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一种用于造纸厂污水计量的流量计电路的设计与


文章日期:2017-06-18|阅读数:


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***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***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***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

 原理1.jpg

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 ε 正比于磁感应强度 B、流速 v和两极间的距离 Le,即:

 原理2.jpg

 原理3.jpg

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 4~20 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:IC1 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  RS232 接口等电路。方框图如图所示

原理4.jpg

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。采用英寸不锈钢管为探头壳体,励磁线包采用 φ0.06 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

IC1STM32F217)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 50 Hz 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IC5LMD18200T)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。电路如图所示。

原理5.jpg

2)传感器放大电路

IC2SL28617)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  Rfb 是用来改变运算放大器增益的电阻。S1 是励磁信号源,R17R18 是输入偏置电阻,运放的 9 脚和 16脚分别接电源 ±5 V,接在运放 IC2 输出端的 IC3ADS8320)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 IC12ISL21090)是三端稳压器。电路如图所示。

原理6.jpg

3)电压转电流模块电路

IC4AD420)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 4~20 mA  0~20 mA,其后面可以接模拟指示仪表。接在其输出端的 IC10LM358)是运放,可将输出电流转换成电压输出,电压输出范围 0~10 V[5]。电路如图所示。

原理7.jpg

4USB 快速接口和 RS232 接口电路由 Q1R14R15R16L3D3R8  R9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。IC9SP3232EEY)芯片与周围元件组成 RS232 接口电路。电路如图所示。

原理8.jpg

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 ,  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  A/D 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,***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。

原理9.jpg

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 A/D 转换完成中断设置为***。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,又可提高串口传输效率。

 

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耦合到接收端,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

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.测试方法与结果分析

2.1紊流状态下流速vOP和流量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

1)根据稳压水塔和容积时间法由经验公式得

面平均流速=0.816vmax,式中 vmax 为流体***大流速;被测点处流速为,式中 R=50 mm, Rx=25 mm, n=7 可由容积时间法测得;

 

2)由面平均流速和被测点处流速可得

 

vOP=1.12 

 

3)设流速分布系数 α=/vOP,则 α=1/1.12

 

4)流量为 Qv=αvOPS=S,单位是 m3·s-1,式中 S 是所选管道的截面积。

 

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 U0 的关系如表所示。

原理10.jpg

误差在 0.5% 的范围之内。

2.2 面平均流速 的测试思路

在弯头或阀门附近,当流质环境处于非理想紊流状态时求面平均流速 ,可用二阶回归拟合方程式=k1vOP+k2vOP2 来求,式中系数 k1, k2 可由现场测得的数据求出。由于二阶回归方程是非线性方程,要将其转化为线性方程 /vOP=k1+k2vOP,令 y=  /vOPx=vOP,则 y=k1+k2x

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 。由测得的 vOP(工作测点处的流速)和 的一组数据,然后根据线性回归方程公式求出一组 k1, k2。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 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。

 

 

 

 



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