礦用電磁流量計電路的設計與測量分析

 

近年來電磁流量計在工業領域中得到迅速的應用，特別是在河水輸送與污水排放流量的計量方面尤為突出，由于它測量靈活方便和靈敏度較高，工業上多用以測量各類水流、礦漿流等介質。然而，由于煤礦安全性的特殊要求，目前可用于煤礦井下的電磁流量計很少，如，不能滿足礦用防爆和本質安全要求、測量范圍窄以及傳輸信號易受外磁場干擾等。針對這些問題，研發了一種適合于礦用測流的電磁流量計電路。它采用新型單片機來控制，加之專用本安勵磁電路，具有實時檢測和及時顯示等多種功能，經過多家企業的試用，性能和技術指標已基本達到國內外同類產品的先進水平。

 

1 設計方案

 

1.1 設計思想

 

目前，我國礦用防爆電氣產品的安全類型主要以隔爆型和本質安全型為主。本安設計就是要嚴格控制電路各部分產生的電火花能量，因此在設計中采用了專用本安勵磁電路來防止勵磁電流引起電火花；采用新型低功耗單片機來控制整個裝置的工作，以保證其穩定性和可靠性；采用多種電磁屏蔽措施來防止靜電產生和電磁干擾，以保證電路的穩定工作。

 

1.2 系統電路硬件部分

 

（1）方框圖

 

裝置采用高速單片機模塊電路（STM32F407），它具有浮點運算能力強，超低功耗，功耗僅為38.6mA。用來控制整個電磁流量計，包括產生勵磁脈沖方波信號、接收來自探頭的反映流量大小的電壓信號、輸出4~20mA電流信號供模擬顯示儀表用，CPU模塊帶有各類接口電路（RS232、高速USB接口等）、操作鍵盤和顯示器接口電路等。方框圖如圖1所示。

 

 

 

圖1 系統方框圖

 

（2）傳感器

 

為了保證測量的精度，要求傳感器的探頭做成流線型，當探頭插入時對流體的影響很小，近似地認為是無阻流狀態。具體采用25.4mm不銹鋼管為探頭殼體，勵磁線圈芯采用軟磁鋼作鐵芯，線包，繞好后將它密封在一個呈流線型半球的高強度塑料殼內，上面有一對不銹鋼電極，與勵磁線圈相連。為避免探頭內感應發射信號引起的干擾，對信號發射引線、線圈與電極連線進行屏蔽處理。

 

（3）特殊的電路設計

 

①勵磁信號與驅動電路

 

為了保證探頭工作在無阻流狀態，探頭尺寸要盡量小，這樣所產生的勵磁電流也就小，要求后續的接收電路有足夠高的輸入阻抗，來保證傳感器的靈敏度及抗干擾性；為防止交流50Hz的工頻干擾，選用方波電流作為勵磁電流，其頻率可選用1/4的工頻頻率12.5Hz，有效地抑制工頻干擾。

 

勵磁信號由單片機內部生成，從第26腳輸出12.5Hz方波信號，接到IC5（LMD18200T）的3腳信號，它是勵磁線圈的驅動模塊電路，內部采用H橋式驅動，送出勵磁電流加到其2腳和10腳之間的勵磁線圈上。在勵磁線圈L上形成20~30mA正負對稱的方波電流，它與控制方波電壓同步。流體運動切割磁力線產生的方波電壓與勵磁電流完全保持同步，即與控制開關網絡的方波電壓保持同步，便于在接收電路中信號的同步解調。電路如圖2所示。

 

 

 

圖2 勵磁線圈驅動模塊電路

 

②本安型勵磁線圈電路

 

傳感器中勵磁電流是產生電火花的危險源，電磁流量計要用于礦井下，保證勵磁電路達到本質安全要求。當電流流過勵磁線圈時，在線圈內部會產生磁場，磁場貯存能量，當電路斷開時，儲存在線圈中的能量就會以火花的形式釋放出來，因此必須泄放線圈中的貯能才能達到本安的要求。采用了在線圈兩端并聯一個雙向二極管（TVS管P6KE6.8CA）作為續流支路，以泄放線圈儲存的磁能，降低通斷時的電火花，吸收電流，泄放能量。以達到本質安全的目的。

 

③傳感器放大電路

 

電路如圖3所示。IC2（SL28617）前置放大器用于放大傳感器送來的反映流量大小的電壓信號，改變圖中Rin和Rfb的阻值大小，可以改變該運算放大器的增益。S1是勵磁信號源，R17、R18是輸入偏置電阻，運放的9腳和16腳分別供±5V電壓，接在運放IC2輸出端的IC3（ADS8320）是16位高速的A/D轉換器，其轉換速度可達16kHz/s，接在前置放大器與A/D轉換器之間的IC12（ISL21090）是三端穩壓器。

 

 

 

圖3 傳感器放大電路

 

1.3 編制軟件

 

軟件流程圖如圖4所示。

 

 

 

圖4 軟件編制流程圖

 

 

 

在編制電磁流量軟件的過程中，首先要求對系統進行初始化、再對CPU進行初始化，由CPU輸出勵磁脈沖方波信號，控制LM8200產生勵磁電流驅動勵磁線圈。采集傳感器信號，使傳感器送出反映流量大小的電壓信號，經過IC2前置放大器放大該信號，再經16位A/D轉換器和SPI串口送入單片機進行處理，在單片機中要進行A/D實時采集、實時濾波和數據拼接和數據傳送，最后經過D/A轉換后，經過IC4轉換成4~20mA電流信號直接輸出或者以電壓形式輸出。

 

2 測試方法與結果分析

 

（1）流速υop和流量Qv

 

當環境處于紊流狀態時求測點處流速vop和流量Qv。選擇穩壓水塔和容積法來確定流速儀表的系數。其測試環境選擇是非常重要的。在測試時選擇內壁半徑R=50mm，且具有光滑內壁的塑料或金屬直管，并將探頭插入1/4的直徑處，即Rx=25mm，設與流體對應的雷諾數有關的n=7，因為該狀態接近紊流產生的條件，因此是比較理想的測試條件。

 

由穩壓水塔和容積時間法經驗公式得：

 

面平均流速

 

    （1）

 

式中  υmax——流體最流速。

 

被測點處流速

 

    （2）

 

由容積時間法測得。由面平均流速和被測點處流速可得；設流速分布系數，則；流量

 

    （3）

 

式中  S——所選管道的截面積。

 

插入式電磁流量計樣品的計算值υop與儀表測定電壓值Uo的關系如表1所示。

 

表1 插入式電磁流量計樣品的測量數據表

 

 

 

由表1利用二元一次線性回歸方程υop＝βUo+c來確定系數β和c，線性回歸系數比較表如表2所示。

 

表2 線性回歸系數比較表

 

 

 

平均值=1.1260258，c=-0.0065562，顯然c太小，因此可以忽略，則

 

    （4）

 

即測點處流速與儀表輸出電壓之間存在著簡單的線性關系，因此使用起來很方便。只要將β作為一個乘數設置到編程軟件中，即可直接讀出υop。

 

表3列出了由測點處流速讀出值υop=βUo與υop（理論值）之間的誤差Er，如表3所示。

 

表3 讀出值與理論值的比較表

 

 

 

從表3中可以看出，經理論計算與實際所測的數值接近，誤差在千分之幾的范圍內。

 

（2）面平均流速

 

當環境處于非理想紊流狀態時求面平均流速。如果現場是處于如彎頭或者閥門附近時，則可用二階回歸擬合方程式

 

 

 

系數k1，k1可由現場測得的數據求出。由于二階回歸方程是非線性方程，要將其轉化為線性方程，則

 

  

在測試時，可選擇現場每一個穩定的流速狀態，測定一組不同半徑處的流速，然后作流速分布圖，通過面積加權法，可求出一個面平均流速。由測得的υop（工作測點處的流速）和的一組數據，然后根據線性回歸方程公式求出一組k1，k2。最后取該組k1，k2的平均值，并將該值設置到編程軟件中，即可直接求出面平均流速。

 

3 結語

 

介紹了一種適合采礦和選礦等安全要求較高場所使用的礦用智能化電磁流量電路的設計方案，以及在測試中遇到的問題與解決的方法，具有廣泛的實用價值。參考國內外同類產品的技術性能指標，采用直徑為準100mm鐵管或PVC塑料管做測試，并通過現場流速逐點分布測量，獲取若干組不同狀態下的平均流速，通過計算機模擬來確定回歸方程系數，進而來測量不同狀態下的流量值。測試結果分析表明，其可測流量范圍控制在0~120m3/h，非線性誤差為0.8%。從性能指標可以看出，該礦用電磁流量計已達到了國內外同類產品的先進水平。