礦用污水流量計的電路設(shè)計與測量分析
近年來污水流量計在工業(yè)領(lǐng)域中得到迅速的應(yīng)用，特別是在河水輸送與污水排放流量的計量方面尤為突出， 由于它測量靈活方便和靈敏度較高，工業(yè)上多用以測量各類水流、礦漿流等介質(zhì)。然而，由于煤礦安全性的特殊要求，目前可用于煤礦井下的污水流量計很少，如，不能滿足礦用防爆和本質(zhì)安全要求、測量范圍窄以及傳輸信號易受外磁場干擾等。針對這些問題，研發(fā)了一種適合于礦用測流的污水流量計電路。它采用新型單片機來控制，加之專用本安勵磁電路，具有實時檢測和及時顯示等多種功能，經(jīng)過多家企業(yè)的試用，性能和技術(shù)指標已基本達到國內(nèi)外同類產(chǎn)品的**水平。
1 設(shè)計方案
1.1 設(shè)計思想
目前，我國礦用防爆電氣產(chǎn)品的安全類型主要以隔爆型和本質(zhì)安全型為主。本安設(shè)計就是要嚴格控制電路各部分產(chǎn)生的電火花能量，因此在設(shè)計中采用了專用本安勵磁電路來防止勵磁電流引起電火花；采用新型低功耗單片機來控制整個裝置的工作，以保證其穩(wěn)定性和可靠性；采用多種電磁屏蔽措施來防止靜電產(chǎn)生和電磁干擾， 以保證電路的穩(wěn)定工作。
1.2 系統(tǒng)電路硬件部分
（1）方框圖
礦用污水流量計的裝置采用高速單片機模塊電路（STM32F407），它具有浮點運算能力強，超低功耗，功耗僅為38.6mA。
用來控制整個污水流量計， 包括產(chǎn)生勵磁脈沖方波信號、接收來自探頭的反映流量大小的電壓信號、輸出4~20 mA 電流信號供模擬顯示儀表用，CPU 模塊帶有各類接口電路RS232、高速USB 接口等）、操作鍵盤和顯示器接口電路等。方框圖如圖1 所示。
（2）傳感器
為了保證測量的精度， 要求傳感器的探頭做成流線型，當(dāng)探頭插入時對流體的影響很小，近似地認為是無阻流狀態(tài)。具體采用25.4 mm 不銹鋼管為探頭殼體， 勵磁線圈芯采用軟磁鋼作鐵芯,線包， 繞好后將它密封在一個呈流線型半球的高強度塑料殼內(nèi)，上面有一對不銹鋼電*，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、線圈與電*連線進行屏蔽處理。
（3）特殊的電路設(shè)計
①勵磁信號與驅(qū)動電路
為了保證探頭工作在無阻流狀態(tài)，探頭尺寸要盡量小，這樣所產(chǎn)生的勵磁電流也就小，要求后續(xù)的接收電路有足夠高的輸入阻抗，來保證傳感器的靈敏度及抗干擾性；為防止交流50 Hz 的工頻干擾，選用方波電流作為勵磁電流， 其頻率可選用1/4 的工頻頻率12.5 Hz，有效地抑制工頻干擾。
勵磁信號由單片機內(nèi)部生成，從第26 腳輸出12.5 Hz 方波信號，接到IC5（LMD18200T）的3 腳信號，它是勵磁線圈的驅(qū)動模塊電路，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 正負對稱的方波電流，它與控制方波電壓同步。流體運動切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵磁電流全保持同步， 即與控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的方波電壓保持同步，便于在接收電路中信號的同步解調(diào)。電路如圖2所示。
②本安型勵磁線圈電路
傳感器中勵磁電流是產(chǎn)生電火花的危險源，污水流量計要用于礦井下，保證勵磁電路達到本質(zhì)安全要求。當(dāng)電流流過勵磁線圈時，在線圈內(nèi)部會產(chǎn)生磁場，磁場貯存能量，當(dāng)電路斷開時，儲存在線圈中的能量就會以火花的形式釋放出來，因此必須泄放線圈中的貯能才能達到本安的要求。采用了在線圈兩端并聯(lián)一個雙向二*管（TVS 管P6KE6.8CA）作為續(xù)流支路，以泄放線圈儲存的磁能，降低通斷時的電火花，吸收電流，泄放能量。以達到本質(zhì)安全的目的。
③傳感器放大電路
電路如圖3 所示。IC2（SL28617）前置放大器用于放大傳感器送來的反映流量大小的電壓信號，改變圖中Rin和Rfb
的阻值大小，可以改變該運算放大器的增益。S1 是勵磁信號源，R17、R18 是輸入偏置電阻，運放的9 腳和16 腳分別供±5 V 電壓，接在運放IC2 輸出端的IC3（ADS8320）是16 位高速的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可達16 kHz/s，接在前置放大器與A/D 轉(zhuǎn)換器之間的IC12（ISL21090）是三端穩(wěn)壓器。
1.3 編制軟件
軟件流程圖如圖4 所示。
在編制電磁流量軟件的過程中，首先要求對系統(tǒng)進行初始化、再對CPU 進行初始化, 由CPU 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。采集傳感器信號，使傳感器送出反映流量大小的電壓信號， 經(jīng)過IC2 前置放大器放大該信號， 再經(jīng)16 位A/D 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、實時濾波和數(shù)據(jù)拼接和數(shù)據(jù)傳送，zui后經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過IC4 轉(zhuǎn)換成4~20 mA 電流信號直接輸出或者以電壓形式輸出。
