數(shù)字化磁性物質(zhì)含量計(jì)
磁性物質(zhì)含量計(jì)是重介質(zhì)洗煤廠必備的在線檢測(cè)介質(zhì)變化的測(cè)量?jī)x器，用于監(jiān)測(cè)磁性物質(zhì)的含量，由此可推算出介質(zhì)中非磁性物質(zhì)的含量，從而在懸浮液密度一定的情況下調(diào)整其黏度，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和分選效率。
1設(shè)計(jì)原理
根據(jù)電磁場(chǎng)理論，線圈的電感量可由下式計(jì)算：L＝μ0μrn2S／l，其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為線圈管內(nèi)介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率，n為線圈匝數(shù)，S是線圈橫截面積，l為線圈長(zhǎng)度。當(dāng)線圈的匝數(shù)、橫截面積、長(zhǎng)度確定后，線圈的電感量與其中介質(zhì)的磁導(dǎo)率成正比。重介質(zhì)選煤時(shí)的懸浮液由磁鐵礦粉與水配制而成，并拌有洗選過(guò)程中的煤泥，其中水和煤泥是非磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率，亦即μr≈1；而磁鐵礦粉是磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率比真空磁導(dǎo)率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即
。因此，當(dāng)重介質(zhì)懸 浮液流經(jīng)一個(gè)感應(yīng)線圈時(shí)，其磁導(dǎo)率μr將隨且僅隨磁性物質(zhì)的含量而變化，故線圈的電 感量也將與鐵磁物質(zhì)的含量成正比。同時(shí)，電感的伏安特性為線圈的自感電動(dòng)勢(shì)ε＝－L(di／dt)，若采用三角波電流源，那么(di／dt)為同周期的方波，則在半個(gè)周期內(nèi)，(di／dt)為常數(shù)，則ε與L成正比。若設(shè)任意時(shí)刻線圈上的自感電動(dòng)勢(shì)為ε，懸浮液中鐵磁物質(zhì)的含量為h，則它們之間的關(guān)系如圖1所示。
根據(jù)電磁場(chǎng)理論，線圈的電感量可由下式計(jì)算：L＝μ0μrn2S／l，其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為線圈管內(nèi)介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率，n為線圈匝數(shù)，S是線圈橫截面積，l為線圈長(zhǎng)度。當(dāng)線圈的匝數(shù)、橫截面積、長(zhǎng)度確定后，線圈的電感量與其中介質(zhì)的磁導(dǎo)率成正比。重介質(zhì)選煤時(shí)的懸浮液由磁鐵礦粉與水配制而成，并拌有洗選過(guò)程中的煤泥，其中水和煤泥是非磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率，亦即μr≈1；而磁鐵礦粉是磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率比真空磁導(dǎo)率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即
。因此，當(dāng)重介質(zhì)懸 浮液流經(jīng)一個(gè)感應(yīng)線圈時(shí)，其磁導(dǎo)率μr將隨且僅隨磁性物質(zhì)的含量而變化，故線圈的電 感量也將與鐵磁物質(zhì)的含量成正比。同時(shí)，電感的伏安特性為線圈的自感電動(dòng)勢(shì)ε＝－L(di／dt)，若采用三角波電流源，那么(di／dt)為同周期的方波，則在半個(gè)周期內(nèi)，(di／dt)為常數(shù)，則ε與L成正比。若設(shè)任意時(shí)刻線圈上的自感電動(dòng)勢(shì)為ε，懸浮液中鐵磁物質(zhì)的含量為h，則它們之間的關(guān)系如圖1所示。 
其中，ε0、h0為線圈空心時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)及懸浮液中鐵磁物質(zhì)的含量，此狀態(tài)為含量計(jì)鐵磁物質(zhì)含量的零狀態(tài)，即h0＝1，相應(yīng)的ε0為非零值，稱零度值；εm、hm為線圈中充滿鐵磁物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)及懸浮液中鐵磁物質(zhì)的含量，此狀態(tài)為含量計(jì)鐵磁物質(zhì)含量的滿量程狀態(tài)，相應(yīng)的εm稱為滿度值。任意時(shí)刻均有h0＜h＜hm，而相應(yīng)的ε0＜ε＜εm。
由圖1可知：
為了計(jì)算方便，可使hm=1 000 kg／m3，即當(dāng)線圈中充滿鐵磁物質(zhì)時(shí)，通過(guò)線圈繞制控制每排的匝數(shù)，使其所包圍的體積中含鐵磁物質(zhì)為1 000 kg／m3，則磁性物質(zhì)含量計(jì)可以直接顯示出懸浮液中鐵磁物質(zhì)的含量，量程為0～1 000 kg／m3
由圖1可知：
為了計(jì)算方便，可使hm=1 000 kg／m3，即當(dāng)線圈中充滿鐵磁物質(zhì)時(shí)，通過(guò)線圈繞制控制每排的匝數(shù)，使其所包圍的體積中含鐵磁物質(zhì)為1 000 kg／m3，則磁性物質(zhì)含量計(jì)可以直接顯示出懸浮液中鐵磁物質(zhì)的含量，量程為0～1 000 kg／m3
2硬件組成
2.1變送器
變送器由導(dǎo)管及電感線圈構(gòu)成。
導(dǎo)管采用非磁性的耐磨材料不銹鋼制成，直徑可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求而做變更。
線圈的匝數(shù)與直徑依電感量要求而定，用平排密繞方式繞制其上，繞制寬度由導(dǎo)管直徑及其量程來(lái)確定。線圈外部用非磁性材料封裝定位。
變送器兩端與外部被測(cè)管道用法蘭盤(pán)連接固定。
2.2顯示器
顯示器采用LCM045型4位8段帶小數(shù)點(diǎn)通用儀器儀表液晶顯示模塊，可與單片機(jī)接口，內(nèi)置顯示RAM，使用編程簡(jiǎn)單，低功耗，顯示清晰，穩(wěn)定可靠。
2.3轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換器的核心是一塊主板，完成三角波電流源的產(chǎn)生及數(shù)據(jù)處理功能。如圖2所示。
2.1變送器
變送器由導(dǎo)管及電感線圈構(gòu)成。
導(dǎo)管采用非磁性的耐磨材料不銹鋼制成，直徑可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求而做變更。
線圈的匝數(shù)與直徑依電感量要求而定，用平排密繞方式繞制其上，繞制寬度由導(dǎo)管直徑及其量程來(lái)確定。線圈外部用非磁性材料封裝定位。
變送器兩端與外部被測(cè)管道用法蘭盤(pán)連接固定。
2.2顯示器
顯示器采用LCM045型4位8段帶小數(shù)點(diǎn)通用儀器儀表液晶顯示模塊，可與單片機(jī)接口，內(nèi)置顯示RAM，使用編程簡(jiǎn)單，低功耗，顯示清晰，穩(wěn)定可靠。
2.3轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換器的核心是一塊主板，完成三角波電流源的產(chǎn)生及數(shù)據(jù)處理功能。如圖2所示。
2.3.1電源
現(xiàn)場(chǎng)有±24 V電源，需生成＋5 V與±12 V電源，采用電源變換器完成。
2.3.2數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)
采用89C52單片機(jī)，其256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理提供了充足的空間，8K字的FL ASH內(nèi)存也較適合程序的長(zhǎng)度。為提高運(yùn)算速度，采用24 M晶體。
數(shù)據(jù)處理后，為防止掉電丟失，防備工作現(xiàn)場(chǎng)的意外情況，采用了I2C接口的EEPROM24C04。24C04是帶有I2C接口的存儲(chǔ)器，掉電數(shù)據(jù)不丟失。用單片機(jī)的兩個(gè)通用I／O引腳模擬I2C接口。
2.3.3電流源產(chǎn)生
由三角波發(fā)生器及電流源電路組成。首先采用D／A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生方波，經(jīng)積分器生成三角波輸出，在設(shè)計(jì)中，D／A轉(zhuǎn)換器采用的是12位雙通道的AD7537。當(dāng)D／A轉(zhuǎn)換器輸出固定數(shù)值時(shí)，若延時(shí)足夠時(shí)間，使電容完成充電過(guò)程，即能輸出直流電。
2.3.4數(shù)據(jù)輸入
電路中設(shè)置了3個(gè)采樣點(diǎn)，為簡(jiǎn)化電路，只用了一片A／D轉(zhuǎn)換器，故增加了一片電子開(kāi)關(guān)芯片。A／D轉(zhuǎn)換器采用的是AD574，12位單通道，轉(zhuǎn)換速率為25μs，電子開(kāi)關(guān)采用的是CD405 1，8路，輸入范圍為12～＋12 V。
2.3.5零度、滿度控制
選煤時(shí)，混合液流經(jīng)的管道中，磁感應(yīng)強(qiáng)度μ介于管子中空芯與充滿鐵磁粉之間，空芯時(shí)電感上的純交流電壓為下限，即零度值；充滿鐵磁粉時(shí)電感上的純交流電壓為上限，即滿度值。用單片機(jī)的通用I／Ｏ引腳外接2個(gè)按鍵，即可控制數(shù)值的讀入，并送入24C04中存儲(chǔ)。
現(xiàn)場(chǎng)有±24 V電源，需生成＋5 V與±12 V電源，采用電源變換器完成。
2.3.2數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)
采用89C52單片機(jī)，其256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理提供了充足的空間，8K字的FL ASH內(nèi)存也較適合程序的長(zhǎng)度。為提高運(yùn)算速度，采用24 M晶體。
數(shù)據(jù)處理后，為防止掉電丟失，防備工作現(xiàn)場(chǎng)的意外情況，采用了I2C接口的EEPROM24C04。24C04是帶有I2C接口的存儲(chǔ)器，掉電數(shù)據(jù)不丟失。用單片機(jī)的兩個(gè)通用I／O引腳模擬I2C接口。
2.3.3電流源產(chǎn)生
由三角波發(fā)生器及電流源電路組成。首先采用D／A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生方波，經(jīng)積分器生成三角波輸出，在設(shè)計(jì)中，D／A轉(zhuǎn)換器采用的是12位雙通道的AD7537。當(dāng)D／A轉(zhuǎn)換器輸出固定數(shù)值時(shí)，若延時(shí)足夠時(shí)間，使電容完成充電過(guò)程，即能輸出直流電。
2.3.4數(shù)據(jù)輸入
電路中設(shè)置了3個(gè)采樣點(diǎn)，為簡(jiǎn)化電路，只用了一片A／D轉(zhuǎn)換器，故增加了一片電子開(kāi)關(guān)芯片。A／D轉(zhuǎn)換器采用的是AD574，12位單通道，轉(zhuǎn)換速率為25μs，電子開(kāi)關(guān)采用的是CD405 1，8路，輸入范圍為12～＋12 V。
2.3.5零度、滿度控制
選煤時(shí)，混合液流經(jīng)的管道中，磁感應(yīng)強(qiáng)度μ介于管子中空芯與充滿鐵磁粉之間，空芯時(shí)電感上的純交流電壓為下限，即零度值；充滿鐵磁粉時(shí)電感上的純交流電壓為上限，即滿度值。用單片機(jī)的通用I／Ｏ引腳外接2個(gè)按鍵，即可控制數(shù)值的讀入，并送入24C04中存儲(chǔ)。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1檢測(cè)信號(hào)的生成
檢測(cè)信號(hào)由AD7537在單片機(jī)的控制下生成，為此，采用了T0中斷，定時(shí)給D／A轉(zhuǎn)換器交替送 入最小值(0000H)、最大值(0FFFH)，結(jié)合硬件電路即能生成±2.5 V的方波。
3.2自動(dòng)計(jì)算及顯示
系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)檢測(cè)電壓變化并及時(shí)顯示。故采用T1做16位定時(shí)器，分別送出0.2 s、0.6 s及1 h的標(biāo)志，主程序依據(jù)這些標(biāo)志分別執(zhí)行計(jì)算自感電動(dòng)勢(shì)、送顯示及計(jì)算直流電壓的操作。
3.3零度值及滿度值的校準(zhǔn)
零度值及滿度值的校準(zhǔn)是在現(xiàn)場(chǎng)由調(diào)試人員進(jìn)行的。主程序中不斷檢測(cè)是 否有按鍵操作，按鍵被按下時(shí)，區(qū)分被按下的是零度鍵還是滿度鍵，計(jì)算此時(shí)線圈兩端的純交流電壓，存入單片機(jī)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，并計(jì)算滿度值與零度值的差，將零度值與差值存入24C04中，以防在生產(chǎn)中掉電丟失。
3.4自感電動(dòng)勢(shì)ε的計(jì)算
為了提高自感電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算精度，需考慮電感中的電阻效應(yīng)，線圈的交、直流等效電路如圖3所示。其中A，B，C為采樣點(diǎn)，即單片機(jī)能取得A，B，C 3點(diǎn)的電位，由此計(jì)算出UAB與UBC的值。
3.1檢測(cè)信號(hào)的生成
檢測(cè)信號(hào)由AD7537在單片機(jī)的控制下生成，為此，采用了T0中斷，定時(shí)給D／A轉(zhuǎn)換器交替送 入最小值(0000H)、最大值(0FFFH)，結(jié)合硬件電路即能生成±2.5 V的方波。
3.2自動(dòng)計(jì)算及顯示
系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)檢測(cè)電壓變化并及時(shí)顯示。故采用T1做16位定時(shí)器，分別送出0.2 s、0.6 s及1 h的標(biāo)志，主程序依據(jù)這些標(biāo)志分別執(zhí)行計(jì)算自感電動(dòng)勢(shì)、送顯示及計(jì)算直流電壓的操作。
3.3零度值及滿度值的校準(zhǔn)
零度值及滿度值的校準(zhǔn)是在現(xiàn)場(chǎng)由調(diào)試人員進(jìn)行的。主程序中不斷檢測(cè)是 否有按鍵操作，按鍵被按下時(shí)，區(qū)分被按下的是零度鍵還是滿度鍵，計(jì)算此時(shí)線圈兩端的純交流電壓，存入單片機(jī)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，并計(jì)算滿度值與零度值的差，將零度值與差值存入24C04中，以防在生產(chǎn)中掉電丟失。
3.4自感電動(dòng)勢(shì)ε的計(jì)算
為了提高自感電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算精度，需考慮電感中的電阻效應(yīng)，線圈的交、直流等效電路如圖3所示。其中A，B，C為采樣點(diǎn)，即單片機(jī)能取得A，B，C 3點(diǎn)的電位，由此計(jì)算出UAB與UBC的值。
其中r為電感中的電阻效應(yīng)，R為電路板上采樣電阻。若U′ r，UAB分別是電感電阻的交、直流等效電壓，U′BC，UBC分別為采樣 電阻上的交、直流電壓，則有
即交流時(shí)電 感電阻的等效電壓
而交流時(shí)A，B兩點(diǎn)電 壓U′AB是自感電動(dòng)勢(shì)ε與U′r的矢量和，即
程序中完成相應(yīng)計(jì)算。
3.5數(shù)值讀入
驅(qū)動(dòng)AD574完成A，B，C3點(diǎn)電壓的讀取。交流時(shí)，在連續(xù)5個(gè)周 期的同一時(shí)刻讀 取數(shù)值；直流時(shí)，要充分延時(shí)以使積分器完成瞬變過(guò)程，每隔5 ms取一個(gè)數(shù)，共取5次。每 次取得的5個(gè)數(shù)值中，去掉最大值和最小值，余下的3數(shù)取平均值，存儲(chǔ)待用。
3.6直流電壓的計(jì)算
為克服線圈中直流電阻的溫漂，每隔一段時(shí)間檢測(cè)直流電壓，以使自感電動(dòng)勢(shì)更準(zhǔn)確，同 時(shí)應(yīng)將計(jì)算后的直流電壓保存至24C04中，以免掉電丟失。
3.7完成顯示
將依據(jù)公式
計(jì)算出的鐵磁 物質(zhì)含量轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)顯示，顯示數(shù)值范圍是0.0～1000。
即交流時(shí)電 感電阻的等效電壓而交流時(shí)A，B兩點(diǎn)電 壓U′AB是自感電動(dòng)勢(shì)ε與U′r的矢量和，即程序中完成相應(yīng)計(jì)算。3.5數(shù)值讀入
驅(qū)動(dòng)AD574完成A，B，C3點(diǎn)電壓的讀取。交流時(shí)，在連續(xù)5個(gè)周 期的同一時(shí)刻讀 取數(shù)值；直流時(shí)，要充分延時(shí)以使積分器完成瞬變過(guò)程，每隔5 ms取一個(gè)數(shù)，共取5次。每 次取得的5個(gè)數(shù)值中，去掉最大值和最小值，余下的3數(shù)取平均值，存儲(chǔ)待用。
3.6直流電壓的計(jì)算
為克服線圈中直流電阻的溫漂，每隔一段時(shí)間檢測(cè)直流電壓，以使自感電動(dòng)勢(shì)更準(zhǔn)確，同 時(shí)應(yīng)將計(jì)算后的直流電壓保存至24C04中，以免掉電丟失。
3.7完成顯示
將依據(jù)公式
計(jì)算出的鐵磁 物質(zhì)含量轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)顯示，顯示數(shù)值范圍是0.0～1000。文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
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