摘(zhai)要:針(zhen)對礦(kuang)用電(dian)磁流(liu)量計(ji) 由于(yu)其自(zi)身原(yuan)理特(te)性，長(zhang)期以(yi)來一(yi)直限(xian)制其(qi)在采(cai)礦和(he)選礦(kuang)等安(an)全要(yao)求較(jiao)高場(chang)所使(shi)用的(de)現實(shi),提出(chu)💔了一(yi)👨‍❤️‍👨種采(cai)用新(xin)型單(dan)片機(ji)控制(zhi)并滿(man)足礦(kuang)用防(fang)爆和(he)本質(zhi)安👌全(quan)要求(qiu),實現(xian)測定(ding)污水(shui)和泥(ni)礦漿(jiang)流量(liang)的電(dian)磁流(liu)量計(ji)電路(lu)的實(shi)現方(fang)法,通(tong)⛱️過設(she)計發(fa)現該(gai)電磁(ci)🈲流量(liang)計在(zai)測量(liang)過程(cheng)中,所(suo)得到(dao)的實(shi)測數(shu)據經(jing)最小(xiao)二乘(cheng)法進(jin)行直(zhi)線拟(ni)合後(hou),其誤(wu)差可(ke)以控(kong)制在(zai)0.8%以内(nei)。
0引言(yan)
　　近年(nian)來礦(kuang)用電(dian)磁流(liu)量計(ji)在工(gong)業領(ling)域中(zhong)得到(dao)迅速(su)‼️的❗應(ying)用,特(te)别是(shi)在河(he)水輸(shu)送與(yu)污水(shui)排放(fang)流量(liang)的計(ji)量方(fang)面突(tu)出，由(you)于它(ta)📱測量(liang)靈活(huo)方便(bian)和靈(ling)敏度(du)較高(gao),工業(ye)上多(duo)用以(yi)🌈測量(liang)各類(lei)水流(liu)、礦漿(jiang)流等(deng)介質(zhi)。然而(er)，由于(yu)煤礦(kuang)安全(quan)性的(de)特殊(shu)要求(qiu),目前(qian)可用(yong)于煤(mei)礦井(jing)📞下的(de)電磁(ci)流量(liang)計很(hen)少,如(ru),不能(neng)滿足(zu)礦👈用(yong)防爆(bao)和本(ben)質安(an)全要(yao)求、測(ce)量範(fan)圍窄(zhai)以及(ji)傳輸(shu)信号(hao)易受(shou)外磁(ci)場幹(gan)擾等(deng)。針對(dui)這些(xie)問題(ti),研發(fa)了一(yi).種适(shi)合于(yu)礦用(yong)測流(liu)的電(dian)磁流(liu)量計(ji)❌電路(lu)。
1設計(ji)方案(an)
1.1設計(ji)思想(xiang)
　　目前(qian),我國(guo)礦用(yong)防爆(bao)電氣(qi)産品(pin)的安(an)全類(lei)型主(zhu)要;以(yi)隔爆(bao)型和(he)🌈本質(zhi)安全(quan)型爲(wei)主。本(ben)安設(she)計就(jiu)是要(yao)嚴格(ge)控制(zhi)電路(lu)各部(bu)分産(chan)生的(de)電火(huo)花能(neng)量,因(yin)此在(zai)設計(ji)🈲中采(cai)用了(le)專用(yong)本安(an)勵磁(ci)電路(lu)來防(fang)止勵(li)磁電(dian)流引(yin)起電(dian)火花(hua);采用(yong)新型(xing)低功(gong)耗單(dan)片機(ji)來控(kong)制整(zheng)個裝(zhuang)置的(de)工作(zuo),以保(bao)證其(qi)穩定(ding)性和(he)可靠(kao)性;采(cai)用多(duo)種電(dian)磁屏(ping)蔽措(cuo)施來(lai)防止(zhi)靜電(dian)産生(sheng)🌈和電(dian)磁幹(gan)擾，以(yi)🔆保證(zheng)電路(lu)的穩(wen)定工(gong)作。
1.2系(xi)統電(dian)路硬(ying)件部(bu)分
(1)方(fang)框圖(tu)
　　裝置(zhi)采用(yong)高速(su)單片(pian)機模(mo)塊電(dian)路(STM32F407),它(ta)具有(you)浮點(dian)運算(suan)能📐力(li)強，超(chao)低功(gong)耗,功(gong)耗僅(jin)爲38.6mA。用(yong)來控(kong)制整(zheng)個電(dian)磁流(liu)🔞量計(ji)🈲，包括(kuo)産生(sheng)勵磁(ci)🌏脈沖(chong)方波(bo)信号(hao)、接收(shou)來自(zi)探頭(tou)的反(fan)映㊙️流(liu)量大(da)小的(de)電壓(ya)信号(hao)、輸出(chu)4~20mA電流(liu)信号(hao)供模(mo)拟顯(xian)示儀(yi)表用(yong),CPU模塊(kuai)㊙️帶有(you)各類(lei)接口(kou)電路(lu)(RS232、高速(su)USB接口(kou)🔞等).操(cao)作鍵(jian)盤和(he)顯示(shi)器接(jie)🔞口電(dian)路等(deng)。方框(kuang)圖如(ru)圖1所(suo)💛示。

(2)傳(chuan)感器(qi)
　　爲了(le)保證(zheng)測量(liang)的精(jing)度，要(yao)求傳(chuan)感器(qi)的探(tan)頭做(zuo)成流(liu)線型(xing)，當探(tan)頭插(cha)人時(shi)對流(liu)體的(de)影響(xiang)很小(xiao),近似(si)，地認(ren)爲是(shi)無阻(zu)🐅流狀(zhuang)态。具(ju)💋體采(cai)用25.4mm不(bu)鏽鋼(gang)管爲(wei)探頭(tou)殼體(ti)，勵磁(ci)線圈(quan)芯采(cai)用軟(ruan)磁🈲鋼(gang)作鐵(tie)🔴芯,線(xian)包，繞(rao)好後(hou)将它(ta)密封(feng)在-一(yi)個呈(cheng)流線(xian)型半(ban)球的(de)高強(qiang)度塑(su)料殼(ke)内,上(shang)🔱面有(you)一-對(dui)不鏽(xiu)鋼電(dian)極,與(yu)👅勵磁(ci)線圈(quan)相⭐連(lian)。爲避(bi)免探(tan)頭内(nei)感應(ying)發射(she)信号(hao)引起(qi)的幹(gan)擾,對(dui)信号(hao)發射(she)引線(xian)、線圈(quan)與電(dian)極連(lian)線進(jin)行屏(ping)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼蔽處(chu)理。
(3)特(te)殊的(de)電路(lu)設計(ji)
①勵磁(ci)信号(hao)與驅(qu)動電(dian)路
　　爲(wei)了保(bao)證探(tan)頭工(gong)作在(zai)無阻(zu)流狀(zhuang)态,探(tan)頭尺(chi)寸要(yao)盡🛀🏻量(liang)小，這(zhe)樣所(suo)産生(sheng)的勵(li)磁電(dian)流也(ye)就小(xiao),要求(qiu)後續(xu)的♻️接(jie)收電(dian)路有(you)足夠(gou)高的(de)輸✔️人(ren)阻抗(kang),來保(bao)證傳(chuan)感器(qi)的靈(ling)敏度(du)及抗(kang)幹擾(rao)性;爲(wei)防止(zhi)交流(liu)50Hz的工(gong)頻幹(gan)擾,選(xuan)用方(fang)波電(dian)流作(zuo)爲勵(li)磁電(dian)流，其(qi)頻率(lü)可選(xuan)用1/4的(de)工頻(pin)頻率(lü)12.5Hz,有效(xiao)地抑(yi)制工(gong)頻幹(gan)擾。
　　勵(li)磁信(xin)号由(you)單片(pian)機内(nei)部生(sheng)成,從(cong)第26腳(jiao)輸出(chu)12.5Hz方波(bo)信号(hao),接到(dao)IC5(LMD18200T)的3腳(jiao)信号(hao),它是(shi)勵磁(ci)線圈(quan)的驅(qu)動模(mo)塊電(dian)路,内(nei)部采(cai)用H橋(qiao)式驅(qu)動，送(song)出💘勵(li)磁電(dian)流加(jia)到其(qi)2腳和(he)10腳之(zhi)間的(de)勵磁(ci)線💘圈(quan)上。在(zai)勵磁(ci)線🐅圈(quan)L上形(xing)成20~30mA正(zheng)負對(dui)稱的(de)方波(bo)電流(liu),它與(yu)控制(zhi)方波(bo)電壓(ya)同步(bu)。流體(ti)運動(dong)切割(ge)磁力(li)線産(chan)生的(de)方波(bo)電壓(ya)與勵(li)磁電(dian)流完(wan)全保(bao)持👅同(tong)步，即(ji)與控(kong)制開(kai)關網(wang)絡的(de)方💃波(bo)電壓(ya)保持(chi)同步(bu),便于(yu)在接(jie)收電(dian)路中(zhong)㊙️信号(hao)的同(tong)步解(jie)調。電(dian)路如(ru)圖2所(suo)示。

　　傳(chuan)感器(qi)中勵(li)磁電(dian)流是(shi)産生(sheng)電火(huo)花的(de)危險(xian)源,電(dian)磁流(liu)量計(ji)要用(yong)于礦(kuang)井下(xia),保證(zheng)勵磁(ci)電路(lu)達到(dao)本質(zhi)安全(quan)要求(qiu)。當電(dian)流流(liu)過勵(li)磁線(xian)圈時(shi),在線(xian)圈内(nei)部會(hui)産生(sheng)磁場(chang),磁場(chang)貯存(cun)能量(liang),當電(dian)路斷(duan)開時(shi)♻️,儲存(cun)在線(xian)圈中(zhong)的能(neng)量就(jiu)會以(yi)火花(hua)的形(xing)式釋(shi)放出(chu)來，因(yin)此必(bi)須🐪洩(xie)放線(xian)圈中(zhong)的貯(zhu)能才(cai)能達(da)到本(ben)安的(de)要求(qiu)。采用(yong)了在(zai)線圈(quan)兩端(duan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼并聯(lian)-一個(ge)雙向(xiang)二極(ji)管(TVS管(guan)P6KE6.8CA)作爲(wei)續流(liu)支路(lu),以洩(xie)放線(xian)圈儲(chu)存的(de)磁能(neng),降低(di)通斷(duan)時的(de)電火(huo)花,吸(xi)收電(dian)流,洩(xie)放能(neng)量。以(yi)達到(dao)本質(zhi)安全(quan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的💯目(mu)的。
③傳(chuan)感器(qi)放大(da)電路(lu)
　　電路(lu)如圖(tu)3所示(shi)。IC2(SL28617)前置(zhi)放大(da)器用(yong)于放(fang)大傳(chuan)感器(qi)送來(lai)的反(fan)映流(liu)量大(da)小的(de)電壓(ya)信号(hao),改.變(bian)圖中(zhong)Rm和R。的(de)阻值(zhi)大小(xiao)，可以(yi)改變(bian)該運(yun)算放(fang)大器(qi)的增(zeng)益。S1是(shi)勵磁(ci)信号(hao)源,R17、R18是(shi)輸人(ren)偏置(zhi)電阻(zu),運放(fang)的9腳(jiao)和16腳(jiao)分别(bie)供+5V電(dian)壓,接(jie)在運(yun)放IC2輸(shu)🌏出端(duan)的IC3(ADS8320)是(shi)16位高(gao)速的(de)A/D轉換(huan)器,其(qi)轉換(huan)速度(du)🤟可達(da)16kHz/s,接在(zai)前置(zhi)放大(da)器與(yu)A/D轉換(huan)器之(zhi)間的(de)IC12(ISL21090)是三(san)端穩(wen)💁壓器(qi)。

1.3編制(zhi)軟件(jian)
　　軟件(jian)流程(cheng)圖如(ru)圖4所(suo)示。

　　在(zai)編制(zhi)礦用(yong)電磁(ci)流量(liang)計軟(ruan)件的(de)過程(cheng)中,首(shou)先要(yao)求對(dui)⛱️系統(tong)👌進行(hang)初始(shi)化、再(zai)對CPU進(jin)行初(chu)始化(hua),由CPU輸(shu)出勵(li)磁脈(mo)沖方(fang)波信(xin)号,控(kong)制💋LM8200産(chan)生勵(li)磁電(dian)流驅(qu)動勵(li)磁線(xian)圈。采(cai)集傳(chuan)感器(qi)信🐕号(hao),使傳(chuan)感器(qi)送出(chu)反映(ying).流量(liang)大小(xiao)的電(dian)壓信(xin)号，經(jing)過IC2前(qian)置放(fang)大器(qi)放大(da)該信(xin)号，再(zai)經16位(wei)A/D轉換(huan)器和(he)SPI串口(kou)送人(ren)單片(pian)機進(jin)行處(chu)理，在(zai)單片(pian)機中(zhong)要進(jin)行A/D實(shi)時采(cai)🔅集🌍、實(shi)時濾(lü)波和(he)數據(ju)拼接(jie)和數(shu)據🔞傳(chuan)送🌐，最(zui)後經(jing)過D/A轉(zhuan)換後(hou),經過(guo)IC4轉換(huan)成4~20mA電(dian)流信(xin)号直(zhi)接輸(shu)出或(huo)者以(yi)電壓(ya)形式(shi)輸出(chu)。
2測試(shi)方法(fa)與結(jie)果分(fen)析
(1)流(liu)速0p和(he)流量(liang)Q、
　　當環(huan)境處(chu)于紊(wen)流狀(zhuang)态時(shi)求測(ce)點處(chu)流速(su)vp和流(liu)量Q.。選(xuan)擇穩(wen)壓水(shui)塔🈲和(he)容積(ji)法來(lai)确定(ding)流速(su)儀表(biao)的系(xi)數。其(qi)測試(shi)環境(jing)選擇(ze)是非(fei)常重(zhong)要的(de)。在測(ce)試時(shi)選擇(ze)内壁(bi)半徑(jing)R=50mm,且具(ju)有光(guang)滑内(nei)壁的(de)塑料(liao)或金(jin)屬直(zhi)管,并(bing)将探(tan)頭插(cha)人1/4的(de)直徑(jing)處,即(ji)R,=25mm,設與(yu)流體(ti)對應(ying)的雷(lei)諾數(shu)有關(guan)💛的n=7,因(yin)爲該(gai)狀态(tai)接近(jin)紊流(liu)👉産生(sheng)的條(tiao)件，因(yin)此是(shi)比較(jiao)理想(xiang)的測(ce)試條(tiao)件。由(you)穩壓(ya)水塔(ta)和容(rong)積時(shi)間法(fa)經驗(yan)公式(shi)得:
面(mian)平均(jun)流速(su)

　　插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji) 樣品(pin)的計(ji)算值(zhi)vop與儀(yi)表測(ce)定電(dian)壓值(zhi)U。的關(guan)系如(ru)表1所(suo)示。

　　即(ji)測點(dian)處流(liu)速與(yu)儀表(biao)輸出(chu)電壓(ya)之間(jian)存在(zai)着簡(jian)單的(de)線性(xing)關系(xi)♈，因此(ci)使用(yong)起來(lai)很方(fang)便。隻(zhi)要将(jiang)β作爲(wei)--個🍉乘(cheng)數設(she)置到(dao)編程(cheng)軟件(jian)中,即(ji)可直(zhi)接讀(du)出vqpo
　　表(biao)3列出(chu)了由(you)測點(dian)處流(liu)速讀(du)出值(zhi)0p=BU。與Uop(理(li)論值(zhi))之間(jian)的♌誤(wu)差E,如(ru)表3所(suo)‼️示。
　　從(cong)表3中(zhong)可以(yi)看出(chu),經理(li)論計(ji)算與(yu)實際(ji)所測(ce)的數(shu)值接(jie)近,誤(wu)差在(zai)千分(fen)之幾(ji)的範(fan)圍内(nei)。

(2)面平(ping)均流(liu)速元(yuan)
　　當環(huan)境處(chu)于非(fei)理想(xiang)紊流(liu)狀态(tai)時求(qiu)面平(ping)均流(liu)速，`?。如(ru)🤩果現(xian)場💋是(shi)處于(yu)如彎(wan)頭或(huo)者閥(fa)門附(fu)近時(shi),則可(ke)用階(jie)㊙️回歸(gui)❗拟合(he)方程(cheng)式

　　在(zai)測試(shi)時，可(ke)選擇(ze)現場(chang)每一(yi)個穩(wen)定的(de)流速(su)狀态(tai),測定(ding)一⭕組(zu)不❌同(tong)半徑(jing)處的(de)流速(su)，然後(hou)作流(liu)速分(fen)布圖(tu),通過(guo)面積(ji)加權(quan)法,可(ke)求出(chu)一個(ge)面平(ping)均流(liu)速`?。由(you)測得(de)的`?op(工(gong)作測(ce)點處(chu)的流(liu)速)和(he)元的(de)一組(zu)數據(ju),然後(hou)根據(ju)線性(xing)回歸(gui)方🌏程(cheng)公式(shi)求出(chu)一-組(zu)kr,k2。最後(hou)取該(gai)組k1,k2的(de)平均(jun)值,并(bing)将該(gai)值設(she)置到(dao)編程(cheng)軟件(jian)中，即(ji)可直(zhi)接求(qiu)出面(mian)平均(jun)流速(su)元。
3結(jie)語
　　介(jie)紹了(le)一-種(zhong)适合(he)采礦(kuang)和選(xuan)礦等(deng)安全(quan)要求(qiu)較高(gao)場所(suo)❌使🈲用(yong)的礦(kuang)用智(zhi)能化(hua)礦用(yong)電磁(ci)流量(liang)計電(dian)路的(de)設計(ji)方案(an),以及(ji)在測(ce)試中(zhong)遇到(dao)的問(wen)題與(yu)解決(jue)的方(fang)法,具(ju)有廣(guang)💚泛的(de)實用(yong)價值(zhi)。參考(kao)國内(nei)外同(tong)🈚類産(chan)品的(de)技術(shu)性能(neng)指标(biao)，采用(yong)直徑(jing)爲φ100mm鐵(tie)管或(huo)PVC塑料(liao)管做(zuo)測試(shi),并通(tong)過現(xian)場流(liu)速逐(zhu)點分(fen)布🈚測(ce)量,獲(huo)取若(ruo)幹組(zu)不同(tong)狀态(tai)下的(de)平均(jun)流速(su),通過(guo)計算(suan)機模(mo)拟來(lai)确定(ding)回歸(gui)方❗程(cheng)系數(shu),進而(er)來測(ce)量不(bu)同狀(zhuang)态下(xia)的流(liu)量值(zhi)。測試(shi)結果(guo)分析(xi)表明(ming),其可(ke)測流(liu)量範(fan)圍控(kong)制在(zai)0~120m/h,非♻️線(xian)性誤(wu)差爲(wei)0.8%。從性(xing)能❗指(zhi)标可(ke)以看(kan)出,該(gai)礦⛱️用(yong)電磁(ci)流量(liang)計🙇🏻已(yi)達到(dao)了國(guo)内外(wai)同類(lei)産品(pin)的水(shui)平。

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