造紙廠排放檢測(cè)化工污水流量計(jì)選型的電路設(shè)計(jì)方案

摘要：針對(duì)造紙廠排污計(jì)量中經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量精度低、傳感探頭易受腐蝕和測(cè)試結(jié)果不夠穩(wěn)定等問(wèn)題，提出了一種適合于造紙廠排污管道中測(cè)流的化工污水流量計(jì)選型的電路設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用*小二乘法對(duì)該化工污水流量計(jì)選型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行直線擬合后，當(dāng)可測(cè)流量范圍控制在0～150m³·s-1之內(nèi)，其數(shù)據(jù)值非線性誤差范圍在0.5%以內(nèi)。表明該排污管化工污水流量計(jì)選型的技術(shù)指標(biāo)已處于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的**水平。
化工污水流量計(jì)選型由于其測(cè)量靈活方便和靈敏度高，化工污水流量計(jì)選型由于其測(cè)量靈活方便和靈敏度高，在工業(yè)上常用以計(jì)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(jì)量漿流等介質(zhì)。在各類造紙廠污水排放流量的計(jì)量中，化工污水流量計(jì)選型被廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中也暴中，化工污水流量計(jì)選型被廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出一些缺點(diǎn)，例如，傳感探頭易受腐蝕、測(cè)試結(jié)果露出一些缺點(diǎn)，如，傳感探頭易受腐蝕、測(cè)試結(jié)果不夠穩(wěn)定以及傳輸信號(hào)易受外磁場(chǎng)干擾等不夠穩(wěn)定以及傳輸信號(hào)易受外磁場(chǎng)干擾等。
針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一種適合造紙廠排污管道中這些問(wèn)題，本文提出了一種適合造紙廠排污管道中測(cè)污水流量的化工污水流量計(jì)選型電路。通過(guò)用它來(lái)對(duì)污水流量控制在0～150m0～150m³·s-1范圍之內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，所得范圍之內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，所得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用*小二乘法進(jìn)行直線擬合，來(lái)判到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用*小二乘法進(jìn)行直線擬合，來(lái)判斷其數(shù)值誤差范圍。
1.1 設(shè)計(jì)思路
本化工污水流量計(jì)選型設(shè)計(jì)的目的是為了滿足口徑小本化工污水流量計(jì)選型設(shè)計(jì)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(cè)量，其探頭的要英寸的直通管道中流速的測(cè)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(shí)對(duì)流體的影響可以忽略不計(jì)，近似地認(rèn)為是無(wú)入時(shí)對(duì)流體的影響可以忽略不計(jì)，近似地認(rèn)為是無(wú)阻流狀態(tài)。通過(guò)充分調(diào)研，并參考國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品阻流狀態(tài)。通過(guò)充分調(diào)研，并參考國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)，在直徑為100mm鐵管或PVC塑料管中做測(cè)試，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)流速逐點(diǎn)分布測(cè)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)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(jì)算機(jī)模擬來(lái)確定回*小二乘法進(jìn)行直線擬合，用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)確定回歸方程系數(shù)，進(jìn)而測(cè)量出不同狀態(tài)下的流量值。
1.2 化工污水流量計(jì)選型原理
化工污水流量計(jì)選型的原理是基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)導(dǎo)電流體流過(guò)化工污水流量計(jì)選型磁場(chǎng)時(shí)，在與流速和磁場(chǎng)兩電流體流過(guò)化工污水流量計(jì)選型磁場(chǎng)時(shí)，在與流速和磁場(chǎng)兩者相垂直的方向就會(huì)產(chǎn)生與平均流速呈正比的感者相垂直的方向就會(huì)產(chǎn)生與平均流速呈正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

如圖1所示，某一時(shí)刻由一對(duì)勵(lì)某一時(shí)刻由一對(duì)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，方向向上，流入液體的速上，流入液體的速度為v，管的直徑管為D，兩*的距離為L(zhǎng)e，兩*間電動(dòng)勢(shì)，兩*間電動(dòng)勢(shì)ε正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B、流速v和兩*間的距離Le，即：

ε=kBvLe   （1）

式中，k為比例系數(shù)。流量為比例系數(shù)。流量Qv與管的直徑D之間的關(guān)系為：

Qv=(D/2)2v   （2）

因此流量

式中K是與管直徑D、兩*間距Le有關(guān)的常量。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε不受流體的溫度、壓力、密度、電不受流體的溫度、壓力、密度、電導(dǎo)率（高于某閾值）變化的影響，因此化工污水流量計(jì)選型在各種類型的流量計(jì)中有著較強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)和廣泛各種類型的流量計(jì)中有著較強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)和廣泛的適用性。
1.3 系統(tǒng)硬件部分
1.3.1 方框圖
裝置采用模塊（裝置采用模塊（STM32F217STM32F217）來(lái)控制電磁流量）來(lái)控制化工污水流量計(jì)選型的工作，包括產(chǎn)生勵(lì)磁脈沖方波信號(hào)、接收從探頭計(jì)的工作，包括產(chǎn)生勵(lì)磁脈沖方波信號(hào)、接收從探頭送來(lái)的反映流量大小的微弱電信號(hào)、輸出送來(lái)的反映流量大小的微弱電信號(hào)、輸出4～20mA電流信號(hào)供指示儀表用，模塊附帶有各類接口電路電流信號(hào)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：接口等）。裝置包括：IC1單片機(jī)、IC2前置放大器、IC3A/DIC3A/D轉(zhuǎn)換器、IC4電壓轉(zhuǎn)電流模塊、IC5勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路、IC6電壓轉(zhuǎn)換模塊，以壓轉(zhuǎn)換模塊，以及USB快速接口電路、IC9芯片與周圍元件組片與周圍元件組成的RS232接口等電路。方框口等電路。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(jì)，要求表面做工精傳感器采用了流線型設(shè)計(jì)，要求表面做工精致，保證其工作在無(wú)阻流狀態(tài)下，以確保測(cè)量的精致，保證其工作在無(wú)阻流狀態(tài)下，以確保測(cè)量的精度。采用1英寸不銹鋼管為探頭殼體，勵(lì)磁線包采英寸不銹鋼管為探頭殼體，勵(lì)磁線包采用Φ0.06mm銅線在軟磁鋼芯上進(jìn)行繞制，繞好后銅線在軟磁鋼芯上進(jìn)行繞制，繞好后將其密封在一個(gè)呈流線型半球的將其密封在一個(gè)呈流線型半球的ABS塑料殼內(nèi)，上面鑲嵌一對(duì)不銹鋼電*，它與勵(lì)磁線圈相連上面鑲嵌一對(duì)不銹鋼電*，它與勵(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)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、電*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）單片機(jī)處理電路是采用先進(jìn)的Cortex-M4內(nèi)核，浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)行速度內(nèi)核，浮點(diǎn)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(chǔ)空間（1M的片上閃存、196K的內(nèi)嵌SRAM），以及靈活的外），以及靈活的外部存儲(chǔ)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)部可以完成器接口等），在其內(nèi)部可以完成FFT、各類濾波、信 、各類濾波、信號(hào)壓縮和識(shí)別處理。具有多重總線并行處理能力，號(hào)壓縮和識(shí)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(hào)的同時(shí)，還能驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。設(shè)計(jì)的出音頻信號(hào)的同時(shí)，還能驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。設(shè)計(jì)的芯片電路具有超低功耗，當(dāng)主頻為芯片電路具有超低功耗，當(dāng)主頻為168MHz情況下，工作電流為38.6mA。

1.3.4 特殊電路設(shè)計(jì)

（1）勵(lì)磁信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路

由于探頭尺寸較小，所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流很弱，由于探頭尺寸較小，所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流很弱，要處理這樣的信號(hào)，則后續(xù)的放大電路要有足夠高要處理這樣的信號(hào)，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(lái)保證傳感器的靈敏度的輸入阻抗和較大的增益，來(lái)保證傳感器的靈敏度及抗干擾性；為了防止交流及抗干擾性；為了防止交流50Hz的工頻干擾，選的工頻干擾，選用方波電流作為勵(lì)磁電流，其頻率選用用方波電流作為勵(lì)磁電流，其頻率選用12.5Hz，它是1/4的工頻頻率，這樣可有效地抑制工頻干擾。勵(lì)磁信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部生成，從*勵(lì)磁信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部生成，從*26腳輸出12.5Hz方波信號(hào)，接到勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路方波信號(hào)，接到勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)模塊電路IC5（LMD18200T LMD18200T）的3腳信號(hào)，它的內(nèi)部采用腳信號(hào)，它的內(nèi)部采用H橋式驅(qū)動(dòng)，送出勵(lì)磁電流加到其橋式驅(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方波電流，它與控制方波電壓同步。使流體運(yùn)動(dòng)切割波電流，它與控制方波電壓同步。使流體運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵(lì)磁電流完全保持同步， 磁力線產(chǎn)生的方波電壓與勵(lì)磁電流完全保持同步，這樣也便于在接收放大電路中信號(hào)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(lái)）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)，圖中的反映流量大小的電壓信號(hào)，圖中Rin和Rfb是用來(lái)改變運(yùn)算放大器增益的電阻。來(lái)改變運(yùn)算放大器增益的電阻。S1是勵(lì)磁信號(hào)源，R17、R18是輸入偏置電阻，運(yùn)放的是輸入偏置電阻，運(yùn)放的9腳和16腳分別接電源±腳分別接電源±5V，接在運(yùn)放IC2輸出端的IC3（ADS8320 ADS8320）是16位高速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)16kHz/s，接在接收放大器與接在接收放大器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的IC12（ISL21090 ISL21090）是三端穩(wěn)壓器。電路如圖）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(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，輸出電流范圍是4～20mA或0～20mA，其后面可以接模擬指示儀表。接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，電壓輸出范圍流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電壓輸出范圍0～10V。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(duì)應(yīng)電路，組成等元件組成的電路與單片機(jī)對(duì)應(yīng)電路，組成USB快速接口電路。快速接口電路。IC9（SP3232EEY）芯片與周圍元）芯片與周圍元件組成RS232接口電路。電路如圖6所示。

3、結(jié)束語(yǔ)
全面介紹了一種用于造紙廠排放管道中檢測(cè)全面介紹了一種用于造紙廠排放管道中檢測(cè)污水流量的智能化化工污水流量計(jì)選型電路的設(shè)計(jì)方案，以污水流量的智能化化工污水流量計(jì)選型電路的設(shè)計(jì)方案，以及測(cè)試方法和數(shù)據(jù)分析模型，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。及測(cè)試方法和數(shù)據(jù)分析模型，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)在直徑為1英寸的PVC塑料管中進(jìn)行試驗(yàn)，并塑料管中進(jìn)行試驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)流速逐點(diǎn)分布測(cè)量，獲取若干組不同狀態(tài)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)流速逐點(diǎn)分布測(cè)量，獲取若干組不同狀態(tài)下的平均流速，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)確定回歸方程系下的平均流速，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)確定回歸方程系數(shù)，進(jìn)而來(lái)測(cè)量不同狀態(tài)下的流量值。測(cè)試結(jié)果分?jǐn)?shù)，進(jìn)而來(lái)測(cè)量不同狀態(tài)下的流量值。測(cè)試結(jié)果分析表明，其可測(cè)流量范圍控制在析表明，其可測(cè)流量范圍控制在0～150m³·h-1之內(nèi)，其非線性誤差為其非線性誤差為0.5%。該款化工污水流量計(jì)選型的技術(shù)性能。該款化工污水流量計(jì)選型的技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。