矿用电磁流量计电路的设计与测量分析
发布时间：
2018-09-04
0 引言
近年来电磁流量计在工业领域中得到迅速的应用，特别是在河水输送与污水排放流量的计量方面尤为突出，由于它测量灵活方便 和灵敏度较高，工业上多用以测量各类水流、矿浆流等介质。然而，由于煤矿安全性的特殊要求，目前可用于煤矿井下的电磁流量计很少，如，不能满足矿用防爆和 本质安全要求、测量范围窄以及传输信号易受外磁场干扰等。针对这些问题，研发了一种适合于矿用测流的电磁流量计电路。它采用新型单片机来控制，加之专用本 安励磁电路，具有实时检测和及时显示等多种功能，经过多家企业的试用，性能和技术指标已基本达到国内外同类产品的先进水平。
1 设计方案
1.1 设计思想
目前，我国矿用防爆电气产品的安全类型主要以隔爆型和本质安全型为主。本安设计就是要严格控制电路各部分产生的电火花能量，因此在设计中采用了专用 本安型励磁电路来防止励磁电流引起电火花；采用新型低功耗单片机来控制整个装置的工作，以保证其稳定性和可靠性；采用多种电磁屏蔽措施来防止静电产生和电磁 干扰，以保证电路的稳定工作。
1.2 系统电路硬件部分
（1）方框图
装置采用高速单片机模块电路（STM32F407），它具有浮点运算能力强，超低功耗，功耗仅为38.6mA。用来控制整个电磁流量计，包括产生励 磁脉冲方波信号、接收来自探头的反映流量大小的电压信号、输出4~20mA电流信号供模拟显示仪表用，CPU模块带有各类接口电路（RS232、高速 USB接口等）、操作键盘和显示器接口电路等。
（2）传感器
为了保证测量的精度，要求传感器的探头做成流线型，当探头插入时对流体的影响很小，近似地认为是无阻流状态。具体采用25.4mm不锈钢管为探头壳 体，励磁线圈芯采用软磁钢作铁芯，线包，绕好后将它密封在一个呈流线型半球的高强度塑料壳内，上面有一对不锈钢电极，与励磁线圈相连。为避免探头内感应发 射信号引起的干扰，对信号发射引线、线圈与电极连线进行屏蔽处理。
（3）特殊的电路设计
①励磁信号与驱动电路
为了保证探头工作在无阻流状态，探头尺寸要尽量小，这样所产生的励磁电流也就小，要求后续的接收电路有足够高的输入阻抗，来保证传感器的灵敏度及抗 干扰性；为防止交流50Hz的工频干扰，选用方波电流作为励磁电流，其频率可选用1/4的工频频率12.5Hz，有效地抑制工频干扰。
励磁信号由单片机内部生成，从第26脚输出12.5Hz方波信号，接到IC5（LMD18200T）的3脚信号，它是励 磁线圈的驱动模块电路，内部采用H桥式驱动，送出励磁电流加到其2脚和10脚之间的励磁线圈上。在励磁线圈L上形成20~30mA正负对称的方波电流，它 与控制方波电压同步。流体运动切割磁力线产生的方波电压与励磁电流完全保持同步，即与控制开关网络的方波电压保持同步，便于在接收电路中信号的同步解调。
②本安型励磁线圈电路
传感器中励磁电流是产生电火花的危险源，电磁流量计要用于矿井下，保证励磁电路达到本质安全要求。当电流流过励磁线圈 时，在线圈内部会产生磁场，磁场贮存能量，当电路断开时，储存在线圈中的能量就会以火花的形式释放出来，因此必须泄放线圈中的贮能才能达到本安的要求。采 用了在线圈两端并联一个双向二极管（TVS管P6KE6.8CA）作为续流支路，以泄放线圈储存的磁能，降低通断时的电火花，吸收电流，泄放能量。以达到 本质安全的目的。
③传感器放大电路
IC2（SL28617）前置放大器用于放大传感器送来的反映流量大小的电压信号，改变图中Rin和 Rfb的阻值大小，可以改变该运算放大器的增益。S1是励磁信号源，R17、R18是输入偏置电阻，运放的9脚和16脚分别供±5V电压，接在运放IC2 输出端的IC3（ADS8320）是16位高速的A/D转换器，其转换速度可达16kHz/s，接在前置放大器与A/D转换器之间的 IC12（ISL21090）是三端稳压器。
1.3 编制软件
在编制电磁流量软件的过程中，首先要求对系统进行初始化、再对CPU进行初始化，由CPU输出励磁脉冲方波信号，控制 LM8200产生励磁电流驱动励磁线圈。采集传感器信号，使传感器送出反映流量大小的电压信号，经过IC2前置放大器放大该信号，再经16位A/D转换器 和SPI串口送入单片机进行处理，在单片机中要进行A/D实时采集、实时滤波和数据拼接和数据传送，最后经过D/A转换后，经过IC4转换成4~20mA 电流信号直接输出或者以电压形式输出。
2 测试方法与结果分析
（1）流速υop和流量Qv
当环境处于紊流状态时求测点处流速vop和流量Qv。选择稳压水塔和容积法来确定流速仪表的系数。其测试环境选择是非常 重要的。在测试时选择内壁半径R=50mm，且具有光滑内壁的塑料或金属直管，并将探头插入1/4的直径处，即Rx=25mm，设与流体对应的雷诺数有关 的n=7，因为该状态接近紊流产生的条件，因此是比较理想的测试条件。
由稳压水塔和容积时间法经验公式得：
面平均流速
（1）
式中 υmax——流体最大流速。
被测点处流速
（2）
由容积时间法测得。由面平均流速和被测点处流速可得；设流速分布系数，则；流量
（3）
式中 S——所选管道的截面积。
插入式电磁流量计样品的计算值υop与仪表测定电压值Uo的关系。
利用二元一次线性回归方程υop＝βUo+c来确定系数β和c，线性回归系数比较表如表2所示。
平均值=1.1260258，c=-0.0065562，显然c太小，因此可以忽略，则
（4）
即测点处流速与仪表输出电压之间存在着简单的线性关系，因此使用起来很方便。只要将β作为一个乘数设置到编程软件中，即可直接读出υop。
由测点处流速读出值υop=βUo与υop（理论值）之间的误差Er。
经理论计算与实际所测的数值接近，误差在千分之几的范围内。
（2）面平均流速
当环境处于非理想紊流状态时求面平均流速。如果现场是处于如弯头或者阀门附近时，则可用二阶回归拟合方程式
系数k1，k1可由现场测得的数据求出。由于二阶回归方程是非线性方程，要将其转化为线性方程，则
（5）
在测试时，可选择现场每一个稳定的流速状态，测定一组不同半径处的流速，然后作流速分布图，通过面积加权法，可求出一个面平均流速。由测得的υop（工作测点处的流速）和的一组数据，然后根据线性回归方程公式求出一组k1，k2。最后取该组k1，k2的平均值，并将该值设置到编程软件中，即可直接求出面平均流速。
3 结语
介绍了一种适合采矿和选矿等安全要求较高场所使用的矿用智能化电磁流量电路的设计方案，以及在测试中遇到的问题与解决的方法，具有广泛的实用价值。 参考国内外同类产品的技术性能指标，采用直径为准100mm铁管或PVC塑料管做测试，并通过现场流速逐点分布测量，获取若干组不同状态下的平均流速，通 过计算机模拟来确定回归方程系数，进而来测量不同状态下的流量值。测试结果分析表明，其可测流量范围控制在0~120m3/h，非线性误差为0.8%。从 性能指标可以看出，该矿用电磁流量计已达到了国内外同类产品的先进水平。
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