礦用電磁流量計電路的設計

0 引言

近年來電磁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電磁流量計很少，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電磁流量計電路。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。用來控制整個電磁流量計，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4~20mA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。

圖1 系統方框圖

（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25.4mm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50Hz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12.5Hz，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12.5Hz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20~30mA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。

圖2 勵磁線圈驅動模塊電路

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，電磁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±5V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16kHz/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。

圖3 傳感器放大電路