近年来电磁流量计在工业领域中得到迅速的应用，特别是在河水输送与污水排放流量的计量方面尤为突出，由于它测量灵活方便 和灵敏度较高，工业上多用以测量各类水流、矿浆流等介质。然而，由于煤矿安全性的特殊要求，目前可用于煤矿井下的电磁流量计很少，如，不能满足矿用防爆和 本质安全要求、测量范围窄以及传输信号易受外磁场干扰等。针对这些问题，研发了一种适合于矿用测流的电磁流量计电路。它采用新型单片机来控制，加之专用本 安励磁电路，具有实时检测和及时显示等多种功能，经过多家企业的试用，性能和技术指标已基本达到国内外同类产品的先进水平。

　　1 设计方案

　　1.1 设计思想

　　目前，我国矿用防爆电气产品的安全类型主要以隔爆型和本质安全型为主。本安设计就是要严格控制电路各部分产生的电火花能量，因此在设计中采用了专用 本安型励磁电路来防止励磁电流引起电火花;采用新型低功耗单片机来控制整个装置的工作，以保证其稳定性和可靠性;采用多种电磁屏蔽措施来防止静电产生和电磁 干扰，以保证电路的稳定工作。

　　1.2 系统电路硬件部分

　　(1)方框图

　　装置采用高速单片机模块电路(STM32F407)，它具有浮点运算能力强，超低功耗，功耗仅为38.6mA。用来控制整个电磁流量计，包括产生励 磁脉冲方波信号、接收来自探头的反映流量大小的电压信号、输出4~20mA电流信号供模拟显示仪表用，CPU模块带有各类接口电路(RS232、高速 USB接口等)、操作键盘和显示器接口电路等。

　　(2)传感器

　　为了保证测量的精度，要求传感器的探头做成流线型，当探头插入时对流体的影响很小，近似地认为是无阻流状态。具体采用25.4mm不锈钢管为探头壳 体，励磁线圈芯采用软磁钢作铁芯，线包，绕好后将它密封在一个呈流线型半球的高强度塑料壳内，上面有一对不锈钢电极，与励磁线圈相连。为避免探头内感应发 射信号引起的干扰，对信号发射引线、线圈与电极连线进行屏蔽处理。

　　(3)特殊的电路设计

　　①励磁信号与驱动电路

　　为了保证探头工作在无阻流状态，探头尺寸要尽量小，这样所产生的励磁电流也就小，要求后续的接收电路有足够高的输入阻抗，来保证传感器的灵敏度及抗 干扰性;为防止交流50Hz的工频干扰，选用方波电流作为励磁电流，其频率可选用1/4的工频频率12.5Hz，有效地抑制工频干扰。

　　励磁信号由单片机内部生成，从第26脚输出12.5Hz方波信号，接到IC5(LMD18200T)的3脚信号，它是励 磁线圈的驱动模块电路，内部采用H桥式驱动，送出励磁电流加到其2脚和10脚之间的励磁线圈上。在励磁线圈L上形成20~30mA正负对称的方波电流，它 与控制方波电压同步。流体运动切割磁力线产生的方波电压与励磁电流完全保持同步，即与控制开关网络的方波电压保持同步，便于在接收电路中信号的同步解调。

　　②本安型励磁线圈电路

　　传感器中励磁电流是产生电火花的危险源，电磁流量计要用于矿井下，保证励磁电路达到本质安全要求。当电流流过励磁线圈 时，在线圈内部会产生磁场，磁场贮存能量，当电路断开时，储存在线圈中的能量就会以火花的形式释放出来，因此必须泄放线圈中的贮能才能达到本安的要求。采 用了在线圈两端并联一个双向二极管(TVS管P6KE6.8CA)作为续流支路，以泄放线圈储存的磁能，降低通断时的电火花，吸收电流，泄放能量。以达到 本质安全的目的。

　　③传感器放大电路

　　IC2(SL28617)前置放大器用于放大传感器送来的反映流量大小的电压信号，改变图中Rin和 Rfb的阻值大小，可以改变该运算放大器的增益。S1是励磁信号源，R17、R18是输入偏置电阻，运放的9脚和16脚分别供±5V电压，接在运放IC2 输出端的IC3(ADS8320)是16位高速的A/D转换器，其转换速度可达16kHz/s，接在前置放大器与A/D转换器之间的 IC12(ISL21090)是三端稳压器。

　　1.3 编制软件

　　在编制电磁流量软件的过程中，首先要求对系统进行初始化、再对CPU进行初始化，由CPU输出励磁脉冲方波信号，控制 LM8200产生励磁电流驱动励磁线圈。采集传感器信号，使传感器送出反映流量大小的电压信号，经过IC2前置放大器放大该信号，再经16位A/D转换器 和SPI串口送入单片机进行处理，在单片机中要进行A/D实时采集、实时滤波和数据拼接和数据传送，最后经过D/A转换后，经过IC4转换成4~20mA 电流信号直接输出或者以电压形式输出。

　　2 测试方法与结果分析

　　(1)流速υop和流量Qv

　　当环境处于紊流状态时求测点处流速vop和流量Qv。选择稳压水塔和容积法来确定流速仪表的系数。其测试环境选择是非常 重要的。在测试时选择内壁半径R=50mm，且具有光滑内壁的塑料或金属直管，并将探头插入1/4的直径处，即Rx=25mm，设与流体对应的雷诺数有关 的n=7，因为该状态接近紊流产生的条件，因此是比较理想的测试条件。

　　由稳压水塔和容积时间法经验公式得：

　　面平均流速

　　(1)

　　式中 υmax——流体最大流速。

　　被测点处流速

　　(2)

　　由容积时间法测得。由面平均流速和被测点处流速可得;设流速分布系数，则;流量

　　(3)

　　式中 S——所选管道的截面积。

　　插入式电磁流量计样品的计算值υop与仪表测定电压值Uo的关系。

　　利用二元一次线性回归方程υop=βUo+c来确定系数β和c，线性回归系数比较表如表2所示。

　　平均值=1.1260258，c=-0.0065562，显然c太小，因此可以忽略，则

　　(4)

　　即测点处流速与仪表输出电压之间存在着简单的线性关系，因此使用起来很方便。只要将β作为一个乘数设置到编程软件中，即可直接读出υop。

　　由测点处流速读出值υop=βUo与υop(理论值)之间的误差Er。

　　经理论计算与实际所测的数值接近，误差在千分之几的范围内。

　　(2)面平均流速

　　当环境处于非理想紊流状态时求面平均流速。如果现场是处于如弯头或者阀门附近时，则可用二阶回归拟合方程式

　　系数k1，k1可由现场测得的数据求出。由于二阶回归方程是非线性方程，要将其转化为线性方程，则

　　(5)

　　在测试时，可选择现场每一个稳定的流速状态，测定一组不同半径处的流速，然后作流速分布图，通过面积加权法，可求出一个面平均流速。由测得的υop(工作测点处的流速)和的一组数据，然后根据线性回归方程公式求出一组k1，k2。最后取该组k1，k2的平均值，并将该值设置到编程软件中，即可直接求出面平均流速。