礦用污水流量計電路的設計與測量分析

0 引言
近年來污水流量計在工業領域中得到迅速的應用，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，工業上多用以測量各類水流、礦漿流等介質。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，加之本安勵磁電路，具有實時檢測和及時顯示等多種功能，經過多家企業的試用，性能和技術指標已基本達到國內外同類產品的*水平。
1 設計方案
1.1 設計思想
目前，我國礦用防爆電氣產品的安全類型主要以隔爆型和本質安全型為主。本安設計就是要嚴格控制電路各部分產生的電火花能量，因此在設計中采用了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，以保證其穩定性和可靠性；采用多種電磁屏蔽措施來防止靜電產生和電磁干擾， 以保證電路的穩定工作。
1.2 系統電路硬件部分
（1）方框圖
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，當探頭插入時對流體的影響很小，近似地認為是無阻流狀態。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，上面有一對不銹鋼電極，與勵磁線圈相連。為避免探頭內感應發射信號引起的干擾，對信號發射引線、線圈與電極連線進行屏蔽處理。
（3）特殊的電路設計
①勵磁信號與驅動電路
為了保證探頭工作在無阻流狀態，探頭尺寸要盡量小，這樣所產生的勵磁電流也就小，要求后續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，它是勵磁線圈的驅動模塊電路，內部采用H 橋式驅動， 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生的方波電壓與勵磁電流*保持同步， 即與控制開關網絡的方波電壓保持同步，便于在接收電路中信號的同步解調。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安全要求。當電流流過勵磁線圈時，在線圈內部會產生磁場，磁場貯存能量，當電路斷開時，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一個雙向二極管（TVS 管P6KE6.8CA）作為續流支路，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轉換器，其轉換速度可達16 kHz/s，接在前置放大器與A/D 轉換器之間的IC12（ISL21090）是三端穩壓器。
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 產生勵磁電流驅動勵磁線圈。采集傳感器信號，使傳感器送出反映流量大小的電壓信號， 經過IC2 前置放大器放大該信號， 再經16 位A/D 轉換器和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、實時濾波和數據拼接和數據傳送，zui后經過D/A 轉換后，經過IC4 轉換成4~20 mA 電流信號直接輸出或者以電壓形式輸出。