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    超声波明渠新宝5

    基于M-BUS的电磁式明渠新宝5的设计

    基于M-BUS的电磁式明渠新宝5的设计根据排水设施的不同,矿井水的流量监测分为管道流量监测和明渠流量监测。相对于管道来说,明渠建造成本较低,清淤相对简便,维护费用低,适合各种水质的矿井水排水,所以矿井普遍使用明渠进行井下的排水。但是明渠的流量监测设备种类少,而且设备的精度普遍较低,稳定性较低,给明渠的流量监测带来了困难。因此研制一种高精度的明渠新宝5对矿井的安荃生产有重大意义。

                                

        1 新型明渠新宝5测量原理

     

        针对有规则矩形断面的明渠可方便地通过式(1)计算出明渠的流量值。

     

        QV=V×S=V×H×D   1

     

        式中QV———明渠的实时流量,m3/s

     

        V———明渠断面的平均流速值,m/s

     

        S———明渠断面的截面积,m2

     

        H———实测水位高度,m

     

        D———明渠断面的宽度,m

     

        从式(1)可以看出,液位和流速是两个关键测量参数,下面分别介绍其测量原理。

     

        1.1 液位的测量原理

     

        传统的液位测量方法采用的是电导式液位传感器,通过测量两电极之间的液体电导来实现液体液位的测量。但是由于电导式位移传感器两极间的电导和被测液体的电导率之间存在函数关系,当被测液体中存在杂质时,液体的电导率将不固定,若仍采用电极电导法测量会导致较大的测量误差。针对这一问题,设计采用了一种新型的不受被测液体电导率变化影响的液位测量方法。如图1所示,液体液位测量传感器包括两对电极,分别是设置在明渠底部电压激励电极35和相同大小、相互平行且垂直明渠底端的液体液位测量电极78。液位测量电极78安装在电压激励电极35的内侧,且到电压激励电极35的距离是对称的。通过测量电极78之间的电压差可通过公式推导得到相应的液体液位参数。

     

        当在电压激励电极MN间施加幅值恒定的交流电压Vi时,液体内将产生稳定的电场。电压激励电极MN的间距为L,极半径为aPQ间距离为da远远小于d

     

    1—液面;2—流速测量激励电极;3—液位测量激励电极M

     

    4—下端励磁线圈;5—液位测量激励电极N6—流速测量激励电极;7—液位测量电极P8—液位测量电极Q

     

    9—上端励磁线圈;10—处理器;11—传感器固定装置

     

    传感器结构示意图

     

        二维电场分析如图2所示。    

     

    二维电场分析图    

     

        设液体液面高度为H,取液面和两测量电极接触点处为测量点st。电压激励Mst的距离分别为rMsrMt,电压激励电极Nst的距离分别为rNsrNt,。设电流I馈入点为电压激励电极M,馈出点为电压激励电极N。则st点处电势为:

     

        则st两点处的电势差为:

     

        又因为两测量点st与电压激励电极MN的距离对称,则有:

     

        则st两点处的电势差可进一步表示为:

     

        由公式(7)可以得到测量点的测量信号与被测液体的液位高度值的函数关系。根据以上理论分析可得到,液位测量传感器输出与传感器结构、液位高度以及电极位置因素有关,而与被测液体电导率无关。

     

        1.2 流速的测量原理

     

        设计仍然采用传统电磁新宝5的液体流速测量方法,根据法拉第电磁感应定律,当导电液体在垂直于磁感应强度B的均匀磁场中以流速V运动时,导电液体就在做切割磁感线运动,若在垂直于磁场的两侧安装一对电极,两电极间将产生感应电动势e,且

     

        e=B×D×V   8

     

        D为明渠断面的宽度,可得瞬时流速V与比值e成正比。测得感应电动势e,即可得到液体的瞬时流速V

     

        2 电磁式明渠新宝5的设计

     

        2.1 总体设计

     

        明渠新宝5的原理框图如图3所示,该系统以P89LPC936为核心处理器,外围电路包括信号处理模块(放大、滤波、采样等)、励磁模块(励磁信号产生与放大)、键盘设置模块、液晶显示屏模块、传感器等。

     

        P89LPC936具有较大的电压操作范围,I/O口可承受5V的上拉电压,单片机提供了三种节电模式:空闲模式、掉电模式和完全掉电模式,在完全掉电模式下工作电流为1uAP89LPC936单片机的串口在标准的80C51UART的基础上增加了帧错误检测以及硬件地址识别功能,通过从机地址的设定以及屏蔽字的设定,可实现多个从机的广播操作。当P89LPC936单片机工作在完全掉电状态下时,自动地址识别功能依然可以通过设计电源管理的方式开启,当发现有效地址时会将单片机从完全掉电状态下唤醒,这种功能在其他种类的单片机上极少存在。这样可简化系统的硬件和软件的设计。

     

    明渠新宝5的原理框图    

     

        P89LPC936虽然在执行速度上比AVRAT90S8515单片机和MSP430系列单片机较慢,仍依然6倍于传统的51单片机,可以满足一般的工业级的应用。因此,该明渠新宝5选用P89LPC936

     

        由电极获得的微伏到毫伏的微弱信号通过滤波预处理、放大、低通滤波、A/D采样后输入到处理器进行运算处理,通过LCD显示数据,并将处理后的数据通过MBUS上传到通信分站,再经电平转换后传送给主机。测量数据可通过网页浏览方式实时显示,历史记录可随时查询。

     

        该新宝5工作流程分成液位测量和流速测量两个部分,采用分时上电工作,首先测量液体液位,此时电压激励打开而励磁输出关闭。当液位测量结束后则关闭电压激励,再打开励磁激励输出测量液体流速,可防止液位测量和流速测量之间造成相互干扰,影响测量精度。

     

        2.2 励磁方式的选择

     

        励磁方式即产生磁场的方式。一般有三种励磁方式:直流励磁、交流励磁和可编程低频矩形波励磁。直流励磁一般在测量非电解质流体的情况下才采用这种方式。交流励磁具有电路简单、测量反应迅速的特点,还能够降低电解质液体对电极的极化作用,降低漂移的直流干扰和电极间等效内阻对测量的影响,但是难以将工频信号和测量信号区分出来。可编程低频矩形波励磁兼有直流励磁和工频正弦波交流励磁的优点,在半个周期内磁场是直流磁场,低频矩形波励磁有直流励磁的特点,但从整个过程来看磁场又是处于周期性变化的过程中,低频矩形波又是一个交变信号,便于放大和处理。

     

        在本设计中采用第三种励磁方式。采用较高的励磁频率可以有效降低信号源内阻,但随着励磁频率的提高,正交干扰和同相干扰会严重且电极上的涡电流也随之增大。由实验分析,当励磁频率在100400Hz范围内时流动噪声和正交干扰蕞小。因此,蕞终采用200Hz的低频矩形波励磁。励磁电路包括励磁信号产生电路和励磁信号功率放大电路两部分组成。在励磁信号产生部分,采用了TI公司的16位串行D/A转换芯片DAC7731通过电平转换芯片SN74AHC245与处理器通信模块相连的方式产生励磁信号。本设计中利用处理器的定时器进行分频,通过软件编程改变输出励磁频率。

     

        2.3 硬件电路

     

        2.3.1 电源模块设计

     

        该系统用到的电源由+24V开关电源模块通过LM267412转换成12V后,再通过HT7150HT7130转换成+3VAD转换供电电源电压为5V,由LM26745转换得到。+24V主要用于励磁激励部分,+3V为核心处理器提供电源。

     

        2.3.2 放大电路设计

     

        传感器输出的测量信号是一个微弱的交变信号,需要进行放大处理。放大电路采用由TI公司生产的精密放大器芯片INA326INA326可将输出电压信号转换为电流信号并进行处理,因而可有效抑制共模输入电压,且不需要精密匹配的电阻,增益范围为0.110000V/V。信号经过放大电路后又经过二阶高斯低通滤波电路,可消除存在于感应电动势信号中的高频尖端噪声。

     

        2.3.3 AD转换电路设计

     

        AD转换电路如图4所示,AD转换电路中采用的是AD770516位具有2个全差分输入通道,它不仅简化了电路、缩小了面积、提高了分辨率,而且在抗干扰能力上不逊于双积分式的AD7109;在量程处理和输入信号的阻抗要求上比逐次逼近式的AD574灵活方便。转换速度其实也是可变的,其满足精度要求后的速度远比AD7109快,足以满足系统的转换频率要求。

     

    4 AD转换电路

     

        2.3.4 M-BUS模块电路设计

     

        MBUS总线系统中,主机向从机发送数据是采用的是改变总线电压而总线电流保持不变的电压调制方式;而从机向主机发送数据时采用的是改变总线电流而总线电压保持不变的电流调节方式。从机接口采用专用芯片TSS721A,主机接口无产品,自行设计,已设计成功,并已经申请国家专利。TSS721A具有动态电平辨识机制,可检测总线电压变化,并从TX端输出;从机发送数据从RX端输入,RX为高电平时总线电流维持不变;RX为低电平时,总线电流增大至固定值。当智能传感器发送数据时,TSS721A需要的工作电流增加,相应的电路设计达到了增加TSS721A工作电流的目的。空闲状态时电流减小,从而减少功耗。为防止单片机与通信电路相互干扰,采用光耦6N139将两者隔离。

     

        2.4 软件设计

     

        传感器的主程序流程如图5所示,单片机在初始化之后处于掉电工作状态,仅仅打开串口。当单片机接收到的地址与自身地址相符时,进入全速工作状态,再判断是与设置器还是通信分站进行通信,当单片机的P2.2口电压为低时,调用与设置器通信子程序,并进行传感器标定和地址设置;当单片机的P2.2口电压为高时,调用与通信分站通信子程序,进行流量测量。    

     

    主程序流程图

     

        3 结论

     

        该设计继承了传统的电磁新宝5的结构简单的特点,采用新型的液位测量方法,使液位测量不受液体电导率变化影响,并对液位和流速分时测量,减少了干扰和误差。同时,设计采用了自行研制的MBUS总线的主从机接口电路,可灵活简便的组成MBUS总线网络。该新宝5不仅可实现对矿井水的精却监测,保证矿井开采的安荃,还适用于其他具有自由水流的流量的测量,值得推广应用。

    点击次数:  更新时间:2018-09-20  【打印此页】  【关闭

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