矿用电磁流量计电路的设计与测量分析

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。方框图如图1所示。



图1 系统方框图

（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。电路如图2所示。



图2 励磁线圈驱动模块电路

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，磁场储存能量，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储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

电路如图3所示。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。



图3 传感器放大电路

1.3 编制软件

软件流程图如图4所示。



图4 软件编制流程图



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，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的关系如表1所示。

表1 插入式电磁流量计样品的测量数据表



由表1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。

表2 线性回归系数比较表



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。

表3列出了由测点处流速读出值υop=βUo与υop（理论值）之间的误差Er，如表3所示。

表3 读出值与理论值的比较表



从表3中可以看出，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


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。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。




矿用电磁流量计电路的设计与测量分析
449


0 引言

近年来电磁流量计在工业范畴中获得敏捷的应用，特别是在河水输送与污水排放流量的计量方面尤为凸起，因为它测量灵活便利和灵敏度较高，工业上多用以测量各类水流、矿浆流等介质。然而，因为煤矿安然性的特别请求，今朝可用于煤矿井下的电磁流量计很少，如，不克不及知足矿用和本质安然请求、测量范围窄以及传输旌旗灯号易受外磁场干扰等。针对这些问题，研发了一种合适于矿用测流的电磁流量计电路。它采取新型单片机来控制，加之专用本安励磁电路，具有及时检测和及时显示等多种功能，经由多家企业的试用，机能和技巧指标已根本达到国表里同类产品的先辈程度。

1 设计筹划

1.1 设计思惟

今朝，我国矿用电气产品的安然类型重要以隔爆型和本质安然型为主。本安设计就是要严格控制电路各部分产生的电火花能量，是以在设计中采取了专用本安励磁电路来防止励磁电流引起电火花；采取新型低功耗单片机来控制全部装配的工作，以包管其稳定性和靠得住性；采取多种电磁樊篱办法来防止静电产生和电磁干扰，以包管电路的稳定工作。

1.2 体系电路硬件部分

（1）方框图

装配采取高速单片机模块电路（STM32F407），它具有浮点运算才能强，超低功耗，功耗仅为38.6mA。用来控制全部电磁流量计，包含产生励磁脉冲方波旌旗灯号、接收来自探头的反应流量年夜小的电压旌旗灯号、输出4~20mA电流旌旗灯号供模仿显示仪表用，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。方框图如图1所示。



图1 体系方框图

（2）传感器

为了包管

矿用高压型智能电磁流量计，矿用高压型智能电磁流量计专业厂家
矿用高压型智能电磁流量计的详细资料：
XY-LDE智能电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线，属国内首创，技术达到国内水平。
XY-LDE智能电磁流量计在满足现场显示的同时，还可以输出4～20mA电流信号供记录、调节和控制用，现已广泛地应用于化工、环保、冶金、医、造纸、给排水等工业技术和管理部门。
XY-LDE智能电磁流量计除可测量一般导电液体的流量外，还可测量液固两相流，高粘度液流及盐类、强酸、强碱液体的体积流量。
性能特点:
◆仪表结构简单、可靠，无可动部件，工作寿命长。
◆无截流阻流部件，不存在压力损失和流体堵塞现象。
◆无机械惯性，响应快速，稳定性好，可应用于自动检测、调节和程控系统。
◆测量精度不受被测介质的种类及其温度、粘度、密度、压力等物理量参数的影响。
◆采用聚四氟乙烯或橡胶材质衬里和XY、Hb、316L、Ti等电极材料的不同组合可适应不同介质的需要。
◆备有管道式、插入式等多种流量计型号。
◆采用EEPROM存储器，测量运算数据存储保护安全可靠。
◆具备一体化和分离型两种型式。
◆高清晰度LCD背光显示。
技术参数
◆仪表精度：管道式0.5级、1.0级；插入式2.5级
◆测量介质：电导率大于5μS/cm的各种液体和液固两相流体。
◆流速范围：0.2～8m/s
◆工作压力：1.6MPa
◆环境温度：-40℃～+50℃
◆介质温度：聚四氟乙烯衬里≤180℃
橡胶材质衬里≤65℃
◆标志：ExmibdⅡBT4
◆证号：GYB01349
◆外磁干扰：≤400A/m
◆外壳防护：一体化型： IP65；
分 离 型： 传感器IP68(水下5米，于橡胶衬里)
转换器IP65
◆输出信号：4～20mA.DC，负载电阻0～750Ω
◆通讯输出：RS485或CAN总线
◆电气连接：M20×1.5内螺纹，φ10电缆孔
◆电源电压：90～220V.AC、24±10%V.DC
◆zui大功耗：≤10VA
仪表选型
◆量程范围确认
一般工业用电磁流量计被测介质流速以2～4m/s为宜，在特殊情况下，zui低流速应不小于0.2m/s，zui高应不大于8m/s。若介质中含有固体颗粒，常用流速应小于3m/s，防止衬里和电极的过分磨擦；对于粘滞流体，流速可选择大于2m/s，较大的流速有助于自动消除电极上附着的粘滞物的作用，有利于提高测量精度。
在量程Q已确定的条件下，即可根据上述流速V的范围决定流量计口径D的大小，其值由下式计算：
Q=πD2V/4
Q:流量（㎡/h） D:管道内径 V：流速（m/h）
电磁流量计的量程Q应大于预计的zui大流量值，而正常的流量值以稍大于流量计满量程刻度的50%为宜。
◆参考流量范围
口径(mm) 流量范围(m3/h) 口径(mm) 流量范围(m3/h)
φ15 0.06~6.36 φ450 57.23～5722.65
φ20 0.11～11.3 φ500 70.65～7065.00
φ25 0.18～17.66 φ600 101.74～10173.6
φ40 0.45～45.22 φ700 138.47～13847.4
φ50 0.71～70.65 φ800 180.86～18086.4
φ65 1.19～119.4 φ900 228.91～22890.6
φ80 1.81～180.86 φ1000 406.94～40694.4
φ100 2.83～282.60 φ1200 553.90～55389.6
φ150 6.36～635.85 φ1600 723.46～72345.6
φ200 11.3～1130.4 φ1800 915.62～91562.4
φ250 17.66～176.25. φ2000 1130.4～113040.00
φ300 25.43～2543.40 φ2200 1367.78～136778.4
φ350 34.62～3461.85 φ2400 1627.78～162777.6
φ400 45.22～4521.6 φ2600 1910.38～191037.6
XY-LDE电磁流量计型谱：
型号 口径
XY-LDE 15~2600
代号 电极材料
K1 316L
K2 HB
K3 XY
K4 钛
K5 钽
K6 铂合金
K7 不锈钢涂覆碳化钨
代号 内衬材料
C1 聚四氟乙烯（F4）
C2 聚全氟乙丙烯（F46）
C3 聚氟合乙烯（FS）
C4 聚录丁橡胶
C5 聚氨脂橡胶
代号 功能
E1 0.3级
E2 0.5级
E3 1级
F1 4－20Madc,负载≤750Ω
F2 0-3khz,5v有源，可变脉宽，输出高端有效频率
F3 RS485接口
T1 常温型
T2 高温型
T3 超高温型
P1 1．0MPa
P2 1．6MPa
P3 4．0MPa
P4 16MPa
D1 220VAC±10％
D2 24VDC±10％
J1 一体型结构
J2 分体型结构
J3 一体型结构

防爆流量计技术参数
电压：本安DC18V；
电流：≤100mA；
输出信号：4-20mA，200-1000Hz，RS485三种；
安装方式：外贴式、插入式两种；
管径范围：DN50～DN500；
传感器电缆：15m。

井下隔爆兼本质安全型电磁流量计

一、总则：
1.1、井下隔爆兼本质安全型电磁流量计。它提出了隔爆兼本质安全型电磁流量计的订货、加工和检验等方面的技术要求。
1.2、提出的是低限度的技术要求，并未对一切技术细节做出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文，应提供一套满足本技术规范和所列标准要求的高质量产品及其相应服务。
1.3、如果没有以书面对本技术规范的条文提出异议，那么方可以认为提供的隔爆兼本质安全型电磁流量计完全符合本技术规范书的要求。
1.4、所使用的标准如与所执行的标准发生矛盾时，按较高标准执行。
二、执行标准：
2.1、Q/DF003-2007 生产标准
2.2、GB3836.1-2000 性气体环境用电设备要求
2.3、GB3836.4-2000 性气体环境用电设备要求
2.4、GB3836-2000 性气体环境用电设备要求
2.5、CJ/T3063-1997 《给排水用电磁流量计》《传播速度差法》
2.6、JJG0002-94 《电磁流量计》计量检定规程
三、技术要求：
3.1、矿用隔爆兼本质安全型电磁流量计必须经煤炭部门“MA”安全认证。
3.2、矿用隔爆兼本质安全型电磁流量计技术参数：
性能 参数
产品名称 矿用隔爆兼本质安全型电磁流量计
测量管材 钢、不锈钢、铸铁、水泥管、铜、PVC、铝、玻璃钢等一切质密的管道，允许有衬里
测量精度（%） ±0.5%
测量重复性（%） ±0.2%
测量范围 流速范围：0.3m/s～10m/s，量程比：1：10000，正、反向双向计量，并可计量净流量
介质温度 常温
环境温度 常温
电流输出 (4～20)mA、(0～20)mA、(0～24)mA可调,负载阻抗≤500Ω,传输距离≤500m
脉冲输出 脉冲当量模式：脉冲当量值可自由设定
频率模式：零流量及满量程频率可自由设定
累计脉冲模式：单位累计流量脉冲数可自由设定
数字通信 4-20mA、RS485、脉冲，可自行设置数据的频率输出、支持DF、HART、Modbus通讯协议
状态 空管 励磁 上、下限 电流输出
显示“空管” 显示“励磁回路断开” 显示“超上、下限” 显示“电流输出故障”
输出 上、下限流量，OC输出，常开或常闭状态可自由设定。
流量单位 m3/h，m3 ；m3/M，m3 ；L/M，L；L/s，L；UG/M，UG。流量单位可自由设定。
显示方式 汉字显示：瞬时流量、流速、累计流量，当有时显示信息。
数据保持 带掉电保护功能，可存储五年内年累计、月累计、日累计
工作电源 AC.127V（波动范围95V～140V）、50Hz；消耗功率≤10W
防护等级 IP54
标志 Exd[ib]I
型式 矿用隔爆兼本质安全型
本安参数 本安部分工作电压： 24V，大电流≤ 200mA；
本安部分工作电压： 5V，大电流≤720mA
四、相关要求：
4.1、负责矿用隔爆兼本质安全型电磁流量计的运输、卸车及安装，由方指定地点。
4.2、对所销售产品实行终身保修，五年之内，仪表出现问题（人为原因及不可抗力原因造成除外），免费维修；仪表出现问题24小时内到达现场处理，并做出处理意见、结果。
4.3、如产品更新换代，免费为方提供软件升级。
4.4、产品不能满足现场安装需求时，方可要求退款退货。
五、随机资料：
5.1、矿用产品安全标志证书
5.2、合格证
5.3、产品合格证
5.4、产品器具计量许可证
5.5、产品使用说明书
每套矿用隔爆兼本质安全型电磁流量计随机配带一套上述资料
六、供货时间：
合同签订后30天
七、供货范围：
设备名称 规格型号 单 位 数 量 备 注
矿用隔爆兼本质安全型电磁流量计 DN200，PN4.0 套 5
DN100，PN4.0 套 5

http://www.sdzdgk.com