摘(zhai)要:針對(dui)礦用電(diàn)磁流量(liàng)計
由于(yú)其自身(shēn)原理特(te)性，長期(qī)以來一(yi)直限制(zhì)其在采(cǎi)礦和選(xuan)礦🌈等安(ān)全要求(qiú)較高場(chǎng)所使用(yòng)的現實(shi),提出了(le)一🐉種采(cai)❤️用新😘型(xing)單片機(jī)控制并(bìng)滿足礦(kuàng)用防爆(bào)和⚽本質(zhì)安全要(yào)求,實現(xian)測🈲定污(wu)水🏃和泥(ni)礦漿流(liú)量的電(dian)磁流量(liàng)計電路(lù)的實🙇♀️現(xian)方法,通(tōng)過設計(jì)發現該(gāi)電磁🐪流(liu)量計在(zai)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(háng)直線拟(ni)合後,其(qí)誤差可(ke)以控制(zhi)在0.8%以内(nèi)。
0引言
近(jin)年來礦(kuang)用電磁(ci)流量計(jì)在工業(ye)領域中(zhong)得到迅(xùn)速🏃的🔴應(ying)用,特别(bie)是在河(hé)水輸送(song)與污水(shui)排放流(liú)量的計(jì)♍量方面(miàn)突出，由(you)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(ce)量各類(lei)水流、礦(kuàng)漿流等(děng)介質。然(ran)而，由于(yú)煤礦安(ān)全性的(de)特殊要(yào)求,目前(qián)可用于(yu)煤礦井(jǐng)下的電(diàn)磁流量(liang)計很少(shǎo),如,不能(néng)滿足礦(kuang)用防爆(bao)和本質(zhì)安全要(yao)求、測量(liang)範圍窄(zhǎi)以及傳(chuan)輸信号(hào)易受外(wài)磁⁉️場幹(gan)擾等。針(zhēn)對這些(xie)問題,研(yán)發了一(yi).種适合(hé)于礦用(yòng)❓測☀️流的(de)電磁流(liú)量計電(dian)路。
1設計(jì)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(quán)類型主(zhǔ)要;以隔(ge)爆型和(he)本質安(an)全型爲(wèi)主。本安(an)設計就(jiù)是要嚴(yán)格控制(zhì)電路各(ge)部分産(chan)生的電(diàn)火花能(neng)量,因此(ci)在設計(ji)中采用(yòng)了專用(yòng)本安勵(li)磁電路(lu)來防止(zhi)勵磁電(dian)流引起(qi)電火花(hua);采用新(xīn)型低功(gōng)耗單片(pian)機來控(kong)制整個(gè)裝置的(de)工作,以(yǐ)保證其(qi)穩定性(xìng)和可靠(kào)性;采用(yong)多種電(diàn)磁屏蔽(bi)措施🌈來(lai)防止靜(jing)電産生(sheng)和電磁(cí)幹擾，以(yi)保證電(dian)路的穩(wěn)定工作(zuo)。
1.2系統電(dian)路硬件(jiàn)部分
(1)方(fang)框圖
裝(zhuāng)置采用(yong)高速單(dān)片機模(mó)塊電路(lù)(STM32F407),它具有(you)浮點運(yùn)算💃🏻能🔞力(lì)強，超低(dī)功耗,功(gong)耗僅爲(wei)38.6mA。用來控(kong)制整個(ge)電磁流(liú)量計🚶♀️，包(bao)括✔️産生(sheng)勵磁🔞脈(mo)沖方波(bo)信号、接(jie)收來自(zi)探頭的(de)反映流(liú)量大小(xiao)的電💔壓(ya)信号、輸(shu)出4~20mA電流(liú)信号供(gòng)模拟顯(xian)示儀⛱️表(biǎo)用,CPU模塊(kuài)帶有各(gè)類❗接口(kou)電路(RS232、高(gāo)速USB接口(kou)💛等).操作(zuo)鍵盤和(he)顯示器(qi)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(liàng)的精度(du)，要求傳(chuán)感器的(de)探頭做(zuò)成流線(xiàn)型👈，當探(tàn)頭🔞插人(rén)時對流(liú)體的影(yǐng)響很小(xiǎo),近似，地(di)認爲是(shì)無阻流(liu)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(xiàn)圈芯采(cai)用軟磁(cí)鋼作鐵(tiě)芯,線包(bāo)，繞好後(hòu)将它密(mi)封在-一(yī)個呈流(liú)線型半(bàn)球的高(gāo)強度塑(su)🈲料殼内(nei),上面有(you)一-對不(bú)鏽鋼電(diàn)極,與🍓勵(lì)磁線圈(quān)相🈲連。爲(wèi)避免探(tan)♋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(xiàn)圈與電(dian)極連線(xiàn)進行屏(píng)蔽處理(li)。
(3)特殊的(de)電路設(she)計
①勵磁(ci)信号與(yu)驅動電(diàn)路
爲了(le)保證探(tàn)頭工作(zuo)在無阻(zu)流狀态(tài),探頭尺(chi)寸要盡(jìn)量小，這(zhè)樣🐇所産(chan)生的勵(li)磁電流(liú)也就小(xiao),要求後(hòu)續的接(jie)收電路(lu)有足夠(gou)高的輸(shu)人阻抗(kang),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(yòng)方波電(dian)流📧作爲(wèi)勵磁電(dian)流，其頻(pin)率可選(xuan)用1/4的工(gong)頻頻💋率(lǜ)12.5Hz,有效地(dì)抑😘制工(gōng)頻幹擾(rǎo)。
勵磁信(xìn)号由單(dān)片機内(nei)部生成(chéng),從第26腳(jiǎo)輸出12.5Hz方(fang)波信号(hao)❗,接到IC5(LMD18200T)的(de)3腳✌️信号(hao),它是勵(lì)磁線圈(quān)的驅動(dong)模塊電(dian)路,内部(bù)采用H橋(qiao)式驅動(dong)，送出勵(li)磁電流(liu)加到其(qí)2腳和10腳(jiǎo)之間的(de)勵磁線(xiàn)圈上。在(zai)勵磁線(xiàn)圈L上形(xing)🐆成20~30mA正負(fù)對稱的(de)方波電(diàn)流,它與(yu)控制方(fāng)波電壓(ya)同步。流(liu)體運動(dòng)切割磁(ci)力線産(chan)生的方(fang)波電壓(ya)與勵磁(ci)電流完(wán)全保持(chi)同步，即(ji)與控制(zhì)開關網(wǎng)絡的方(fang)波電壓(ya)保持同(tong)步,便于(yu)在接收(shōu)電路中(zhōng)🔞信号的(de)同步解(jie)調。電路(lu)如圖2所(suo)示。
傳感(gan)器中勵(lì)磁電流(liu)是産生(sheng)電火花(hua)的危險(xian)源,電磁(ci)流量計(ji)要用于(yú)礦井下(xia),保證勵(li)磁電路(lu)達到本(běn)質安全(quan)要求。當(dāng)電流流(liu)過勵磁(ci)線圈時(shi),在線圈(quan)内部會(huì)産生磁(ci)場,磁場(chǎng)貯存能(neng)量,當電(diàn)路斷開(kai)時,儲存(cun)在線圈(quān)中的能(néng)量就會(hui)以火花(hua)的形式(shi)釋放出(chu)來，因此(cǐ)必須洩(xiè)放線圈(quan)中的貯(zhù)能才能(néng)達到本(běn)安的要(yao)求。采用(yòng)了在線(xian)圈兩端(duan)并聯-一(yī)個雙向(xiang)二極管(guǎn)(TVS管P6KE6.8CA)作爲(wèi)續流支(zhi)路,以洩(xiè)放線圈(quān)儲存的(de)磁能,降(jiàng)低通斷(duan)時的電(diàn)火花,吸(xi)收電流(liu),洩放能(neng)量🐪。以達(dá)到本質(zhì)安全的(de)目的。
③傳(chuan)感器放(fàng)大電路(lu)
電路如(rú)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(gǎi).變圖中(zhong)Rm和R。的阻(zǔ)值🌈大小(xiao)📐，可以改(gai)變💞該運(yùn)算放大(dà)器的增(zeng)益。S1是勵(li)磁信号(hào)源,R17、R18是輸(shu)人偏置(zhì)電阻,運(yùn)放的9腳(jiǎo)和16腳分(fen)别供+5V電(dian)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(zhuǎn)換器,其(qi)㊙️轉換速(su)度可達(dá)16kHz/s,接在前(qian)置放大(dà)器與A/D轉(zhuan)換器之(zhī)間的IC12(ISL21090)是(shi)三端穩(wěn)壓器。
1.3編(biān)制軟件(jiàn)
軟件流(liú)程圖如(ru)圖4所示(shi)。
在編制(zhì)礦用電(diàn)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(chu)始化,由(you)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(li)磁線圈(quan)💘。采集傳(chuan)感器信(xin)号,使傳(chuán)感器送(sòng)出反映(ying).流量大(da)小的電(diàn)壓信号(hào)，經過IC2前(qian)置🤞放大(dà)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(li)，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(ju)傳送，最(zui)後經過(guò)D/A轉換後(hou)🐉,經過IC4轉(zhuǎn)換成4~20mA電(diàn)流📞信号(hào)直接輸(shu)出或者(zhě)以電壓(yā)形式輸(shu)出。
2測試(shì)方法與(yu)結果分(fen)析
(1)流速(sù)0p和流量(liàng)Q、
當環境(jing)處于紊(wěn)流狀态(tài)時求測(ce)點處流(liú)速vp和流(liu)量Q.。選擇(ze)穩壓水(shui)塔🏃♂️和容(róng)積法來(lai)确定流(liu)速儀表(biǎo)的系數(shu)。其測試(shi)環境🍉選(xuǎn)擇💔是非(fēi)常重要(yao)的。在測(ce)試時選(xuǎn)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(shu)🙇♀️直管,并(bìng)将探頭(tou)插人1/4的(de)直徑處(chù),即R,=25mm,設與(yu)流體對(duì)應的雷(léi)諾數有(yǒu)關🏃♂️的n=7,因(yin)爲該狀(zhuàng)态接近(jin)紊流産(chan)生的條(tiao)件，因此(ci)是比較(jiào)理想的(de)測試🔴條(tiao)件。由穩(wěn)壓水塔(tǎ)和容積(ji)時間法(fa)經驗公(gong)式得:
面(miàn)平均流(liu)速
插入(rù)式電磁(cí)流量計(ji)
樣品的(de)計算值(zhí)vop與儀表(biǎo)測定電(dian)壓值U。的(de)關系如(rú)表1所示(shi)👄。
即測點(dian)處流速(sù)與儀表(biǎo)輸出電(diàn)壓之間(jian)存在着(zhe)簡單的(de)線性關(guan)⁉️系，因此(ci)使用起(qǐ)來很方(fāng)便。隻要(yao)将β作爲(wèi)--個乘數(shù)設置到(dao)編程軟(ruǎn)⛷️件中,即(ji)可直接(jie)讀出vqpo
表(biǎo)3列出了(le)由測點(dian)處流速(su)讀出值(zhi)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(yǐ)看出,經(jing)理論計(jì)算與實(shí)際所測(cè)的數值(zhí)接近,誤(wu)差在🐉千(qian)分之幾(ji)的範圍(wei)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(qiú)面平均(jun1)流速，`?。如(rú)果🈲現場(chang)是👣處于(yú)如彎頭(tóu)或者閥(fá)門附近(jìn)時,則可(kě)用階♻️回(hui)歸拟合(he)方程👄式(shi)
在測試(shì)時，可選(xuan)擇現場(chǎng)每一個(ge)穩定的(de)流速狀(zhuàng)态,測定(ding)一👣組💃不(bú)同🔴半徑(jìng)處的流(liú)速，然後(hou)作流速(sù)分布圖(tu),通👉過面(mian)積加權(quán)法,可求(qiú)出一個(gè)面平均(jun1)流速`?。由(you)測得的(de)`?op(工作測(ce)點處的(de)流速)和(hé)元的一(yī)組數據(ju),然後根(gen)據線性(xìng)回歸方(fang)程公式(shì)求出一(yi)-組kr,k2。最後(hou)取該組(zu)k1,k2的平均(jun1)值,并将(jiāng)該值設(shè)置到編(bian)程軟件(jiàn)中，即可(ke)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(kuang)等安全(quán)要求較(jiào)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(fang)案,以及(jí)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(shí)用價值(zhi)。參考國(guo)🔆内外同(tóng)類産品(pin)的技📧術(shù)性能指(zhi)💋标，采用(yong)直徑爲(wèi)φ100mm鐵管🏃🏻或(huò)PVC塑料管(guǎn)做測試(shì),并通過(guò)現場流(liú)📱速逐點(diǎn)分布測(ce)量,獲取(qu)若幹組(zǔ)不同狀(zhuang)态下的(de)平均🔞流(liú)速,通過(guo)計算機(jī)模拟來(lai)确定回(hui)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(cè)流量範(fan)圍控制(zhì)在0~120m/h,非線(xiàn)性誤差(cha)爲0.8%。從性(xìng)能指标(biao)可以看(kàn)出,該礦(kuàng)用電磁(cí)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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