摘要：針對(duì)造紙廠排污計(jì)量中經(jīng)常出現(xiàn)測量精度低、傳感探頭易受腐蝕和測試結(jié)果不夠穩(wěn)定等問題，提出了一種適合于造紙廠排污管道中測流的電磁流量計(jì)的電路設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)其進(jìn)行測試和分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用最小二乘法對(duì)該電磁流量計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)值進(jìn)行直線擬合后，當(dāng)可測流量范圍控制在0~150m3·s-1之內(nèi)，其數(shù)據(jù)值非線性誤差范圍在0.5%以內(nèi)。表明該排污管電磁流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)已處于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。

 

電磁流量計(jì)由于其測量靈活方便和靈敏度高，電磁流量計(jì)由于其測量靈活方便和靈敏度高，在工業(yè)上常用以計(jì)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(jì)量漿流等介質(zhì)。在各類造紙廠污水排放流量的計(jì)量中，電磁流量計(jì)被廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中也暴中，電磁流量計(jì)被廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出一些缺點(diǎn)，例如，傳感探頭易受腐蝕、測試結(jié)果露出一些缺點(diǎn)，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(hào)易受外磁場干擾等不夠穩(wěn)定以及傳輸信號(hào)易受外磁場干擾等。

 

        針對(duì)這些問題，本文提出了一種適合造紙廠排污管道中這些問題，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(jì)電路。通過用它來對(duì)污水流量控制在0~150m0~150m3·s-1范圍之內(nèi)進(jìn)行測試，所得范圍之內(nèi)進(jìn)行測試，所得到的實(shí)測數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，來判到的實(shí)測數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，來判斷其數(shù)值誤差范圍。

 

1.1設(shè)計(jì)思路

        本電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)的目的是為了滿足口徑小本電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)流體的影響可以忽略不計(jì)，近似地認(rèn)為是無入時(shí)對(duì)流體的影響可以忽略不計(jì)，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100mm鐵管或PVC塑料管中做測試，并通過現(xiàn)場流速逐點(diǎn)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)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(jìn)行直線擬合，用計(jì)算機(jī)模擬來確定回最小二乘法進(jìn)行直線擬合，用計(jì)算機(jī)模擬來確定回歸方程系數(shù)，進(jìn)而測量出不同狀態(tài)下的流量值。

 

1.2電磁流量計(jì)原理

        電磁流量計(jì)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(jì)磁場時(shí)，在與流速和磁場兩電流體流過電磁流量計(jì)磁場時(shí)，在與流速和磁場兩者相垂直的方向就會(huì)產(chǎn)生與平均流速呈正比的感者相垂直的方向就會(huì)產(chǎn)生與平均流速呈正比的感應(yīng)電動(dòng)勢。

        如圖1所示，某一時(shí)刻由一對(duì)勵(lì)某一時(shí)刻由一對(duì)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，方向向上，流入液體的速上，流入液體的速度為v，管的直徑管為D，兩極的距離為Le，兩極間電動(dòng)勢，兩極間電動(dòng)勢ε正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B、流速v和兩極間的距離Le，即：

        ε=kBvLe…………………………（1）

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

        Qv=π(D/2)2v…………………………（2）

 

        因此流量

 

        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(dòng)勢ε不受流體的溫度、壓力、密度、電不受流體的溫度、壓力、密度、電導(dǎo)率（高于某閾值）變化的影響，因此電磁流量計(jì)在各種類型的流量計(jì)中有著較強(qiáng)的明顯優(yōu)勢和廣泛各種類型的流量計(jì)中有著較強(qiáng)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（裝置采用模塊（STM32F217STM32F217）來控制電磁流量）來控制電磁流量計(jì)的工作，包括產(chǎn)生勵(lì)磁脈沖方波信號(hào)、接收從探頭計(jì)的工作，包括產(chǎn)生勵(lì)磁脈沖方波信號(hào)、接收從探頭送來的反映流量大小的微弱電信號(hào)、輸出送來的反映流量大小的微弱電信號(hào)、輸出4~20mA4~20mA電流信號(hào)供指示儀表用，模塊附帶有各類接口電路電流信號(hào)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：接口等）。裝置包括：IC1單片機(jī)、IC2前置放大器、IC3A/DIC3A/D轉(zhuǎn)換器、IC4電壓轉(zhuǎn)電流模塊、IC5勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路、IC6電壓轉(zhuǎn)換模塊，以壓轉(zhuǎn)換模塊，以及USB快速接口電路、IC9芯片與周圍元件組片與周圍元件組成的RS232接口等電路。方框口等電路。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(jì)，要求表面做工精 傳感器采用了流線型設(shè)計(jì)，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 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(lì)磁線包采 英寸不銹鋼管為探頭殼體，勵(lì)磁線包采用 φ 0.06 mm 0.06 mm 銅線在軟磁鋼芯上進(jìn)行繞制，繞好后 銅線在軟磁鋼芯上進(jìn)行繞制，繞好后將其密封在一個(gè)呈流線型半球的 將其密封在一個(gè)呈流線型半球的 ABS 塑料殼內(nèi)，上面鑲嵌一對(duì)不銹鋼電極，它與勵(lì)磁線圈相連 上面鑲嵌一對(duì)不銹鋼電極，它與勵(lì)磁線圈相連 。為避免探頭內(nèi)感應(yīng)發(fā)射信號(hào)引起的干擾，對(duì)信號(hào)發(fā) 為避免探頭內(nèi)感應(yīng)發(fā)射信號(hào)引起的干擾，對(duì)信號(hào)發(fā)射引線、電極引線等做了全面屏蔽處理。

 

1.3.3 單片機(jī)控制電路

        IC1（STM32F217）單片機(jī)處理電路是采用先 ）單片機(jī)處理電路是采用先進(jìn)的 Cortex-M4 內(nèi)核，浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)行速度 內(nèi)核，浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)行速度高，DSP 處理指令強(qiáng)大，具有更多的存儲(chǔ)空間（1M的片上閃存、196 K 的內(nèi)嵌 SRAM），以及靈活的外 ），以及靈活的外部存儲(chǔ)器接口FSMC，還帶有多種外設(shè)接口（照相機(jī)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 器接口等），在其內(nèi)部可以完成 FFT、各類濾波、信 、各類濾波、信號(hào)壓縮和識(shí)別處理。具有多重總線并行處理能力， 號(hào)壓縮和識(shí)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(hào)的同時(shí)，還能驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。設(shè)計(jì)的 出音頻信號(hào)的同時(shí)，還能驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。設(shè)計(jì)的芯片電路具有超低功耗，當(dāng)主頻為 芯片電路具有超低功耗，當(dāng)主頻為 168 MHz 168 MHz 情況下，工作電流為 38.6 mA。

 

1.3.4 特殊電路設(shè)計(jì)

（1） 勵(lì)磁信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路

        由于探頭尺寸較小，所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流很弱， 由于探頭尺寸較小，所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流很弱，要處理這樣的信號(hào)，則后續(xù)的放大電路要有足夠高 要處理這樣的信號(hào)，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 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 及抗干擾性；為了防止交流 50 Hz 的工頻干擾，選 的工頻干擾，選用方波電流作為勵(lì)磁電流，其頻率選用 用方波電流作為勵(lì)磁電流，其頻率選用 12.5 Hz, 12.5 Hz, 它是 1/4 的工頻頻率，這樣可有效地抑制工頻干擾 [4]。勵(lì)磁信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部生成，從第 勵(lì)磁信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部生成，從第 26 腳輸出12.5 Hz 12.5 Hz 方波信號(hào)，接到勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路 方波信號(hào)，接到勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路IC5（LMD18200T LMD18200T）的 3 腳信號(hào)，它的內(nèi)部采用 腳信號(hào)，它的內(nèi)部采用 H橋式驅(qū)動(dòng)，送出勵(lì)磁電流加到其 橋式驅(qū)動(dòng)，送出勵(lì)磁電流加到其 2 腳和 10 腳之間的勵(lì)磁線圈上。在勵(lì)磁線圈 L 上形成 20~30 mA 20~30 mA 方波電流，它與控制方波電壓同步。使流體運(yùn)動(dòng)切割 波電流，它與控制方波電壓同步。使流體運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵(lì)磁電流完全保持同步， 磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵(lì)磁電流完全保持同步，這樣也便于在接收放大電路中信號(hào)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 ）放大器用于放大傳感器送來的反映流量大小的電壓信號(hào)，圖中 的反映流量大小的電壓信號(hào)，圖中 Rin 和 Rfb 是用來改變運(yùn)算放大器增益的電阻。 來改變運(yùn)算放大器增益的電阻。S1 是勵(lì)磁信號(hào)源，R17、R18 是輸入偏置電阻，運(yùn)放的 是輸入偏置電阻，運(yùn)放的 9 腳和 16腳分別接電源 ± 腳分別接電源 ±5 V，接在運(yùn)放 IC2 輸出端的 IC3（ADS8320 ADS8320）是 16 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 16 kHz/s 16 kHz/s，接在接收放大器與 ，接在接收放大器與 A/D 轉(zhuǎn)換器之間的 IC12（ISL21090 ISL21090）是三端穩(wěn)壓器。電路如圖 ）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(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，輸出電流范圍是 4~20mA 或 0~20 mA 0~20 mA，其后面可以接模擬指示儀表。接 其后面可以接模擬指示儀表。接在其輸出端的 IC10（LM358）是運(yùn)放，可將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電壓輸出范圍 流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電壓輸出范圍 0~10 V[5]。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(jī)對(duì)應(yīng)電路，組成 等元件組成的電路與單片機(jī)對(duì)應(yīng)電路，組成 USB快速接口電路。 快速接口電路。IC9（SP3232EEY）芯片與周圍元 ）芯片與周圍元件組成 RS232 接口電路。電路如圖 6 所示。

 

3、結(jié)束語

        全面介紹了一種用于造紙廠排放管道中檢測 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(jì)電路的設(shè)計(jì)方案，以 污水流量的智能化電磁流量計(jì)電路的設(shè)計(jì)方案，以及測試方法和數(shù)據(jù)分析模型，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。 及測試方法和數(shù)據(jù)分析模型，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。通過在直徑為 1 英寸的 PVC 塑料管中進(jìn)行試驗(yàn)，并 塑料管中進(jìn)行試驗(yàn)，并經(jīng)過現(xiàn)場流速逐點(diǎn)分布測量，獲取若干組不同狀態(tài) 經(jīng)過現(xiàn)場流速逐點(diǎn)分布測量，獲取若干組不同狀態(tài)下的平均流速，通過計(jì)算機(jī)模擬來確定回歸方程系 下的平均流速，通過計(jì)算機(jī)模擬來確定回歸方程系數(shù)，進(jìn)而來測量不同狀態(tài)下的流量值。測試結(jié)果分 數(shù)，進(jìn)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 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 其非線性誤差為 0.5%。該款電磁流量計(jì)的技術(shù)性能 。該款電磁流量計(jì)的技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

        作者：電磁流量計(jì)

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