适合于矿用测流的污水流量计电路的设计

0 引言

近年来污水流量计在工业领域中得到迅速的应用，特别是在河水输送与污水排放流量的计量方面尤为突出， 由于它测量灵活方便和灵敏度较高，工业上多用以测量各类水流、矿浆流等介质。然而，由于煤矿安全性的特殊要求，目前可用于煤矿井下的污水流量计很少，如，不能满足矿用防爆和本质安全要求、测量范围窄以及传输信号易受外磁场干扰等。针对这些问题，研发了一种适合于矿用测流的污水流量计电路。它采用新型单片机来控制，加之专用本安励磁电路，具有实时检测和及时显示等多种功能，经过多家企业的试用，性能和技术指标已基本达到国内外同类产品的先进水平。

1 设计方案

1.1 设计思想

目前，我国矿用防爆电气产品的安全类型主要以隔爆型和本质安全型为主。本安设计就是要严格控制电路各部分产生的电火花能量，因此在设计中采用了专用本安励磁电路来防止励磁电流引起电火花；采用新型低功耗单片机来控制整个装置的工作，以保证其稳定性和可靠性；采用多种电磁屏蔽措施来防止静电产生和电磁干扰， 以保证电路的稳定工作。

1.2 系统电路硬件部分

（1）方框图

装置采用高速单片机模块电路（STM32F407），它具有浮点运算能力强，超低功耗，功耗仅为38.6mA。

用来控制整个污水流量计， 包括产生励磁脉冲方波信号、接收来自探头的反映流量大小的电压信号、输出4~20 mA 电流信号供模拟显示仪表用，CPU 模块带有各类接口电路RS232、高速USB 接口等）、操作键盘和显示器接口电路等。方框图如图1 所示。

（2）传感器

为了保证测量的精度， 要求传感器的探头做成流线型，当探头插入时对流体的影响很小，近似地认为是无阻流状态。具体采用25.4 mm 不锈钢管为探头壳体， 励磁线圈芯采用软磁钢作铁芯，线包， 绕好后将它密封在一个呈流线型半球的高强度塑料壳内，上面有一对不锈钢电极，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、线圈与电极连线进行屏蔽处理。

（3）特殊的电路设计

①励磁信号与驱动电路

为了保证探头工作在无阻流状态，探头尺寸要尽量小，这样所产生的励磁电流也就小，要求后续的接收电路有足够高的输入阻抗，来保证传感器的灵敏度及抗干扰性；为防止交流50 Hz 的工频干扰，选用方波电流作为励磁电流， 其频率可选用1/4 的工频频率12.5 Hz，有效地抑制工频干扰。

励磁信号由单片机内部生成，从第26 脚输出12.5 Hz 方波信号，接到IC5（LMD18200T）的3 脚信号，它是励磁线圈的驱动模块电路，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 正负对称的方波电流，它与控制方波电压同步。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， 即与控制开关网络的方波电压保持同步，便于在接收电路中信号的同步解调。电路如图2所示。

②本安型励磁线圈电路

传感器中励磁电流是产生电火花的危险源，污水流量计要用于矿井下，保证励磁电路达到本质安全要求。当电流流过励磁线圈时，在线圈内部会产生磁场，磁场贮存能量，当电路断开时，储存在线圈中的能量就会以火花的形式释放出来，因此必须泄放线圈中的贮能才能达到本安的要求。采用了在线圈两端并联一个双向二极管（TVS 管P6KE6.8CA）作为续流支路，以泄放线圈储存的磁能，降低通断时的电火花，吸收电流，泄放能量。以达到本质安全的目的。

③传感器放大电路

电路如图3 所示。IC2（SL28617）前置放大器用于放大传感器送来的反映流量大小的电压信号，改变图中Rin和Rfb的阻值大小，可以改变该运算放大器的增益。S1 是励磁信号源，R17、R18 是输入偏置电阻，运放的9 脚和16 脚分别供±5 V 电压，接在运放IC2 输出端的IC3（ADS8320）是16 位高速的A/D转换器，其转换速度可达16 kHz/s，接在前置放大器与A/D 转换器之间的IC12（ISL21090）是三端稳压器。

1.3 编制软件

软件流程图如图4 所示。

在编制电磁流量软件的过程中，首先要求对系统进行初始化、再对CPU 进行初始化， 由CPU 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。采集传感器信号，使传感器送出反映流量大小的电压信号， 经过IC2 前置放大器放大该信号， 再经16 位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、实时滤波和数据拼接和数据传送，最后经过D/A 转换后，经过IC4 转换成4~20 mA 电流信号直接输出或者以电压形式输出。