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基于M-BUS的電磁式明渠流量計的設計

發布時間:2018-10-26

基于M-BUS的電磁式明渠流量計的設計根據排水設施的不同,礦井水的流量監測分為管道流量監測和明渠流量監測。相對于管道來說,明渠建造成本較低,清淤相對簡便,維護費用低,適合各種水質的礦井水排水,所以礦井普遍使用明渠進行井下的排水。但是明渠的流量監測設備種類少,而且設備的精度普遍較低,穩定性較低,給明渠的流量監測帶來了困難。因此研制一種高精度的明渠流量計對礦井的安全生產有重大意義。

新型明渠流量計測量原理

 

    針對有規則矩形斷面的明渠可方便地通過式(1)計算出明渠的流量值。

 

    QV=V×S=V×H×D   1

 

    式中QV———明渠的實時流量,m3/s

 

    V———明渠斷面的平均流速值,m/s

 

    S———明渠斷面的截面積,m2

 

    H———實測水位高度,m

 

    D———明渠斷面的寬度,m

 

    從式(1)可以看出,液位和流速是兩個關鍵測量參數,下面分別介紹其測量原理。

 

    1.1 液位的測量原理

 

    傳統的液位測量方法采用的是電導式液位傳感器,通過測量兩電極之間的液體電導來實現液體液位的測量。但是由于電導式位移傳感器兩極間的電導和被測液體的電導率之間存在函數關系,當被測液體中存在雜質時,液體的電導率將不固定,若仍采用電極電導法測量會導致較大的測量誤差。針對這一問題,設計采用了一種新型的不受被測液體電導率變化影響的液位測量方法。如圖1所示,液體液位測量傳感器包括兩對電極,分別是設置在明渠底部電壓激勵電極35和相同大小、相互平行且垂直明渠底端的液體液位測量電極78。液位測量電極78安裝在電壓激勵電極35的內側,且到電壓激勵電極35的距離是對稱的。通過測量電極78之間的電壓差可通過公式推導得到相應的液體液位參數。

 

    當在電壓激勵電極MN間施加幅值恒定的交流電壓Vi時,液體內將產生穩定的電場。電壓激勵電極MN的間距為L,極半徑為aPQ間距離為da遠遠小于d

 

1—液面;2—流速測量激勵電極;3—液位測量激勵電極M

 

4—下端勵磁線圈;5—液位測量激勵電極N6—流速測量激勵電極;7—液位測量電極P8—液位測量電極Q

 

9—上端勵磁線圈;10—處理器;11—傳感器固定裝置

 

傳感器結構示意圖

 

    二維電場分析如圖2所示。    

 

二維電場分析圖    

 

    設液體液面高度為H,取液面和兩測量電極接觸點處為測量點st。電壓激勵Mst的距離分別為rMsrMt,電壓激勵電極Nst的距離分別為rNsrNt,。設電流I饋入點為電壓激勵電極M,饋出點為電壓激勵電極N。則st點處電勢為:

 

    則st兩點處的電勢差為:

 

    又因為兩測量點st與電壓激勵電極MN的距離對稱,則有:

 

    則st兩點處的電勢差可進一步表示為:

 

    由公式(7)可以得到測量點的測量信號與被測液體的液位高度值的函數關系。根據以上理論分析可得到,液位測量傳感器輸出與傳感器結構、液位高度以及電極位置因素有關,而與被測液體電導率無關。

 

    1.2 流速的測量原理

 

    設計仍然采用傳統電磁流量計的液體流速測量方法,根據法拉第電磁感應定律,當導電液體在垂直于磁感應強度B的均勻磁場中以流速V運動時,導電液體就在做切割磁感線運動,若在垂直于磁場的兩側安裝一對電極,兩電極間將產生感應電動勢e,且

 

    e=B×D×V   8

 

    D為明渠斷面的寬度,可得瞬時流速V與比值e成正比。測得感應電動勢e,即可得到液體的瞬時流速V

 

    2 電磁式明渠流量計的設計

 

    2.1 總體設計

 

    明渠流量計的原理框圖如圖3所示,該系統以P89LPC936為核心處理器,外圍電路包括信號處理模塊(放大、濾波、采樣等)、勵磁模塊(勵磁信號產生與放大)、鍵盤設置模塊、液晶顯示屏模塊、傳感器等。

 

    P89LPC936具有較大的電壓操作范圍,I/O口可承受5V的上拉電壓,單片機提供了三種節電模式:空閑模式、掉電模式和完全掉電模式,在完全掉電模式下工作電流為1uAP89LPC936單片機的串口在標準的80C51UART的基礎上增加了幀錯誤檢測以及硬件地址識別功能,通過從機地址的設定以及屏蔽字的設定,可實現多個從機的廣播操作。當P89LPC936單片機工作在完全掉電狀態下時,自動地址識別功能依然可以通過設計電源管理的方式開啟,當發現有效地址時會將單片機從完全掉電狀態下喚醒,這種功能在其他種類的單片機上極少存在。這樣可簡化系統的硬件和軟件的設計。

 

明渠流量計的原理框圖    

 

    P89LPC936雖然在執行速度上比AVRAT90S8515單片機和MSP430系列單片機較慢,仍依然6倍于傳統的51單片機,可以滿足一般的工業級的應用。因此,該明渠流量計選用P89LPC936

 

    由電極獲得的微伏到毫伏的微弱信號通過濾波預處理、放大、低通濾波、A/D采樣后輸入到處理器進行運算處理,通過LCD顯示數據,并將處理后的數據通過MBUS上傳到通信分站,再經電平轉換后傳送給主機。測量數據可通過網頁瀏覽方式實時顯示,歷史記錄可隨時查詢。

 

    該流量計工作流程分成液位測量和流速測量兩個部分,采用分時上電工作,首先測量液體液位,此時電壓激勵打開而勵磁輸出關閉。當液位測量結束后則關閉電壓激勵,再打開勵磁激勵輸出測量液體流速,可防止液位測量和流速測量之間造成相互干擾,影響測量精度。

 

    2.2 勵磁方式的選擇

 

    勵磁方式即產生磁場的方式。一般有三種勵磁方式:直流勵磁、交流勵磁和可編程低頻矩形波勵磁。直流勵磁一般在測量非電解質流體的情況下才采用這種方式。交流勵磁具有電路簡單、測量反應迅速的特點,還能夠降低電解質液體對電極的極化作用,降低漂移的直流干擾和電極間等效內阻對測量的影響,但是難以將工頻信號和測量信號區分出來。可編程低頻矩形波勵磁兼有直流勵磁和工頻正弦波交流勵磁的優點,在半個周期內磁場是直流磁場,低頻矩形波勵磁有直流勵磁的特點,但從整個過程來看磁場又是處于周期性變化的過程中,低頻矩形波又是一個交變信號,便于放大和處理。

 

    在本設計中采用第三種勵磁方式。采用較高的勵磁頻率可以有效降低信號源內阻,但隨著勵磁頻率的提高,正交干擾和同相干擾會嚴重且電極上的渦電流也隨之增大。由實驗分析,當勵磁頻率在100400Hz范圍內時流動噪聲和正交干擾最小。因此,最終采用200Hz的低頻矩形波勵磁。勵磁電路包括勵磁信號產生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。在勵磁信號產生部分,采用了TI公司的16位串行D/A轉換芯片DAC7731通過電平轉換芯片SN74AHC245與處理器通信模塊相連的方式產生勵磁信號。本設計中利用處理器的定時器進行分頻,通過軟件編程改變輸出勵磁頻率。

 

    2.3 硬件電路

 

    2.3.1 電源模塊設計

 

    該系統用到的電源由+24V開關電源模塊通過LM267412轉換成12V后,再通過HT7150HT7130轉換成+3VAD轉換供電電源電壓為5V,由LM26745轉換得到。+24V主要用于勵磁激勵部分,+3V為核心處理器提供電源。

 

    2.3.2 放大電路設計

 

    傳感器輸出的測量信號是一個微弱的交變信號,需要進行放大處理。放大電路采用由TI公司生產的精密放大器芯片INA326INA326可將輸出電壓信號轉換為電流信號并進行處理,因而可有效抑制共模輸入電壓,且不需要精密匹配的電阻,增益范圍為0.110000V/V。信號經過放大電路后又經過二階高斯低通濾波電路,可消除存在于感應電動勢信號中的高頻尖端噪聲。

 

    2.3.3 AD轉換電路設計

 

    AD轉換電路如圖4所示,AD轉換電路中采用的是AD770516位具有2個全差分輸入通道,它不僅簡化了電路、縮小了面積、提高了分辨率,而且在抗干擾能力上不遜于雙積分式的AD7109;在量程處理和輸入信號的阻抗要求上比逐次逼近式的AD574靈活方便。轉換速度其實也是可變的,其滿足精度要求后的速度遠比AD7109快,足以滿足系統的轉換頻率要求。

 

4 AD轉換電路

 

    2.3.4 M-BUS模塊電路設計

 

    MBUS總線系統中,主機向從機發送數據是采用的是改變總線電壓而總線電流保持不變的電壓調制方式;而從機向主機發送數據時采用的是改變總線電流而總線電壓保持不變的電流調節方式。從機接口采用專用芯片TSS721A,主機接口無產品,自行設計,已設計成功,并已經申請國家專利。TSS721A具有動態電平辨識機制,可檢測總線電壓變化,并從TX端輸出;從機發送數據從RX端輸入,RX為高電平時總線電流維持不變;RX為低電平時,總線電流增大至固定值。當智能傳感器發送數據時,TSS721A需要的工作電流增加,相應的電路設計達到了增加TSS721A工作電流的目的。空閑狀態時電流減小,從而減少功耗。為防止單片機與通信電路相互干擾,采用光耦6N139將兩者隔離。

 

    2.4 軟件設計

 

    傳感器的主程序流程如圖5所示,單片機在初始化之后處于掉電工作狀態,僅僅打開串口。當單片機接收到的地址與自身地址相符時,進入全速工作狀態,再判斷是與設置器還是通信分站進行通信,當單片機的P2.2口電壓為低時,調用與設置器通信子程序,并進行傳感器標定和地址設置;當單片機的P2.2口電壓為高時,調用與通信分站通信子程序,進行流量測量。    

 

主程序流程圖

 

    3 結論

 

    該設計繼承了傳統的電磁流量計的結構簡單的特點,采用新型的液位測量方法,使液位測量不受液體電導率變化影響,并對液位和流速分時測量,減少了干擾和誤差。同時,設計采用了自行研制的MBUS總線的主從機接口電路,可靈活簡便的組成MBUS總線網絡。該流量計不僅可實現對礦井水的精確監測,保證礦井開采的安全,還適用于其他具有自由水流的流量的測量,值得推廣應用。

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