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电磁流量计

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适合于造纸厂排污水计量用电磁流量计提高精度的电路设计方法

来源:作者:发表时间:2017-08-20 09:34:25

摘要:针对造纸厂排污计量中经常出现测量精度低、传感探头易受腐蚀和测试结果不够稳定等问题,提出了一种适合于造纸厂排污管道中测流的电磁流量计的电路设计方法,通过对其进行测试和分析,发现应用最小二乘法对该电磁流量计实测数据值进行直线拟合后,当可测流量范围控制在0~150m3·s-1之内,其数据值非线性误差范围在0.5%以内。表明该排污管电磁流量计的技术指标已处于国内外同类产品的领先水平。
 
电磁流量计由于其测量灵活方便和灵敏度高,电磁流量计由于其测量灵活方便和灵敏度高,在工业上常用以计量各类流体的流量,如:水流、矿浆流等介质。在各类造纸厂污水排放流量的计量浆流等介质。在各类造纸厂污水排放流量的计量中,电磁流量计被广泛地应用。在实际应用中也暴中,电磁流量计被广泛地应用。在实际应用中也暴露出一些缺点,例如,传感探头易受腐蚀、测试结果露出一些缺点,如,传感探头易受腐蚀、测试结果不够稳定以及传输信号易受外磁场干扰等不够稳定以及传输信号易受外磁场干扰等。
 
        针对这些问题,本文提出了一种适合造纸厂排污管道中这些问题,本文提出了一种适合造纸厂排污管道中测污水流量的电磁流量计电路。通过用它来对污水流量控制在0~150m0~150m3·s-1范围之内进行测试,所得范围之内进行测试,所得到的实测数据应用最小二乘法进行直线拟合,来判到的实测数据应用最小二乘法进行直线拟合,来判断其数值误差范围。
 
1.1设计思路
        本电磁流量计设计的目的是为了满足口径小本电磁流量计设计的目的是为了满足口径小于100英寸的直通管道中流速的测量,其探头的要英寸的直通管道中流速的测量,其探头的要求是呈流线型、小巧灵活,而且安装方便。当探头插入时对流体的影响可以忽略不计,近似地认为是无入时对流体的影响可以忽略不计,近似地认为是无阻流状态。通过充分调研,并参考国内外同类产品阻流状态。通过充分调研,并参考国内外同类产品的技术性能指标,在直径为100mm铁管或PVC塑料管中做测试,并通过现场流速逐点分布测量,获取多组不同状态下的平均流速,将所得到的数据经取多组不同状态下的平均流速,将所得到的数据经最小二乘法进行直线拟合,用计算机模拟来确定回最小二乘法进行直线拟合,用计算机模拟来确定回归方程系数,进而测量出不同状态下的流量值。
 
1.2电磁流量计原理
        电磁流量计的原理是基于电磁感应定律。当导电流体流过电磁流量计磁场时,在与流速和磁场两电流体流过电磁流量计磁场时,在与流速和磁场两者相垂直的方向就会产生与平均流速呈正比的感者相垂直的方向就会产生与平均流速呈正比的感应电动势。
电磁流量计原理图
        如图1所示,某一时刻由一对励某一时刻由一对励磁线圈产生的磁感磁线圈产生的磁感应强度B,方向向上,流入液体的速上,流入液体的速度为v,管的直径管为D,两极的距离为Le,两极间电动势,两极间电动势ε正比于磁感应强度正比于磁感应强度B、流速v和两极间的距离Le,即:
        ε=kBvLe…………………………(1)
        式中,k为比例系数。流量为比例系数。流量Qv与管的直径D之间的关系为:
        Qv=π(D/2)2v…………………………(2)
 
        因此流量公式3
 
        式中K是与管直径D、两极间距Le有关的常量。感应电动势ε不受流体的温度、压力、密度、电不受流体的温度、压力、密度、电导率(高于某阈值)变化的影响,因此电磁流量计在各种类型的流量计中有着较强的明显优势和广泛各种类型的流量计中有着较强的明显优势和广泛的适用性。
 
1.3系统硬件部分
1.3.1方框图
        装置采用模块(装置采用模块(STM32F217STM32F217)来控制电磁流量)来控制电磁流量计的工作,包括产生励磁脉冲方波信号、接收从探头计的工作,包括产生励磁脉冲方波信号、接收从探头送来的反映流量大小的微弱电信号、输出送来的反映流量大小的微弱电信号、输出4~20mA4~20mA电流信号供指示仪表用,模块附带有各类接口电路电流信号供指示仪表用,模块附带有各类接口电路(RS232、高速USB接口等)。装置包括:接口等)。装置包括:IC1单片机、IC2前置放大器、IC3A/DIC3A/D转换器、IC4电压转电流模块、IC5励磁线圈的驱动模磁线圈的驱动模块电路、IC6电压转换模块,以压转换模块,以及USB快速接口电路、IC9芯片与周围元件组片与周围元件组成的RS232接口等电路。方框口等电路。方框图如图2所示。
系统方框图
1.3.2 传感器
        传感器采用了流线型设计,要求表面做工精 传感器采用了流线型设计,要求表面做工精致,保证其工作在无阻流状态下,以确保测量的精 致,保证其工作在无阻流状态下,以确保测量的精度。采用 1 英寸不锈钢管为探头壳体,励磁线包采 英寸不锈钢管为探头壳体,励磁线包采用 φ 0.06 mm 0.06 mm 铜线在软磁钢芯上进行绕制,绕好后 铜线在软磁钢芯上进行绕制,绕好后将其密封在一个呈流线型半球的 将其密封在一个呈流线型半球的 ABS 塑料壳内,上面镶嵌一对不锈钢电极,它与励磁线圈相连 上面镶嵌一对不锈钢电极,它与励磁线圈相连 。为避免探头内感应发射信号引起的干扰,对信号发 为避免探头内感应发射信号引起的干扰,对信号发射引线、电极引线等做了全面屏蔽处理。
 
1.3.3 单片机控制电路
        IC1(STM32F217)单片机处理电路是采用先 )单片机处理电路是采用先进的 Cortex-M4 内核,浮点运算能力强,运行速度 内核,浮点运算能力强,运行速度高,DSP 处理指令强大,具有更多的存储空间(1M的片上闪存、196 K 的内嵌 SRAM),以及灵活的外 ),以及灵活的外部存储器接口FSMC,还带有多种外设接口(照相机接口、高速 USB 接口、更快的通信接口和温度传感器接口等),在其内部可以完成 器接口等),在其内部可以完成 FFT、各类滤波、信 、各类滤波、信号压缩和识别处理。具有多重总线并行处理能力, 号压缩和识别处理。具有多重总线并行处理能力,输入外接以太网、高速度 USB、两路通用 DMA ;输出音频信号的同时,还能驱动液晶显示屏。设计的 出音频信号的同时,还能驱动液晶显示屏。设计的芯片电路具有超低功耗,当主频为 芯片电路具有超低功耗,当主频为 168 MHz 168 MHz 情况下,工作电流为 38.6 mA。
 
1.3.4 特殊电路设计
(1) 励磁信号与驱动电路
        由于探头尺寸较小,所产生的励磁电流很弱, 由于探头尺寸较小,所产生的励磁电流很弱,要处理这样的信号,则后续的放大电路要有足够高 要处理这样的信号,则后续的放大电路要有足够高的输入阻抗和较大的增益,来保证传感器的灵敏度 的输入阻抗和较大的增益,来保证传感器的灵敏度及抗干扰性;为了防止交流 及抗干扰性;为了防止交流 50 Hz 的工频干扰,选 的工频干扰,选用方波电流作为励磁电流,其频率选用 用方波电流作为励磁电流,其频率选用 12.5 Hz, 12.5 Hz, 它是 1/4 的工频频率,这样可有效地抑制工频干扰 [4]。励磁信号在单片机内部生成,从第 励磁信号在单片机内部生成,从第 26 脚输出12.5 Hz 12.5 Hz 方波信号,接到励磁线圈的驱动模块电路 方波信号,接到励磁线圈的驱动模块电路IC5(LMD18200T LMD18200T)的 3 脚信号,它的内部采用 脚信号,它的内部采用 H桥式驱动,送出励磁电流加到其 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 20~30 mA 20~30 mA 方波电流,它与控制方波电压同步。使流体运动切割 波电流,它与控制方波电压同步。使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, 磁力线产生的方波电压与励磁电流完全保持同步,这样也便于在接收放大电路中信号的同步解调。电路如图 3 所示。
电磁流量计励磁线圈驱动模块电路
(2) 传感器放大电路
        IC2(SL28617)放大器用于放大传感器送来 )放大器用于放大传感器送来的反映流量大小的电压信号,图中 的反映流量大小的电压信号,图中 Rin 和 Rfb 是用来改变运算放大器增益的电阻。 来改变运算放大器增益的电阻。S1 是励磁信号源,R17、R18 是输入偏置电阻,运放的 是输入偏置电阻,运放的 9 脚和 16脚分别接电源 ± 脚分别接电源 ±5 V,接在运放 IC2 输出端的 IC3(ADS8320 ADS8320)是 16 位高速 A/D 转换器,其转换速度可达 16 kHz/s 16 kHz/s,接在接收放大器与 ,接在接收放大器与 A/D 转换器之间的 IC12(ISL21090 ISL21090)是三端稳压器。电路如图 )是三端稳压器。电路如图 4 所示。
电磁流量计传感器接收放大电路
(3) 电压转电流模块电路
        IC4(AD420)是一块电压转电流模块,可将电压信号转换成电流信号输出,输出电流范围是 4~20mA 或 0~20 mA 0~20 mA,其后面可以接模拟指示仪表。接 其后面可以接模拟指示仪表。接在其输出端的 IC10(LM358)是运放,可将输出电流转换成电压输出,电压输出范围 流转换成电压输出,电压输出范围 0~10 V[5]。电路如图 5 所示。
(4) USB 快速接口和 RS232 接口电路
        由 Q1、R14、R15、R16、L3、D3、R8 和 R9等元件组成的电路与单片机对应电路,组成 等元件组成的电路与单片机对应电路,组成 USB快速接口电路。 快速接口电路。IC9(SP3232EEY)芯片与周围元 )芯片与周围元件组成 RS232 接口电路。电路如图 6 所示。
 
3、结束语
        全面介绍了一种用于造纸厂排放管道中检测 全面介绍了一种用于造纸厂排放管道中检测污水流量的智能化电磁流量计电路的设计方案,以 污水流量的智能化电磁流量计电路的设计方案,以及测试方法和数据分析模型,具有很强的实用价值。 及测试方法和数据分析模型,具有很强的实用价值。通过在直径为 1 英寸的 PVC 塑料管中进行试验,并 塑料管中进行试验,并经过现场流速逐点分布测量,获取若干组不同状态 经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 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 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 析表明,其可测流量范围控制在 0~150 m³·h-1 之内,其非线性误差为 其非线性误差为 0.5%。该款电磁流量计的技术性能 。该款电磁流量计的技术性能指标已达到国内外同类产品的先进水平。
        作者:电磁流量计
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