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电磁流量计

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用于污水厂污水测量的电磁流量计的电路设计与测量

来源:作者:发表时间:2017-09-09 09:20:24

 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0-150 m3.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,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0-150 m3.s-1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,来判断其数值误差范围。
 
1、设计方案
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于100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100 mm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,某一时刻由一对励磁线圈产生的磁感应强度B,方向向上,流入液体的速度为v,管的直径为D,两极的距离为Le,两极间电动势E和两极间的距离Le 。正比于磁感应强度B、流速v即:
0170909092235.jpg
式中,k为比例系数。流量Q,与管的直径D之间的关系为:
20170909092240.jpg
20170909092341.jpg
    式中K是与管直径D、两极间距Le有关的常量。
    感应电动势E不受流体的温度、压力、密度、电导率(高于某m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的适用性。
 
1.3系统硬件部分
1.3.1方框图
        装置采用模块(STM32F217 )来控制电磁流量计的工作,包括产生励磁脉冲方波信号、接收从探头送来的反映流量大小的微弱电信号、输出4-x20 mA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:IC 1单片机、IC2前置放大器、IC3 A/D转换器、IC4电压转电流模块、IC5励磁线圈的驱动模块电路、IC6电压转换模块,以及USB快速接口电路、IC9芯片与周围元件组成的RS232接口等电路。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,励磁线包采用& 0.06 mm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ABS塑料壳内,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
        IC 1 (STM32F217)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FFT、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,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。设计的芯片电路具有超低功耗,当主频为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,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及抗干扰性;为了防止交流50Hz的工频干扰,选用方波电流作为励磁电流,其频率选用12.5 Hz,它是1/4的工频频率,这样可有效地抑制工频干扰。
 
        励磁信号在单片机内部生成,从第26脚输出12.5 Hz方波信号,接到励磁线圈的驱动模块电路IC5 (LMD18200T)的3脚信号,它的内部采用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20-30 mA方波电流,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,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。
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。Si是励磁信号源,R17, R18是输入偏置电阻,运放的9脚和16脚分别接电源士5V,接在运放IC2输出端的IC3(ADS8320)是16位高速A/D转换器,其转换速度可达16 kHz/s,接在接收放大器与A/D转换器之间的IC12 (ISL21090)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,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0-10V。电路如图5所示。
 电压转电流模块电路
        (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LOS快速接口电路。IC9 (SP3232EEY)芯片与周围元件组成RS232接口电路。电路如图6所示。
USB快速接口与RS232接口电路
1.4编制软件流程
 
        软件流程图如图7所示,在电磁流量计软件编制过程中,首先要求对系统和CPU进行初始化处理,由CPU模块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。采集传感器中反映流量大小的电压信号,再经过IC2放大该信号,经16位AID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、滤波、数据拼接和数据传送处理,最后再经过D/A转换,经过IC4转换成4-20 mA电流信号送模拟仪表或者以电压形式输出。
 电磁流量计软件编制流程图
       在电磁流量计数据采集过程中,必须保证其数据的实时采集和正确存储,数据采集是通过A/D转换来进行的,采集来的数据量储存在单片机的RAM中等待滤波,单片机要保证实时采集的方法是使用A/D转换产生中断请求,使单片机能够及时处理A/D采集来的数据并存储在缓冲区内,所以必须将AID转换完成中断设置为最高级。其中实时采集的数据滤波在主程序中实现,当A/D采集的数据长度达到一个窗口长度时,就去启动主程序中的滤波处理,当滤波处理完毕后又停下来等待下一个采集窗口的数据,滤波后的数据要及时拼接和存储,这样做既可节省单片机的存储资源,又可提高申口传输效率。
 
1.5电路硬件设计要点
        (1)本装置的灵敏度要求高,且工作要求稳定可靠,控制芯片采用了STM32F217单片机,它具有超强的浮点运算能力和极高的运行速度,来保证装置的灵敏度性能。它自带多种存储空间和多种外设接口电路,加之软件上采用看门狗电路和软件陷阱等多种手段来保证装置的可靠工作。
        (2)由于探头所处环境的特殊性,要求传感器外壳具有及高的抗腐蚀性。选用1英寸不锈钢管为探头壳体,并进行抛光氧化处理。为避免探头内的发射信号通过分布因素祸合到接收端,引起干扰,信号发射引线和线圈部分与信号接收引线和电极部分应采用分别屏蔽。信号传输线选用高质量低频屏蔽引线闭。
        (3)在电路的EMC设计中尽量采用多层板结构,采用完整的GND层,电源采用宽的走线或铺铜,以减小供电系统的阻抗;模块外部分立元件要使用表面贴片元件以减少引线分布参数的影响;将模拟和数字信号、高频和低频信号各自的地线分开处理;所有走线要尽量短,避免直角或锐角转弯,避免分叉;尽量避免在模块的正下方走线等多种措施。
 
2、测试结果与结果分析
2.1 紊流状态下流速Vop和流量计Qv的测定
 
        当测试环境处于紊流状态时。采用稳压水塔和容积法来推定流速仪表的系数,从而来求测点处流速Vop和流量Qv的值。在测试时选择光滑内壁的塑料或金属直管,其内壁半径R=50 mm,并将探头插入1/4的直径处,即Rx=25 mm,设与流体对应的雷诺数有关的n取为7,因为该状态可以模拟紊流产生的条件,是比较理想的测试状态。
        0170909092918.jpg
        (5)插入式电磁流量计试验样品的计算值Vop与仪表测定电压值Uo的关系如表1所示。
        <a href=/ target=_blank class=infotextkey>插入式电磁流量计</a>试验样品的测量数据表
        (6)由表1利用二元一次线性回归方程Vop=βUo+c来确定系数β和c,线性回归系数比较表如表2所示。
                   20170909093115.jpg
        线性回归系数比较表
       
        表3列出了又测点处流速Vop(读出值)=βUo与Vop(理论值)之间的误差Er。
        读出值与理论值的比较表
        从表3看出,经过理论计算与实际所测的数值是非常接近的,他们的误差在0.5%的范围之内。
 
2.2 面平均流速V的测试思路
        20170909093227.jpg
                    在测试时,选择现场每一个稳定的流速状态,试着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,求出一个面平均流速v。由测得的Vop(工作测点处的流速)和V的一组数据,然后根据线性回归方程公式求出一组k,,棍。然后取该组k1, k2的平均值,将该值设置到编程软件中,这样可直接求出面平均流速V值。
 
3、结束语
        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0-150 m3·h-1之内,其非线性误差为0.5%。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。吵