的。
③傳(chuán)感器放大(dà)電路(lù)
　　電路如圖3所示(shì)。ic2(sl28617)前置放大器用(yòng)于放大傳感器(qì)送來的反映流量大小(xiǎo)的電壓(yā)信号,改.變圖中(zhōng)rm和r。的阻值大小(xiǎo)，可以(yǐ)改(gǎi)變(biàn)該運(yùn)算放大器的增益。s1是勵磁(cí)信号源,r17、r18是(shì)輸人偏置(zhì)電阻,運放的9腳(jiǎo)和16腳分别供+5v電(diàn)壓,接在(zài)運(yùn)放ic2輸(shū)出端的ic3(ads8320)是(shì)16位高速的(de)a/d轉(zhuǎn)換器,其(qí)轉換(huàn)速度可達(dá)16khz/s,接在前置(zhì)放大(dà)器與(yǔ)a/d轉換(huàn)器之(zhī)間的(de)ic12(isl21090)是三(sān)端穩(wěn)壓器(qì)。

1.3編(biān)制軟件(jiàn)
　　軟件流程圖如(rú)圖4所(suǒ)示。

　　在(zài)編制礦用電磁(cí)流量計軟(ruǎn)件(jiàn)的過程(chéng)中,首(shǒu)先要求對(duì)系統進行初始(shǐ)化、再對(duì)cpu進行初(chū)始化(huà),由cpu輸出勵(lì)磁脈沖方(fāng)波信号,控(kòng)制lm8200産(chǎn)生勵磁電流驅動勵磁線(xiàn)圈(quān)。采集(jí)傳(chuán)感器信号(hào),使傳(chuán)感器(qì)送出反映(yìng).流量(liàng)大小(xiǎo)的電壓(yā)信(xìn)号，經過ic2前(qián)置放大器(qì)放大該信(xìn)号(hào)，再經16位(wèi)a/d轉換器和spi串口(kǒu)送人(rén)單(dān)片機進(jìn)行處理，在單片(piàn)機中要進行a/d實(shí)時采(cǎi)集、實(shí)時濾(lǜ)波和(hé)數據拼接(jiē)和數據傳送，最(zuì)後經(jīng)過(guò)d/a轉換後(hòu),經過ic4轉換成4~20ma電(diàn)流信(xìn)号(hào)直接輸(shū)出或者(zhě)以電壓(yā)形式(shì)輸出。
2測試方(fāng)法與結果分(fèn)析
(1)流速0p和流量q、
　　當環境處于紊(wěn)流狀态(tài)時求測(cè)點處流速(sù)vp和流(liú)量(liàng)q.。選(xuǎn)擇穩壓水(shuǐ)塔和(hé)容積法(fǎ)來确定流(liú)速儀表(biǎo)的系(xì)數。其測試環境(jìng)選擇是非常重要的。在測(cè)試時(shí)選擇内壁(bì)半徑r=50mm,且(qiě)具(jù)有光滑内(nèi)壁的(de)塑料(liào)或金屬直(zhí)管,并(bìng)将探(tàn)頭(tóu)插人1/4的(de)直徑處(chù),即(jí)r,=25mm,設與(yǔ)流體(tǐ)對應的雷(léi)諾數有(yǒu)關的n=7,因(yīn)爲該狀态接近紊流(liú)産生的條(tiáo)件，因(yīn)此是比較(jiào)理想的測(cè)試條件。由穩(wěn)壓水塔(tǎ)和容積時(shí)間法(fǎ)經驗公式(shì)得:
面(miàn)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(diàn)壓值u。的關(guān)系如(rú)表1所(suǒ)示。

　　即(jí)測點處流速(sù)與(yǔ)儀表輸出(chū)電(diàn)壓之間存在着簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此(cǐ)使用(yòng)起來很方(fāng)便。隻要将β作爲--個乘數(shù)設置到編程(chéng)軟件(jiàn)中,即(jí)可直(zhí)接讀出vqpo
　　表(biǎo)3列出了由測點(diǎn)處流(liú)速讀(dú)出值0p=bu。與uop(理論值)之間(jiān)的誤(wù)差e,如(rú)表3所示。
　　從表3中可以(yǐ)看出,經理論計算與實際所測的數值接(jiē)近,誤(wù)差在(zài)千分之幾(jǐ)的範(fàn)圍内。

(2)面平(píng)均流速元(yuán)
　　當環(huán)境處于非(fēi)理想(xiǎng)紊流狀态時求(qiú)面平均流(liú)速，`?。如(rú)果現場是處于(yú)如彎頭或者閥(fá)門附近時(shí),則可用階回歸拟合(hé)方程(chéng)式

　　在測試(shì)時，可選(xuǎn)擇(zé)現場(chǎng)每一個穩(wěn)定的流速狀态,測定(dìng)一組(zǔ)不(bú)同半徑(jìng)處的流速(sù)，然後(hòu)作流(liú)速分布圖(tú),通過面積(jī)加權(quán)法,可(kě)求出(chū)一個(gè)面平均流速`?。由測得(dé)的`?op(工作測(cè)點處的流(liú)速)和(hé)元的一組數據(jù),然後根據線性(xìng)回歸方程公式(shì)求出一-組(zǔ)kr,k2。最後(hòu)取(qǔ)該(gāi)組(zǔ)k1,k2的(de)平均(jun1)值,并(bìng)将(jiāng)該(gāi)值(zhí)設(shè)置到(dào)編程軟件(jiàn)中，即可(kě)直(zhí)接求出面平均流速元(yuán)。
3結語
　　介紹了(le)一-種适合采礦(kuàng)和選礦(kuàng)等(děng)安全要求(qiú)較高場所使用(yòng)的礦(kuàng)用智能化(huà)礦用電磁(cí)流量計電(diàn)路的(de)設計(jì)方(fāng)案,以及(jí)在測試中遇到(dào)的問題與解決(jué)的方(fāng)法,具有廣(guǎng)泛的實(shí)用價值(zhí)。參考國内外同(tóng)類産(chǎn)品的技術(shù)性能(néng)指标，采用直(zhí)徑爲φ100mm鐵管或(huò)pvc塑料管(guǎn)做(zuò)測試,并通(tōng)過(guò)現(xiàn)場流(liú)速逐點分(fèn)布測量,獲取若幹組不同狀态下的(de)平均流速,通過(guò)計算機模拟來确定(dìng)回(huí)歸方程(chéng)系數,進(jìn)而來測(cè)量不(bú)同(tóng)狀态下(xià)的流量(liàng)值(zhí)。測試結果分析(xī)表明(míng),其可測流量範(fàn)圍控制在(zài)0~120m/h,非線(xiàn)性誤差爲0.8%。從性(xìng)能指(zhǐ)标可以(yǐ)看出,該(gāi)礦用(yòng)電磁流量計(jì)已達到(dào)了國(guó)内外同類産品的水平。

以(yǐ)上内(nèi)容(róng)源于網(wǎng)絡，如有侵權聯(lián)系即删(shān)除!