摘(zhāi)要:針對(dui)礦用電(diàn)磁流量(liang)計 由于(yú)其自身(shēn)原理特(te)性，長期(qi)以來一(yī)直限制(zhì)其在采(cai)礦和🔞選(xuǎn)礦等安(ān)全要求(qiú)較高場(chang)所使用(yong)的現實(shi),提出🆚了(le)一種采(cǎi)用新型(xíng)單片機(jī)控制并(bing)滿足礦(kuàng)用防爆(bào)和本質(zhì)安全要(yào)求,實現(xian)測定污(wū)水和泥(ní)礦漿流(liu)量的電(dian)📱磁流量(liang)計電路(lu)的實👈現(xian)方法,通(tong)過設計(ji)發現該(gai)電磁流(liú)量計在(zài)測量過(guo)程中,所(suǒ)得到的(de)實測數(shù)據經最(zui)小二乘(chéng)法進行(hang)直㊙️線拟(ni)合後,其(qi)誤🔞差可(ke)以控制(zhì)在0.8%以内(nei)🔞。
0引言
　　近(jìn)年來礦(kuang)用電磁(ci)流量計(jì)在工業(yè)領域中(zhōng)得到迅(xun)速的應(ying)用,特别(bié)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻是在河(hé)水輸送(song)與污水(shuǐ)排放流(liú)量的計(jì)量方面(miàn)突出，由(yóu)于它♊測(cè)量靈活(huo)方便和(hé)靈敏度(du)較高,工(gōng)業上多(duo)用以測(cè)量各類(lei)水流、礦(kuang)漿流等(děng)介質。然(ran)而，由于(yú)煤礦安(an)全性的(de)特殊要(yao)求,目前(qián)可用于(yu)煤礦井(jing)♍下的電(diàn)磁流量(liang)計很少(shao),如,不能(néng)滿足礦(kuang)用防爆(bào)和本質(zhì)安全要(yào)求♈、測量(liang)範圍窄(zhai)以及傳(chuán)輸信号(hào)易受外(wai)磁🤟場幹(gàn)擾等。針(zhēn)對這些(xiē)問題,研(yán)發了一(yī).種适合(he)于礦用(yòng)測流的(de)電磁流(liú)量計電(dian)路。
1設計(ji)方案
1.1設(shè)計思想(xiǎng)
　　目前,我(wǒ)國礦用(yòng)防爆電(diàn)氣産品(pǐn)的安全(quan)類型主(zhǔ)要;以隔(gé)🌈爆型和(hé)本質安(ān)全型爲(wei)主。本安(an)設計就(jiù)是要嚴(yan)格🈚控制(zhì)電路各(gè)部分産(chan)生的電(dian)火花能(neng)量,因此(ci)在設計(ji)中采用(yong)了專用(yong)🌍本安勵(lì)磁電路(lu)🆚來防止(zhi)勵磁電(diàn)流引㊙️起(qi)電火花(hua);采用新(xin)型😘低功(gōng)耗單🈚片(pian)機來控(kong)制整個(gè)裝置的(de)工作,以(yi)保證其(qi)穩定性(xing)和可靠(kào)性;采用(yong)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(jiàn)部分
(1)方(fāng)框圖
　　裝(zhuāng)置采用(yòng)高速單(dān)片機模(mo)塊電路(lu)(STM32F407),它具有(yǒu)浮點運(yun)算🆚能力(li)強，超低(di)功耗,功(gōng)耗僅爲(wei)38.6mA。用來控(kong)制整個(ge)電磁流(liu)量計，包(bāo)括🐪産生(shēng)勵磁脈(mo)沖方波(bo)信号、接(jiē)收來自(zì)探頭的(de)反映流(liu)量大小(xiǎo)的電壓(yā)信号、輸(shū)出4~20mA電流(liú)信号供(gong)模拟顯(xiǎn)示儀✔️表(biao)用,CPU模塊(kuài)帶有各(gè)類接口(kǒu)電路(RS232、高(gāo)速USB接口(kǒu)㊙️等).操作(zuò)鍵盤和(he)顯示器(qì)接🙇🏻口電(diàn)路等。方(fāng)框圖如(rú)圖1所示(shi)。

(2)傳感器(qì)
　　爲了保(bǎo)證測量(liang)的精度(dù)，要求傳(chuan)感器的(de)探頭做(zuo)成流線(xiàn)型，當探(tàn)頭💃插人(ren)時對流(liú)體的影(ying)響很小(xiao),近似，地(dì)認爲是(shi)無阻流(liú)狀态。具(jù)體采用(yòng)25.4mm不鏽鋼(gang)管爲探(tan)頭殼體(ti)，勵磁線(xian)圈芯采(cǎi)用軟磁(cí)🌈鋼作鐵(tie)☁️芯,線包(bāo)㊙️，繞好後(hòu)将它密(mi)封在-一(yi)🔞個呈流(liú)線型半(ban)球的高(gāo)強度塑(su)料殼内(nei),上面有(yǒu)一-對不(bú)鏽鋼電(dian)極,與勵(lì)磁線圈(quan)相連。爲(wei)避免探(tàn)💞頭内感(gan)應發射(shè)信号引(yin)起的幹(gàn)擾,對信(xìn)号發射(she)🈲引線、線(xian)圈與電(diàn)極連線(xiàn)🈚進行屏(píng)👨‍❤️‍👨蔽處理(lǐ)。
(3)特殊的(de)電路設(shè)計
①勵磁(ci)信号與(yu)驅動電(dian)路
　　爲了(le)保證探(tan)頭工作(zuo)在無阻(zǔ)流狀态(tai),探頭尺(chǐ)寸要盡(jin)🔱量小🌈，這(zhè)樣所産(chǎn)生的勵(li)磁電流(liú)也就小(xiǎo),要求後(hou)續的✉️接(jie)收🌈電路(lù)有足夠(gou)高的輸(shu)人阻抗(kàng),來保證(zhèng)傳感器(qi)的靈敏(mǐn)度及抗(kang)幹擾性(xing);爲防止(zhǐ)交流50Hz的(de)工頻幹(gan)擾,選用(yòng)方波電(diàn)流作爲(wei)勵磁電(diàn)流，其頻(pín)率可選(xuǎn)用1/4的工(gong)頻頻率(lü)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(fang)波信号(hao),接到IC5(LMD18200T)的(de)3腳信号(hào),它是勵(lì)磁線圈(quan)的驅動(dòng)模塊電(dian)路,内部(bu)采用H橋(qiáo)式驅動(dong)，送出💰勵(lì)磁電流(liu)加到其(qí)2腳和10腳(jiao)之間的(de)勵磁線(xiàn)圈上。在(zai)勵磁線(xiàn)❤️圈L上形(xíng)成20~30mA正負(fu)對稱的(de)方波電(dian)流,它與(yu)控制方(fang)波電壓(yā)同步。流(liú)體運動(dòng)切🙇‍♀️割磁(cí)力線産(chan)生的方(fang)波電壓(yā)與勵磁(ci)電💋流完(wan)全保持(chi)同步，即(jí)與控🤟制(zhì)💛開關網(wang)絡的方(fang)波電壓(ya)保持同(tóng)步,便于(yú)在接收(shou)電路中(zhong)信号的(de)同步解(jiě)調。電路(lù)如圖2所(suo)示。

　　傳感(gǎn)器中勵(lì)磁電流(liu)是産生(sheng)電火花(huā)的危險(xian)源,電磁(cí)流量計(ji)要用于(yú)礦井下(xià),保證勵(li)磁電路(lù)達到本(ben)質安全(quan)要求。當(dang)電流流(liu)過勵磁(cí)線圈時(shi),在線圈(quan)内部會(huì)産⛷️生磁(cí)場,磁場(chang)貯存能(néng)量🐆,當電(diàn)路斷開(kai)時,儲存(cún)在線圈(quān)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(xiè)放線圈(quan)中的貯(zhù)能才能(néng)🔞達到本(ben)安的要(yao)求。采用(yong)了📞在線(xiàn)圈兩端(duān)并聯-一(yi)個雙向(xiang)二極管(guǎn)(TVS管P6KE6.8CA)作爲(wèi)續流支(zhī)路,以洩(xiè)放線圈(quān)儲存的(de)磁能,降(jiàng)低通⭐斷(duan)時的電(dian)火花,吸(xī)收電流(liu),洩放能(neng)量。以達(dá)到本質(zhi)安全的(de)目的。
③傳(chuan)感器放(fang)大電路(lù)
　　電路如(ru)圖3所示(shì)。IC2(SL28617)前置放(fàng)大器用(yong)于放大(da)傳感器(qì)送來的(de)反映流(liú)量大小(xiao)的電壓(yā)信号,改(gai).變圖中(zhōng)Rm和R。的阻(zu)值大小(xiǎo)，可以改(gai)變該運(yun)算放大(da)器的增(zeng)益。S1是勵(li)磁信号(hao)源,R17、R18是輸(shū)人偏置(zhì)電阻,運(yun)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(gāo)速的A/D轉(zhuan)換器,其(qí)轉換速(sù)度可達(da)16kHz/s,接在前(qián)🈲置放大(da)器與🚩A/D轉(zhuǎn)換器之(zhi)間的IC12(ISL21090)是(shi)三端穩(wen)壓器。

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

　　在編制(zhi)礦用電(diàn)磁流量(liàng)計軟件(jiàn)的過程(cheng)中,首先(xiān)要求對(duì)👨‍❤️‍👨系統進(jin)行初始(shǐ)化、再對(dui)CPU進行初(chu)始化,由(yóu)CPU輸出勵(lì)磁脈沖(chòng)方波信(xin)号,控制(zhì)LM8200産生📧勵(lì)磁電流(liú)驅動勵(lì)磁線圈(quān)。采集傳(chuan)感器信(xìn)号,使傳(chuan)✍️感器送(sòng)出反映(yìng).流量大(dà)小的電(diàn)壓信号(hao)，經過IC2前(qian)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(jìn)行處理(lǐ)，在單片(piàn)機中要(yào)♻️進行A/D實(shi)時采集(jí)、實時濾(lü)波和數(shu)⭐據拼接(jiē)和數據(ju)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(yā)形式輸(shū)出。
2測試(shi)方法與(yu)結果分(fen)析
(1)流速(su)0p和流量(liang)Q、
　　當環境(jing)處于紊(wěn)流狀态(tai)時求測(ce)點處流(liu)速vp和流(liú)量Q.。選擇(zé)穩壓水(shuǐ)塔和容(róng)積法來(lai)确定流(liu)速儀表(biǎo)的系數(shu)。其😘測試(shì)環境選(xuǎn)擇是非(fēi)常重要(yào)的。在測(cè)試時選(xuan)擇内壁(bì)半徑R=50mm,且(qie)具有光(guāng)滑内壁(bì)☔的塑料(liao)㊙️或金屬(shu)🤩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(léi)諾數有(yǒu)關的n=7,因(yin)爲該狀(zhuang)态接近(jin)紊流産(chan)生的條(tiao)件，因此(ci)是比較(jiao)理想的(de)測試條(tiao)件。由穩(wěn)壓水塔(tǎ)和容積(ji)時間法(fǎ)㊙️經驗公(gōng)式得:
面(mian)平均流(liu)速

　　插入(ru)式電磁(ci)流量計(jì) 樣品的(de)計算值(zhí)vop與儀表(biao)測定電(diàn)壓值U。的(de)關系如(ru)表1所📧示(shi)。

　　即測點(diǎn)處流速(sù)與儀表(biǎo)輸出電(diàn)壓之間(jiān)存在着(zhe)簡單的(de)線性關(guān)系，因此(ci)使用起(qǐ)來很方(fāng)便。隻要(yao)将β作爲(wèi)--個🔆乘數(shu)設置到(dao)編程軟(ruan)件中,即(jí)可直接(jiē)讀出vqpo
　　表(biao)3列出了(le)由測點(diǎn)處流速(su)讀出值(zhí)0p=BU。與Uop(理論(lùn)值)之間(jiān)的誤差(cha)E,如表3所(suǒ)示。
　　從表(biao)3中可以(yǐ)看出,經(jing)理論計(ji)算與實(shi)際所測(ce)的數值(zhi)接近,誤(wù)差在千(qiān)分之幾(ji)的範圍(wéi)内。

(2)面平(ping)均流速(su)元
　　當環(huán)境處于(yu)非理想(xiang)紊流狀(zhuàng)态時求(qiu)面平均(jun)流速，`?。如(rú)果現場(chǎng)是處于(yu)如彎頭(tóu)或者閥(fa)門附近(jin)時,則可(ke)用階回(huí)歸拟合(hé)🈲方程式(shi)

　　在測試(shì)時，可選(xuǎn)擇現場(chang)每一個(ge)穩定的(de)流速狀(zhuàng)态,測定(ding)❗一😄組不(bu)同半徑(jìng)處的流(liu)速，然後(hou)作流速(su)分布圖(tú),通過面(miàn)積加權(quan)法,可求(qiú)出一個(ge)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(ju)✨,然後根(gēn)據線性(xing)回歸方(fāng)程公式(shì)求出一(yi)-組kr,k2。最後(hou)取該組(zu)k1,k2的平均(jun)值💋,并将(jiāng)該值設(she)✍️置到編(bian)程軟件(jian)中，即可(kě)直接求(qiu)出面平(ping)均流速(su)元。
3結語(yǔ)
　　介紹了(le)一-種适(shi)合采礦(kuàng)和選礦(kuang)等安全(quan)要求較(jiao)高場所(suo)使用的(de)礦用智(zhi)能化礦(kuang)用電磁(cí)流量計(jì)電路的(de)設🔞計方(fāng)案,以及(ji)在測試(shì)中遇到(dao)的問題(ti)與解決(jue)的方法(fa)🙇‍♀️,具有廣(guǎng)⚽泛的實(shí)🐆用價值(zhi)🐕。參考國(guo)内外同(tong)類産品(pǐn)的技術(shu)性能指(zhi)标，采用(yòng)直徑爲(wei)φ100mm鐵管或(huo)PVC塑料管(guan)做測試(shì),并通過(guò)現場流(liú)速逐點(dian)分布♋測(ce)量,獲取(qu)若幹組(zǔ)不同狀(zhuang)态下的(de)平均✂️流(liu)速,通過(guo)計算機(ji)模拟來(lai)确定回(huí)🐅歸方👉程(chéng)系數,進(jin)而來測(ce)量不同(tóng)狀态下(xia)的流量(liàng)值。測試(shì)結果分(fèn)析表明(míng),其可測(ce)流量範(fàn)圍控制(zhi)在0~120m/h,非線(xiàn)性誤差(cha)爲0.8%。從性(xing)能指标(biāo)可以看(kàn)出,該礦(kuang)用電磁(ci)流量計(jì)🏃已達到(dao)了國内(nei)外同類(lèi)産品的(de)水平。

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