摘(zhai)要:針對(dui)礦用電(diàn)磁流量(liàng)計 由于(yu)其自身(shēn)原理特(te)性，長期(qī)以來一(yī)直限制(zhì)其在采(cai)礦🍉和選(xuan)礦等安(an)全要求(qiu)較高場(chǎng)所使用(yong)的現實(shi),提出了(le)一種采(cai)用新型(xíng)單片機(jī)控制并(bìng)滿足礦(kuang)用防爆(bào)和本質(zhi)安全要(yào)求,實現(xian)測定污(wu)水和泥(ni)礦漿流(liú)量的電(diàn)磁流量(liang)計電路(lu)的實現(xiàn)方法,通(tōng)過設計(jì)發現該(gāi)電磁流(liu)量計在(zài)測量過(guo)程中,所(suǒ)得到的(de)實測數(shu)據經最(zuì)小二乘(cheng)法進行(hang)直線拟(ni)合後,其(qí)誤差可(ke)以控制(zhì)在0.8%以内(nei)。
0引言
　　近(jin)年來礦(kuang)用電磁(ci)流量計(ji)在工業(ye)領域中(zhōng)得到迅(xun)速的應(yīng)用,特别(bié)❓是在河(he)水輸送(sòng)與污水(shui)排放流(liu)量的計(ji)量方面(mian)突出，由(yóu)于它測(ce)量靈活(huo)方便和(hé)靈敏度(dù)較高,工(gong)業上多(duō)用以測(ce)量各❤️類(lèi)水流、礦(kuang)漿流等(deng)介質。然(rán)而，由于(yú)煤礦🈚安(ān)全性的(de)特殊要(yao)求,目前(qián)可用于(yu)煤礦井(jǐng)下的電(dian)磁流量(liang)計很少(shao),如💃🏻,不能(néng)滿足礦(kuàng)用防爆(bào)和本質(zhì)安全要(yào)求、測量(liàng)範圍窄(zhǎi)以及傳(chuan)輸信号(hao)易受外(wai)磁場幹(gàn)擾等。針(zhēn)對這⁉️些(xiē)問題,研(yan)發了一(yī)📧.種适合(he)于礦用(yòng)測流的(de)電磁流(liú)量計🛀電(diàn)路。
1設計(ji)方案
1.1設(shè)計思想(xiang)
　　目前,我(wo)國礦用(yòng)防爆電(dian)氣産品(pin)的安全(quán)類型主(zhu)要;以隔(gé)爆型和(hé)本🍓質安(an)全型爲(wei)主。本安(an)設計就(jiù)是要嚴(yan)格🚶‍♀️控制(zhi)電路各(ge)部分産(chǎn)生的電(dian)火花能(néng)量,因此(cǐ)在設計(ji)中采用(yong)了專用(yòng)本安勵(lì)磁電路(lù)來防止(zhǐ)勵磁電(dian)流引起(qǐ)電火花(huā);采用新(xīn)型🔴低功(gong)耗單片(piàn)機來控(kong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻制整個(ge)裝置的(de)工作,以(yi)保證其(qi)穩定🌈性(xìng)和可靠(kao)性;采用(yòng)多種電(diàn)🥰磁屏蔽(bì)措施來(lai)防止靜(jìng)電産生(shēng)和電磁(cí)幹擾，以(yi)保證電(diàn)路的穩(wen)定工作(zuò)。
1.2系統電(dian)路硬件(jian)部分
(1)方(fāng)框圖
　　裝(zhuang)置采用(yòng)高速單(dān)片機模(mo)塊電路(lu)(STM32F407),它具有(you)浮點運(yùn)算能力(lì)強，超㊙️低(dī)🆚功耗,功(gōng)耗僅爲(wei)38.6mA。用來控(kong)制整個(gè)電磁流(liu)量計，包(bao)括✌️産生(shēng)勵磁脈(mo)沖方波(bō)信号、接(jiē)收來自(zi)探頭的(de)反映流(liu)量大🏒小(xiao)的電壓(yā)信号、輸(shū)出4~20mA電流(liu)信号供(gòng)模拟顯(xian)示儀表(biao)用,CPU模塊(kuài)帶有各(gè)類接口(kǒu)電路✂️(RS232、高(gao)速USB接口(kǒu)等).操作(zuo)鍵盤和(he)顯示器(qi)接口電(diàn)路等。方(fang)框圖如(rú)圖1所㊙️示(shi)。

(2)傳感器(qi)
　　爲了保(bao)證測量(liang)的精度(dù)，要求傳(chuán)感器的(de)探頭做(zuò)成流線(xiàn)型，當🙇🏻探(tàn)頭插人(ren)時對流(liú)體的影(yǐng)響很小(xiǎo),近似，地(di)認爲是(shi)無阻🏃🏻流(liú)狀态。具(ju)✊體采用(yong)25.4mm不鏽鋼(gāng)管爲探(tan)頭殼體(tǐ)，勵磁線(xiàn)圈芯采(cǎi)用軟磁(ci)鋼作鐵(tiě)🐇芯,線包(bao)，繞好後(hou)将它密(mì)封在-一(yi)個呈流(liú)線✂️型半(bàn)球的高(gāo)強度塑(sù)料殼内(nèi),上面有(yǒu)一-對不(bú)🥵鏽鋼電(diàn)極,與勵(li)磁線圈(quan)相連。爲(wèi)避免探(tàn)頭内感(gan)應發射(she)🈚信号引(yin)起的幹(gan)擾,對信(xìn)号發射(shè)引線、線(xian)圈與電(dian)🔱極連線(xian)進行屏(ping)蔽處理(lǐ)。
(3)特殊的(de)電路設(she)計
①勵磁(cí)信号與(yǔ)驅動電(diàn)路
　　爲了(le)保證探(tàn)頭工作(zuo)在無阻(zu)流狀态(tai),探頭尺(chǐ)寸要盡(jin)量小，這(zhè)樣所産(chan)生的勵(li)磁電流(liu)也就小(xiao),要求後(hòu)續的接(jiē)收電路(lù)有足夠(gòu)高的輸(shu)人阻抗(kàng),來保證(zheng)傳感器(qi)的靈敏(min)度及抗(kàng)幹擾性(xìng);爲防止(zhǐ)交✊流50Hz的(de)工頻幹(gàn)擾,選用(yong)方波電(dian)流👉作爲(wèi)勵磁電(diàn)流，其頻(pin)率可選(xuan)用1/4的工(gōng)頻頻率(lǜ)12.5Hz,有效地(dì)抑制工(gong)頻幹擾(rǎo)❤️。
　　勵磁信(xìn)号由單(dān)片機内(nèi)部生成(cheng),從第26腳(jiao)輸出12.5Hz方(fāng)波信号(hao),接到IC5(LMD18200T)的(de)🚶3腳信号(hào),它是勵(lì)磁線圈(quān)的驅動(dòng)模塊電(diàn)路,内部(bu)采用H橋(qiáo)式驅動(dong)，送出勵(li)磁電流(liú)加到其(qi)2腳和10腳(jiao)🈲之間的(de)勵磁線(xian)㊙️圈上。在(zài)勵磁線(xian)圈L上形(xíng)成20~30mA正負(fu)對稱的(de)方波電(dian)流,它與(yǔ)控制方(fang)波電壓(yā)同步。流(liu)體運動(dòng)切割磁(ci)力線産(chan)生的方(fāng)波電壓(ya)與勵磁(ci)電流完(wán)全保持(chi)🌈同步，即(ji)與控🔴制(zhi)開關網(wang)絡的方(fang)波電壓(ya)保持同(tóng)💰步,便🌏于(yu)在接收(shōu)電路中(zhong)信号的(de)同步解(jiě)調👈。電路(lù)如圖2所(suǒ)示🧡。

　　傳感(gan)器中勵(lì)磁電流(liu)是産生(shēng)電火花(huā)的危險(xiǎn)源,電磁(cí)流量計(ji)要🤟用于(yu)礦井下(xia),保證勵(li)磁電路(lu)達到本(běn)質安⁉️全(quan)要求。當(dang)電流流(liú)過勵磁(ci)線圈時(shí),在線圈(quan)内部會(hui)産生磁(ci)場,磁場(chang)貯存能(néng)量,當電(dian)路🌈斷開(kai)時,儲存(cún)在線圈(quan)中的能(néng)量🏃🏻‍♂️就會(hui)以火花(hua)的形式(shì)釋放出(chū)來，因此(cǐ)必須洩(xie)放線圈(quan)中的貯(zhu)能才能(néng)達到本(běn)安的要(yao)求。采用(yòng)了在線(xiàn)圈兩端(duān)并聯-一(yī)個雙向(xiang)二極管(guan)(TVS管P6KE6.8CA)作爲(wei)續流支(zhi)路,以洩(xiè)放線圈(quan)儲🌂存的(de)磁☔能,降(jiang)低通斷(duan)時的電(dian)火花,吸(xi)收電流(liu),洩放能(neng)量🤟。以達(dá)到本質(zhi)安全⚽的(de)目的。
③傳(chuán)感器放(fang)大電路(lù)
　　電路如(ru)圖3所示(shì)。IC2(SL28617)前置放(fang)大器用(yòng)于放大(da)傳感器(qi)送來的(de)反映流(liu)🌐量大小(xiao)的電壓(ya)信号,改(gai).變圖中(zhōng)Rm和R。的阻(zu)值大小(xiao)，可以改(gai)變該運(yùn)算放大(da)器的增(zeng)益。S1是勵(li)磁信号(hao)源,R17、R18是輸(shu)人偏置(zhi)電阻,運(yùn)放的9腳(jiao)和16腳分(fen)别供+5V電(diàn)壓,接🏃‍♂️在(zài)運放IC2輸(shū)出端的(de)IC3(ADS8320)是16位高(gao)速的A/D轉(zhuǎn)換器,其(qí)轉換速(su)度可達(da)16kHz/s,接在前(qian)置放大(da)器與A/D轉(zhuan)換器之(zhī)間的IC12(ISL21090)是(shì)三端穩(wěn)🏃🏻‍♂️壓器。

1.3編(biān)制軟件(jiàn)
　　軟件流(liu)程圖如(rú)圖4所示(shì)。

　　在編制(zhì)礦用電(dian)磁流量(liang)計軟件(jiàn)的過程(chéng)中,首先(xian)要求對(duì)系統進(jin)行⛹🏻‍♀️初始(shǐ)化、再對(duì)CPU進行初(chū)始化,由(yóu)CPU輸出勵(li)磁脈沖(chong)方波信(xin)号,控制(zhi)LM8200産生勵(lì)磁電流(liú)驅動勵(lì)磁線圈(quan)♌。采集傳(chuan)感器信(xìn)号,使傳(chuan)感器送(song)出反映(yìng).流量大(dà)小的電(diàn)壓信号(hao)，經過IC2前(qián)置放大(da)器放🔅大(dà)該信号(hào)，再經16位(wèi)A/D轉✉️換器(qì)和SPI串口(kou)送人單(dan)片機進(jin)行處理(lǐ)，在單片(pian)機中要(yao)🆚進行A/D實(shí)時采集(ji)😘、實時濾(lǜ)波和數(shù)據拼接(jiē)和數據(jù)傳送，最(zuì)後經過(guo)D/A轉換後(hòu)✔️,經過IC4轉(zhuǎn)換成4~20mA電(diàn)流信号(hao)直接輸(shu)出或者(zhě)以電壓(ya)形式輸(shu)☂️出。
2測試(shi)方法與(yu)結果分(fen)析
(1)流速(su)0p和流量(liàng)Q、
　　當環境(jìng)處于紊(wen)流狀态(tài)時求測(ce)點處流(liú)速vp和流(liu)量Q.。選擇(zé)穩🤩壓水(shui)塔👅和容(róng)積法來(lai)确定流(liu)速儀表(biao)的系數(shu)。其測試(shì)環境選(xuǎn)擇是非(fēi)☁️常重要(yao)的。在測(cè)試時選(xuan)擇内壁(bi)半徑R=50mm,且(qie)具有光(guāng)💃🏻滑内壁(bì)的塑料(liào)或金屬(shǔ)直管,并(bìng)将探頭(tou)插人1/4的(de)💃直徑處(chù),即R,=25mm,設與(yǔ)流體對(duì)應的雷(lei)諾數有(yǒu)關㊙️的n=7,因(yīn)爲該狀(zhuang)态接近(jìn)紊流産(chan)生的條(tiao)件，因此(cǐ)是比較(jiào)💔理想的(de)測試條(tiao)件。由穩(wěn)壓水塔(ta)和容積(jī)時間法(fa)☁️經驗公(gong)式得:
面(mian)平均流(liú)速

　　插入(ru)式電磁(cí)流量計(jì) 樣品的(de)計算值(zhí)vop與儀表(biao)測定電(dian)壓值U。的(de)關系如(ru)表1所示(shì)。

　　即測點(dian)處流速(sù)與儀表(biǎo)輸出電(dian)壓之間(jiān)存在着(zhe)簡單的(de)線性關(guān)系，因此(cǐ)使用起(qi)來很方(fāng)便。隻要(yao)将β作爲(wei)--個乘數(shù)設置到(dao)編程軟(ruǎn)件中,即(ji)可直接(jiē)讀出vqpo
　　表(biǎo)3列出了(le)由測點(diǎn)處流速(su)讀出值(zhí)0p=BU。與Uop(理論(lun)值)之間(jiān)的誤差(cha)E,如👨‍❤️‍👨表3所(suo)示。
　　從表(biǎo)3中可以(yi)看出,經(jing)理論計(ji)算與實(shi)際所測(cè)的數值(zhí)接近🈲,誤(wu)差📐在千(qiān)分之幾(ji)的範圍(wei)内。

(2)面平(ping)均流速(sù)元
　　當環(huán)境處于(yu)非理想(xiǎng)紊流狀(zhuang)态時求(qiú)面平均(jun)流速，`?。如(ru)果現場(chǎng)🏃🏻‍♂️是處于(yú)如彎頭(tóu)或者閥(fa)門附近(jìn)時,則可(ke)用階回(huí)歸拟合(he)方程式(shi)

　　在測試(shi)時，可選(xuan)擇現場(chang)每一個(ge)穩定的(de)流速狀(zhuang)态,測定(dìng)一組不(bu)同半徑(jing)處的流(liu)速，然後(hou)作流速(sù)分布圖(tú),通過面(mian)積加權(quan)法🎯,可求(qiu)出一個(gè)面平均(jun)流速`?。由(you)測得的(de)`?op(工作測(cè)點處的(de)流速)和(he)元的一(yi)組數據(jù),然後根(gēn)據線⛱️性(xing)回歸方(fang)程公式(shì)求出一(yi)-組kr,k2。最後(hou)取該組(zǔ)k1,k2的平均(jun1)值,并将(jiāng)該值設(shè)置到編(bian)程軟件(jian)中，即可(kě)直接求(qiu)出面平(píng)均流速(sù)元。
3結語(yǔ)
　　介紹了(le)一-種适(shì)合采礦(kuàng)和選礦(kuàng)等安全(quán)要求較(jiao)高場所(suo)使用的(de)礦用智(zhì)能化礦(kuang)用電磁(ci)流量計(jì)電路的(de)設計方(fang)案,以及(ji)在測試(shì)中遇到(dao)的問題(tí)與解決(jue)的方法(fa),具有廣(guǎng)㊙️泛的實(shi)🥰用價值(zhí)。參考國(guó)内外同(tong)類産品(pin)的技🔴術(shù)性能指(zhǐ)标，采用(yong)直🔴徑爲(wèi)φ100mm鐵管或(huo)PVC塑料管(guǎn)做測試(shì),并通過(guò)現場流(liu)💰速逐點(diǎn)分布測(ce)量,獲取(qǔ)若幹組(zu)不同狀(zhuang)态下的(de)平均☀️流(liú)速,通過(guo)計算機(jī)模拟來(lái)确定回(hui)歸方程(cheng)系數,進(jin)而來測(cè)✌️量不同(tong)狀态下(xia)的流量(liàng)值。測試(shi)結果分(fen)析表明(ming),其可測(cè)流量範(fàn)圍控制(zhi)在0~120m/h,非🎯線(xiàn)性誤差(cha)爲0.8%。從性(xìng)能指标(biāo)可以看(kàn)出,該礦(kuang)☎️用電磁(ci)流量計(ji)已達🔆到(dào)了國内(nei)外同類(lèi)産品的(de)水平。

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