針對造紙廠排污計量中經(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的電路設(shè)計方法，通過對其進(jìn)行測試和分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用***小二乘法對該電磁流量計實測數(shù)據(jù)值進(jìn)行直線擬合后，當(dāng)可測流量范圍控制在 0~150 m3·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的技術(shù)指標(biāo)已處于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的水平。

電磁流量計由于其測量靈活方便和靈敏度高，在工業(yè)上常用以計量各類流體的流量，如：水流、礦漿流等介質(zhì)。在各類造紙廠污水排放流量的計量中，電磁流量計被廣泛地應(yīng)用。在實際應(yīng)用中也暴露出一些缺點，例如，傳感探頭易受腐蝕、測試結(jié)果不夠穩(wěn)定以及傳輸信號易受外磁場干擾等 。針對這些問題，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電路。通過用它來對污水流量控制在 0~150 m3· s-1 范圍之內(nèi)進(jìn)行測試，所得到的實測數(shù)據(jù)應(yīng)用***小二乘法進(jìn)行直線擬合，來判斷其數(shù)值誤差范圍。

1.設(shè)計方案

1.1設(shè)計思路

本電磁流量計設(shè)計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，其探頭的要求是呈流線型、小巧靈活，而且安裝方便。當(dāng)探頭插入時對流體的影響可以忽略不計，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)品的技術(shù)性能指標(biāo)，在直徑為 100 mm 鐵管或 PVC 塑料管中做測試，并通過現(xiàn)場流速逐點分布測量，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)***小二乘法進(jìn)行直線擬合，用計算機(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電磁流量計原理

電磁流量計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磁場時，在與流速和磁場兩者相垂直的方向就會產(chǎn)生與平均流速呈正比的感應(yīng)電動勢 。

某一時刻由一對勵磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B，方向向上，流入液體的速度為 v，管的直徑為 D，兩極的距離為 Le，兩極間電動勢 ε 正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度 B、流速 v和兩極間的距離 Le，即：

1.3系統(tǒng)硬件部分

1.3.1方框圖

裝置采用模塊（STM32F217）來控制電磁流量計的工作，包括產(chǎn)生勵磁脈沖方波信號、接收從探頭送來的反映流量大小的微弱電信號、輸出 4~20 mA電流信號供指示儀表用，模塊附帶有各類接口電路（RS232、高速 USB 接口等）。裝置包括：IC1 單片機(jī)、IC2 前置放大器、IC3 A/D 轉(zhuǎn)換器、IC4 電壓轉(zhuǎn)電流模塊、IC5 勵磁線圈的驅(qū)動模塊電路、IC6 電壓轉(zhuǎn)換模塊，以及 USB 快速接口電路、IC9 芯片與周圍元件組成 的 RS232 接口等電路。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，要求表面做工精致，保證其工作在無阻流狀態(tài)下，以確保測量的精度。采用 1 英寸不銹鋼管為探頭殼體，勵磁線包采用 φ0.06 mm 銅線在軟磁鋼芯上進(jìn)行繞制，繞好后將其密封在一個呈流線型半球的 ABS 塑料殼內(nèi)，上面鑲嵌一對不銹鋼電極，它與勵磁線圈相連 。

為避免探頭內(nèi)感應(yīng)發(fā)射信號引起的干擾，對信號發(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)處理電路是采用先進(jìn)的 Cortex-M4 內(nèi)核，浮點運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)行速度高，DSP 處理指令強(qiáng)大，具有更多的存儲空間（1M的片上閃存、196 K 的內(nèi)嵌 SRAM），以及靈活的外部存儲器接口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 FFT、各類濾波、信號壓縮和識別處理。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 ；輸出音頻信號的同時，還能驅(qū)動液晶顯示屏。設(shè)計的芯片電路具有超低功耗，當(dāng)主頻為 168 MHz 情況下，工作電流為 38.6 mA。

1.3.4特殊電路設(shè)計

（1）勵磁信號與驅(qū)動電路由于探頭尺寸較小，所產(chǎn)生的勵磁電流很弱，要處理這樣的信號，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及抗干擾性；為了防止交流 50 Hz 的工頻干擾，選用方波電流作為勵磁電流，其頻率選用 12.5 Hz, 它是 1/4 的工頻頻率，這樣可有效地抑制工頻干擾 。

勵磁信號在單片機(jī)內(nèi)部生成，從第 26 腳輸出12.5 Hz 方波信號，接到勵磁線圈的驅(qū)動模塊電路IC5（LMD18200T）的 3 腳信號，它的內(nèi)部采用 H橋式驅(qū)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 20~30 mA 方波電流，它與控制方波電壓同步。使流體運(yùn)動切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵磁電流完全保持同步，這樣也便于在接收放大電路中信號的同步解調(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的反映流量大小的電壓信號，圖中 Rin 和 Rfb 是用來改變運(yùn)算放大器增益的電阻。S1 是勵磁信號源，R17、R18 是輸入偏置電阻，運(yùn)放的 9 腳和 16腳分別接電源 ±5 V，接在運(yùn)放 IC2 輸出端的 IC3（ADS8320）是 16 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 16 kHz/s，接在接收放大器與 A/D 轉(zhuǎn)換器之間的 IC12（ISL21090）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，可將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，輸出電流范圍是 4~20 mA 或 0~20 mA，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 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)對應(yīng)電路，組成 USB快速接口電路。IC9（SP3232EEY）芯片與周圍元件組成 RS232 接口電路。電路如圖 6 所示。

1.4編制軟件流程

軟件流程圖如圖 7 所示，在電磁流量計軟件編制過程中，首先要求對系統(tǒng)和 CPU 進(jìn)行初始化處理 , 由 CPU 模塊輸出勵磁脈沖方波信號 , 控制LM8200 產(chǎn)生勵磁電流驅(qū)動勵磁線圈。采集傳感器中反映流量大小的電壓信號，再經(jīng)過 IC2 放大該信號，經(jīng) 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器和 SPI 串口送入單片機(jī)進(jìn)行處理，在單片機(jī)中要進(jìn)行 A/D 實時采集、濾波、數(shù)據(jù)拼接和數(shù)據(jù)傳送處理，***后再經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過 IC4 轉(zhuǎn)換成 4~20 mA 電流信號送模擬儀表或者以電壓形式輸出。

在電磁流量計數(shù)據(jù)采集過程中，必須保證其數(shù)據(jù)的實時采集和正確存儲，數(shù)據(jù)采集是通過 A/D 轉(zhuǎn)換來進(jìn)行的，采集來的數(shù)據(jù)量儲存在單片機(jī)的 RAM 中等待濾波，單片機(jī)要保證實時采集的方法是使用 A/D 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生中斷請求，使單片機(jī)能夠及時處理 A/D 采集來的數(shù)據(jù)并存儲在緩沖區(qū)內(nèi)，所以必須將 A/D 轉(zhuǎn)換完成中斷設(shè)置為***。其中實時采集的數(shù)據(jù)濾波在主程序中實現(xiàn)，當(dāng) A/D 采集的數(shù)據(jù)長度達(dá)到一個窗口長度時，就去啟動主程序中的濾波處理，當(dāng)濾波處理完畢后又停下來等待下一個采集窗口的數(shù)據(jù)，濾波后的數(shù)據(jù)要及時拼接和存儲，這樣做既可節(jié)省單片機(jī)的存儲資源，又可提高串口傳輸效率。

1.5電路硬件設(shè)計要點

（1）本裝置的靈敏度要求高，且工作要求穩(wěn)定可靠，控制芯片采用了 STM32F217 單片機(jī)，它具有超強(qiáng)的浮點運(yùn)算能力和極高的運(yùn)行速度，來保證裝置的靈敏度性能。它自帶多種存儲空間和多種外設(shè)接口電路，加之軟件上采用看門狗電路和軟件陷阱等多種手段來保證裝置的可靠工作。

（2）由于探頭所處環(huán)境的特殊性，要求傳感器外殼具有及高的抗腐蝕性。選用 1 英寸不銹鋼管為探頭殼體，并進(jìn)行拋光氧化處理。為避免探頭內(nèi)的發(fā)射信號通過分布因素耦合到接收端，引起干擾，信號發(fā)射引線和線圈部分與信號接收引線和電極部分應(yīng)采用分別屏蔽。信號傳輸線選用高質(zhì)量低頻屏蔽引線 。

（3）在電路的 EMC 設(shè)計中盡量采用多層板結(jié)構(gòu)，采用完整的 GND 層，電源采用寬的走線或鋪銅，以減小供電系統(tǒng)的阻抗；模塊外部分立元件要使用表面貼片元件以減少引線分布參數(shù)的影響；將模擬和數(shù)字信號、高頻和低頻信號各自的地線分開處理；所有走線要盡量短，避免直角或銳角轉(zhuǎn)彎，避免分叉；盡量避免在模塊的正下方走線等

多種措施。

2.測試方法與結(jié)果分析

2.1紊流狀態(tài)下流速vOP和流量Qv的測定

當(dāng)測試環(huán)境處于紊流狀態(tài)時。采用穩(wěn)壓水塔和容積法來推定流速儀表的系數(shù)，從而來求測點處流速 VOP 和流量 Qv 的值。在測試時選擇光滑內(nèi)壁的塑料或金屬直管，其內(nèi)壁半徑 R=50 mm，并將探頭插入 1/4 的直徑處，即 Rx=25 mm，設(shè)與流體對應(yīng)的雷諾數(shù)有關(guān)的 n 取為 7，因為該狀態(tài)可以模擬紊流產(chǎn)生的條件，是比較理想的測試狀態(tài) 。

（1）根據(jù)穩(wěn)壓水塔和容積時間法由經(jīng)驗公式得

面平均流速=0.816vmax，式中 vmax 為流體***大流速；被測點處流速為，式中 R=50 mm, Rx=25 mm, n=7， 可由容積時間法測得；

（2）由面平均流速和被測點處流速可得

vOP=1.12 ；

（3）設(shè)流速分布系數(shù) α=/vOP，則 α=1/1.12；

（4）流量為 Qv=αvOPS=S，單位是 m3·s-1，式中 S 是所選管道的截面積。

（5）插入式電磁流量計試驗樣品的計算值 vOP

與儀表測定電壓值 U0 的關(guān)系如表 1 所示。

誤差在 0.5% 的范圍之內(nèi)。

2.2 面平均流速 的測試思路

在彎頭或閥門附近，當(dāng)流質(zhì)環(huán)境處于非理想紊流狀態(tài)時求面平均流速 ，可用二階回歸擬合方程式=k1vOP+k2vOP2 來求，式中系數(shù) k1, k2 可由現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)求出。由于二階回歸方程是非線性方程，要將其轉(zhuǎn)化為線性方程 /vOP=k1+k2vOP，令 y=  /vOP，x=vOP，則 y=k1+k2x

在測試時，選擇現(xiàn)場每一個穩(wěn)定的流速狀態(tài)，試著測定一組不同半徑處的流速，然后作流速分布圖，通過面積加權(quán)法，求出一個面平均流速 。由測得的 vOP（工作測點處的流速）和 的一組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)線性回歸方程公式求出一組 k1, k2。然后取該組 k1, k2 的平均值，將該值設(shè)置到編程軟件中，這樣可直接求出面平均流速 值。

3.結(jié)束語

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電路的設(shè)計方案，以及測試方法和數(shù)據(jù)分析模型，具有很強(qiáng)的實用價值。通過在直徑為 1 英寸的 PVC 塑料管中進(jìn)行試驗，并經(jīng)過現(xiàn)場流速逐點分布測量，獲取若干組不同狀態(tài)下的平均流速，通過計算機(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 0.5%。該款電磁流量計的技術(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。