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0 引言

近年來(lái)電磁流量計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域中得到迅速的應(yīng)用，特別是在河水輸送與污水排放流量的計(jì)量方面尤為突出，由于它測(cè)量靈活方便和靈敏度較高，工業(yè)上多用以測(cè)量各類水流、礦漿流等介質(zhì)。然而，由于煤礦安全性的特殊要求，目前可用于煤礦井下的電磁流量計(jì)很少，如，不能滿足礦用防爆和本質(zhì)安全要求、測(cè)量范圍窄以及傳輸信號(hào)易受外磁場(chǎng)干擾等。針對(duì)這些問(wèn)題，研發(fā)了一種適合于礦用測(cè)流的電磁流量計(jì)電路。它采用新型單片機(jī)來(lái)控制，加之本安勵(lì)磁電路，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)和及時(shí)顯示等多種功能，經(jīng)過(guò)多家企業(yè)的試用，性能和技術(shù)指標(biāo)已基本達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的*水平。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思想

目前，我國(guó)礦用防爆電氣產(chǎn)品的安全類型主要以隔爆型和本質(zhì)安全型為主。本安設(shè)計(jì)就是要嚴(yán)格控制電路各部分產(chǎn)生的電火花能量，因此在設(shè)計(jì)中采用了本安勵(lì)磁電路來(lái)防止勵(lì)磁電流引起電火花；采用新型低功耗單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)裝置的工作，以保證其穩(wěn)定性和可靠性；采用多種電磁屏蔽措施來(lái)防止靜電產(chǎn)生和電磁干擾，以保證電路的穩(wěn)定工作。

1.2 系統(tǒng)電路硬件部分

（1）方框圖

裝置采用高速單片機(jī)模塊電路（STM32F407），它具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，超低功耗，功耗僅為38.6mA。用來(lái)控制整個(gè)電磁流量計(jì)，包括產(chǎn)生勵(lì)磁脈沖方波信號(hào)、接收來(lái)自探頭的反映流量大小的電壓信號(hào)、輸出4~20mA電流信號(hào)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(pán)和顯示器接口電路等。方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

（2）傳感器 

為了保證測(cè)量的精度，要求傳感器的探頭做成流線型，當(dāng)探頭插入時(shí)對(duì)流體的影響很小，近似地認(rèn)為是無(wú)阻流狀態(tài)。具體采用25.4mm不銹鋼管為探頭殼體，勵(lì)磁線圈芯采用軟磁鋼作鐵芯，線包，繞好后將它密封在一個(gè)呈流線型半球的高強(qiáng)度塑料殼內(nèi)，上面有一對(duì)不銹鋼電極，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)射引線、線圈與電極連線進(jìn)行屏蔽處理。

（3）特殊的電路設(shè)計(jì)

①勵(lì)磁信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路

為了保證探頭工作在無(wú)阻流狀態(tài)，探頭尺寸要盡量小，這樣所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流也就小，要求后續(xù)的接收電路有足夠高的輸入阻抗，來(lái)保證傳感器的靈敏度及抗干擾性；為防止交流50Hz的工頻干擾，選用方波電流作為勵(lì)磁電流，其頻率可選用1/4的工頻頻率12.5Hz，有效地抑制工頻干擾。

勵(lì)磁信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部生成，從第26腳輸出12.5Hz方波信號(hào)，接到IC5（LMD18200T）的3腳信號(hào)，它是勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路，內(nèi)部采用H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20~30mA正負(fù)對(duì)稱的方波電流，它與控制方波電壓同步。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*保持同步，即與控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的方波電壓保持同步，便于在接收電路中信號(hào)的同步解調(diào)。電路如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)模塊電路

②本安型勵(lì)磁線圈電路

傳感器中勵(lì)磁電流是產(chǎn)生電火花的危險(xiǎn)源，電磁流量計(jì)要用于礦井下，保證勵(lì)磁電路達(dá)到本質(zhì)安全要求。當(dāng)電流流過(guò)勵(lì)磁線圈時(shí)，在線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)貯存能量，當(dāng)電路斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在線圈中的能量就會(huì)以火花的形式釋放出來(lái)，因此必須泄放線圈中的貯能才能達(dá)到本安的要求。采用了在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)雙向二極管（TVS管P6KE6.8CA）作為續(xù)流支路，以泄放線圈儲(chǔ)存的磁能，降低通斷時(shí)的電火花，吸收電流，泄放能量。以達(dá)到本質(zhì)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(lái)的反映流量大小的電壓信號(hào)，改變圖中Rin和Rfb的阻值大小，可以改變?cè)撨\(yùn)算放大器的增益。S1是勵(lì)磁信號(hào)源，R17、R18是輸入偏置電阻，運(yùn)放的9腳和16腳分別供±5V電壓，接在運(yùn)放IC2輸出端的IC3（ADS8320）是16位高速的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)16kHz/s，接在前置放大器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的IC12（ISL21090）是三端穩(wěn)壓器。

圖3 傳感器放大電路