電磁流量計由于其測量靈活方便和靈敏度高，在工業(yè)上常用以計量各類流體的流量，如:水流、礦漿流等介質(zhì)。在各類造紙廠污水排放流量的計量中，電磁流量計被廣泛地應(yīng)用。在實際應(yīng)用中也暴露出一些缺點，例如，傳感探頭易受腐蝕、測試結(jié)果不夠穩(wěn)定以及傳輸信號易受外磁場干擾等。針對這些問題，本文提出了一種適合造紙廠排污管道中測污水流量的電磁流量計電路。通過用它來對污水流量控制在0-150 m3.s-1范圍之內(nèi)進行測試，所得到的實測數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘法進行直線擬合，來判斷其數(shù)值誤差范圍。

 

1、設(shè)計方案

1、1設(shè)計思路

        本電磁流量計設(shè)計的目的是為了滿足口徑小于100英寸的直通管道中流速的測量，其探頭的要求是呈流線型、小巧靈活，而且安裝方便。當(dāng)探頭插入時對流體的影響可以忽略不計，近似地認(rèn)為是無阻流狀態(tài)。通過充分調(diào)研，并參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)，在直徑為100 mm鐵管或PVC塑料管中做測試，并通過現(xiàn)場流速逐點分布測量，獲取多組不同狀態(tài)下的平均流速，將所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法進行直線擬合，用計算機模擬來確定回歸方程系數(shù)，進而測量出不同狀態(tài)下的流量值。

 

1.2電磁流量計原理

        電磁流量計的原理是基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)導(dǎo)電流體流過電磁流量計磁場時，在與流速和磁場兩者相垂直的方向就會產(chǎn)生與平均流速呈正比的感應(yīng)電動勢。

    如圖1所示，某一時刻由一對勵磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B，方向向上，流入液體的速度為v，管的直徑為D，兩極的距離為Le，兩極間電動勢E和兩極間的距離Le 。正比于磁感應(yīng)強度B、流速v即:

式中，k為比例系數(shù)。流量Q，與管的直徑D之間的關(guān)系為:

    式中K是與管直徑D、兩極間距Le有關(guān)的常量。

    感應(yīng)電動勢E不受流體的溫度、壓力、密度、電導(dǎo)率(高于某m值)變化的影響，因此電磁流量計在各種類型的流量計中有著較強的明顯優(yōu)勢和廣泛的適用性。

 

1.3系統(tǒng)硬件部分

1.3.1方框圖

        裝置采用模塊(STM32F217 )來控制電磁流量計的工作，包括產(chǎn)生勵磁脈沖方波信號、接收從探頭送來的反映流量大小的微弱電信號、輸出4-x20 mA電流信號供指示儀表用，模塊附帶有各類接口電路(RS232、高速USB接口等)。裝置包括:IC 1單片機、IC2前置放大器、IC3 A/D轉(zhuǎn)換器、IC4電壓轉(zhuǎn)電流模塊、IC5勵磁線圈的驅(qū)動模塊電路、IC6電壓轉(zhuǎn)換模塊，以及USB快速接口電路、IC9芯片與周圍元件組成的RS232接口等電路。方框圖如圖2所示。

1.3.2傳感器

         傳感器采用了流線型設(shè)計，要求表面做工精致，保證其工作在無阻流狀態(tài)下，以確保測量的精度。采用1英寸不銹鋼管為探頭殼體，勵磁線包采用& 0.06 mm銅線在軟磁鋼芯上進行繞制，繞好后將其密封在一個呈流線型半球的ABS塑料殼內(nèi)，上面鑲嵌一對不銹鋼電極，它與勵磁線圈相連。為避免探頭內(nèi)感應(yīng)發(fā)射信號引起的干擾，對信號發(fā)射引線、電極引線等做了全面屏蔽處理。

 

1.3.3單片機控制電路

        IC 1 (STM32F217)單片機處理電路是采用先進的Cortex- M4內(nèi)核，浮點運算能力強，運行速度高，DSP處理指令強大，具有更多的存儲空間((1M的片上閃存、196 K的內(nèi)嵌SRAM)，以及靈活的外部存儲器接口FSMC，還帶有多種外設(shè)接口(照相機接口、高速USB接口、更快的通信接口和溫度傳感器接口等)，在其內(nèi)部可以完成FFT、各類濾波、信號壓縮和識別處理。具有多重總線并行處理能力，輸入外接以太網(wǎng)、高速度USB、兩路通用DMA;輸出音頻信號的同時，還能驅(qū)動液晶顯示屏。設(shè)計的芯片電路具有超低功耗，當(dāng)主頻為168 MHz情況下，工作電流為38.6 mA,

 

1.3.4特殊電路設(shè)計

            (1)勵磁信號與驅(qū)動電路

            由于探頭尺寸較小，所產(chǎn)生的勵磁電流很弱，要處理這樣的信號，則后續(xù)的放大電路要有足夠高的輸入阻抗和較大的增益，來保證傳感器的靈敏度及抗干擾性;為了防止交流50Hz的工頻干擾，選用方波電流作為勵磁電流，其頻率選用12.5 Hz，它是1/4的工頻頻率，這樣可有效地抑制工頻干擾。

 

        勵磁信號在單片機內(nèi)部生成，從第26腳輸出12.5 Hz方波信號，接到勵磁線圈的驅(qū)動模塊電路IC5 (LMD18200T)的3腳信號，它的內(nèi)部采用H橋式驅(qū)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20-30 mA方波電流，它與控制方波電壓同步。使流體運動切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵磁電流完全保持同步，這樣也便于在接收放大電路中信號的同步解調(diào)。電路如圖3所示。

        (2)傳感器放大電路

        IC2 (SL28617)放大器用于放大傳感器送來的反映流量大小的電壓信號，圖中Rin和Rfb,是用來改變運算放大器增益的電阻。Si是勵磁信號源，R17, R18是輸入偏置電阻，運放的9腳和16腳分別接電源士5V，接在運放IC2輸出端的IC3(ADS8320)是16位高速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可達16 kHz/s，接在接收放大器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的IC12 (ISL21090)是三端穩(wěn)壓器。電路如圖4所示。

        (3)電壓轉(zhuǎn)電流模塊電路

        IC4 (AD420)是一塊電壓轉(zhuǎn)電流模塊，可將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，輸出電流范圍是4-20mA或0-20 mA，其后面可以接模擬指示儀表。接在其輸出端的IC10 (LM358)是運放，可將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電壓輸出范圍0-10V。電路如圖5所示。

 

        (4) USB快速接口和RS232接口電路

        由Q1. R14. R15. R16. L3. D3. R8和R9等元件組成的電路與單片機對應(yīng)電路，組成LOS快速接口電路。IC9 (SP3232EEY)芯片與周圍元件組成RS232接口電路。電路如圖6所示。

1.4編制軟件流程

 

        軟件流程圖如圖7所示，在電磁流量計軟件編制過程中，首先要求對系統(tǒng)和CPU進行初始化處理，由CPU模塊輸出勵磁脈沖方波信號，控制LM8200產(chǎn)生勵磁電流驅(qū)動勵磁線圈。采集傳感器中反映流量大小的電壓信號，再經(jīng)過IC2放大該信號，經(jīng)16位AID轉(zhuǎn)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、濾波、數(shù)據(jù)拼接和數(shù)據(jù)傳送處理，最后再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)過IC4轉(zhuǎn)換成4-20 mA電流信號送模擬儀表或者以電壓形式輸出。

 

       在電磁流量計數(shù)據(jù)采集過程中，必須保證其數(shù)據(jù)的實時采集和正確存儲，數(shù)據(jù)采集是通過A/D轉(zhuǎn)換來進行的，采集來的數(shù)據(jù)量儲存在單片機的RAM中等待濾波，單片機要保證實時采集的方法是使用A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生中斷請求，使單片機能夠及時處理A/D采集來的數(shù)據(jù)并存儲在緩沖區(qū)內(nèi)，所以必須將AID轉(zhuǎn)換完成中斷設(shè)置為最高級。其中實時采集的數(shù)據(jù)濾波在主程序中實現(xiàn)，當(dāng)A/D采集的數(shù)據(jù)長度達到一個窗口長度時，就去啟動主程序中的濾波處理，當(dāng)濾波處理完畢后又停下來等待下一個采集窗口的數(shù)據(jù)，濾波后的數(shù)據(jù)要及時拼接和存儲，這樣做既可節(jié)省單片機的存儲資源，又可提高申口傳輸效率。

 

1.5電路硬件設(shè)計要點

        (1)本裝置的靈敏度要求高，且工作要求穩(wěn)定可靠，控制芯片采用了STM32F217單片機，它具有超強的浮點運算能力和極高的運行速度，來保證裝置的靈敏度性能。它自帶多種存儲空間和多種外設(shè)接口電路，加之軟件上采用看門狗電路和軟件陷阱等多種手段來保證裝置的可靠工作。

        (2)由于探頭所處環(huán)境的特殊性，要求傳感器外殼具有及高的抗腐蝕性。選用1英寸不銹鋼管為探頭殼體，并進行拋光氧化處理。為避免探頭內(nèi)的發(fā)射信號通過分布因素禍合到接收端，引起干擾，信號發(fā)射引線和線圈部分與信號接收引線和電極部分應(yīng)采用分別屏蔽。信號傳輸線選用高質(zhì)量低頻屏蔽引線閉。

        (3)在電路的EMC設(shè)計中盡量采用多層板結(jié)構(gòu)，采用完整的GND層，電源采用寬的走線或鋪銅，以減小供電系統(tǒng)的阻抗;模塊外部分立元件要使用表面貼片元件以減少引線分布參數(shù)的影響;將模擬和數(shù)字信號、高頻和低頻信號各自的地線分開處理;所有走線要盡量短，避免直角或銳角轉(zhuǎn)彎，避免分叉;盡量避免在模塊的正下方走線等多種措施。

 

2、測試結(jié)果與結(jié)果分析

2.1 紊流狀態(tài)下流速Vop和流量計Qv的測定

 

        當(dāng)測試環(huán)境處于紊流狀態(tài)時。采用穩(wěn)壓水塔和容積法來推定流速儀表的系數(shù)，從而來求測點處流速Vop和流量Qv的值。在測試時選擇光滑內(nèi)壁的塑料或金屬直管，其內(nèi)壁半徑R=50 mm，并將探頭插入1/4的直徑處，即Rx=25 mm，設(shè)與流體對應(yīng)的雷諾數(shù)有關(guān)的n取為7，因為該狀態(tài)可以模擬紊流產(chǎn)生的條件，是比較理想的測試狀態(tài)。

       

        （5）插入式電磁流量計試驗樣品的計算值Vop與儀表測定電壓值Uo的關(guān)系如表1所示。

       

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

                   

       

       

        表3列出了又測點處流速Vop（讀出值）=βUo與Vop（理論值）之間的誤差Er。

       

        從表3看出，經(jīng)過理論計算與實際所測的數(shù)值是非常接近的，他們的誤差在0.5%的范圍之內(nèi)。

 

2.2 面平均流速V的測試思路

       

                    在測試時，選擇現(xiàn)場每一個穩(wěn)定的流速狀態(tài)，試著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(quán)法，求出一個面平均流速v。由測得的Vop(工作測點處的流速)和V的一組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)線性回歸方程公式求出一組k,,棍。然后取該組k1, k2的平均值，將該值設(shè)置到編程軟件中，這樣可直接求出面平均流速V值。

 

3、結(jié)束語

        全面介紹了一種用于造紙廠排放管道中檢測污水流量的智能化電磁流量計電路的設(shè)計方案，以及測試方法和數(shù)據(jù)分析模型，具有很強的實用價值。通過在直徑為1英寸的PVC塑料管中進行試驗，并經(jīng)過現(xiàn)場流速逐點分布測量，獲取若干組不同狀態(tài)下的平均流速，通過計算機模擬來確定回歸方程系數(shù)，進而來測量不同狀態(tài)下的流量值。測試結(jié)果分析表明，其可測流量范圍控制在0-150 m3·h-1之內(nèi)，其非線性誤差為0.5%。該款電磁流量計的技術(shù)性能指標(biāo)已達到國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進水平。吵