數字化磁性物質含量計
磁性物質含量計是重介質洗煤廠必備的在線檢測介質變化的測量儀器，用于監測磁性物質的含量，由此可推算出介質中非磁性物質的含量，從而在懸浮液密度一定的情況下調整其黏度，以提高產品質量和分選效率。
1設計原理
根據電磁場理論，線圈的電感量可由下式計算：L＝μ0μrn2S／l，其中，μ0為真空磁導率，μr為線圈管內介質相對磁導率，n為線圈匝數，S是線圈橫截面積，l為線圈長度。當線圈的匝數、橫截面積、長度確定后，線圈的電感量與其中介質的磁導率成正比。重介質選煤時的懸浮液由磁鐵礦粉與水配制而成，并拌有洗選過程中的煤泥，其中水和煤泥是非磁性物質，其磁導率接近真空磁導率，亦即μr≈1；而磁鐵礦粉是磁性物質，其磁導率比真空磁導率高兩個數量級以上，即
。因此，當重介質懸 浮液流經一個感應線圈時，其磁導率μr將隨且僅隨磁性物質的含量而變化，故線圈的電 感量也將與鐵磁物質的含量成正比。同時，電感的伏安特性為線圈的自感電動勢ε＝－L(di／dt)，若采用三角波電流源，那么(di／dt)為同周期的方波，則在半個周期內，(di／dt)為常數，則ε與L成正比。若設任意時刻線圈上的自感電動勢為ε，懸浮液中鐵磁物質的含量為h，則它們之間的關系如圖1所示。
根據電磁場理論，線圈的電感量可由下式計算：L＝μ0μrn2S／l，其中，μ0為真空磁導率，μr為線圈管內介質相對磁導率，n為線圈匝數，S是線圈橫截面積，l為線圈長度。當線圈的匝數、橫截面積、長度確定后，線圈的電感量與其中介質的磁導率成正比。重介質選煤時的懸浮液由磁鐵礦粉與水配制而成，并拌有洗選過程中的煤泥，其中水和煤泥是非磁性物質，其磁導率接近真空磁導率，亦即μr≈1；而磁鐵礦粉是磁性物質，其磁導率比真空磁導率高兩個數量級以上，即
。因此，當重介質懸 浮液流經一個感應線圈時，其磁導率μr將隨且僅隨磁性物質的含量而變化，故線圈的電 感量也將與鐵磁物質的含量成正比。同時，電感的伏安特性為線圈的自感電動勢ε＝－L(di／dt)，若采用三角波電流源，那么(di／dt)為同周期的方波，則在半個周期內，(di／dt)為常數，則ε與L成正比。若設任意時刻線圈上的自感電動勢為ε，懸浮液中鐵磁物質的含量為h，則它們之間的關系如圖1所示。 
其中，ε0、h0為線圈空心時產生的自感電動勢及懸浮液中鐵磁物質的含量，此狀態為含量計鐵磁物質含量的零狀態，即h0＝1，相應的ε0為非零值，稱零度值；εm、hm為線圈中充滿鐵磁物質時產生的自感電動勢及懸浮液中鐵磁物質的含量，此狀態為含量計鐵磁物質含量的滿量程狀態，相應的εm稱為滿度值。任意時刻均有h0＜h＜hm，而相應的ε0＜ε＜εm。
由圖1可知：
為了計算方便，可使hm=1 000 kg／m3，即當線圈中充滿鐵磁物質時，通過線圈繞制控制每排的匝數，使其所包圍的體積中含鐵磁物質為1 000 kg／m3，則磁性物質含量計可以直接顯示出懸浮液中鐵磁物質的含量，量程為0～1 000 kg／m3
由圖1可知：
為了計算方便，可使hm=1 000 kg／m3，即當線圈中充滿鐵磁物質時，通過線圈繞制控制每排的匝數，使其所包圍的體積中含鐵磁物質為1 000 kg／m3，則磁性物質含量計可以直接顯示出懸浮液中鐵磁物質的含量，量程為0～1 000 kg／m3
2硬件組成
2.1變送器
變送器由導管及電感線圈構成。
導管采用非磁性的耐磨材料不銹鋼制成，直徑可依據現場要求而做變更。
線圈的匝數與直徑依電感量要求而定，用平排密繞方式繞制其上，繞制寬度由導管直徑及其量程來確定。線圈外部用非磁性材料封裝定位。
變送器兩端與外部被測管道用法蘭盤連接固定。
2.2顯示器
顯示器采用LCM045型4位8段帶小數點通用儀器儀表液晶顯示模塊，可與單片機接口，內置顯示RAM，使用編程簡單，低功耗，顯示清晰，穩定可靠。
2.3轉換器
轉換器的核心是一塊主板，完成三角波電流源的產生及數據處理功能。如圖2所示。
2.1變送器
變送器由導管及電感線圈構成。
導管采用非磁性的耐磨材料不銹鋼制成，直徑可依據現場要求而做變更。
線圈的匝數與直徑依電感量要求而定，用平排密繞方式繞制其上，繞制寬度由導管直徑及其量程來確定。線圈外部用非磁性材料封裝定位。
變送器兩端與外部被測管道用法蘭盤連接固定。
2.2顯示器
顯示器采用LCM045型4位8段帶小數點通用儀器儀表液晶顯示模塊，可與單片機接口，內置顯示RAM，使用編程簡單，低功耗，顯示清晰，穩定可靠。
2.3轉換器
轉換器的核心是一塊主板，完成三角波電流源的產生及數據處理功能。如圖2所示。
2.3.1電源
現場有±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數據處理及存儲
采用89C52單片機，其256字節的數據存儲區為數據的運算處理提供了充足的空間，8K字的FL ASH內存也較適合程序的長度。為提高運算速度，采用24 M晶體。
數據處理后，為防止掉電丟失，防備工作現場的意外情況，采用了I2C接口的EEPROM24C04。24C04是帶有I2C接口的存儲器，掉電數據不丟失。用單片機的兩個通用I／O引腳模擬I2C接口。
2.3.3電流源產生
由三角波發生器及電流源電路組成。首先采用D／A轉換芯片產生方波，經積分器生成三角波輸出，在設計中，D／A轉換器采用的是12位雙通道的AD7537。當D／A轉換器輸出固定數值時，若延時足夠時間，使電容完成充電過程，即能輸出直流電。
2.3.4數據輸入
電路中設置了3個采樣點，為簡化電路，只用了一片A／D轉換器，故增加了一片電子開關芯片。A／D轉換器采用的是AD574，12位單通道，轉換速率為25μs，電子開關采用的是CD405 1，8路，輸入范圍為12～＋12 V。
2.3.5零度、滿度控制
選煤時，混合液流經的管道中，磁感應強度μ介于管子中空芯與充滿鐵磁粉之間，空芯時電感上的純交流電壓為下限，即零度值；充滿鐵磁粉時電感上的純交流電壓為上限，即滿度值。用單片機的通用I／Ｏ引腳外接2個按鍵，即可控制數值的讀入，并送入24C04中存儲。
現場有±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數據處理及存儲
采用89C52單片機，其256字節的數據存儲區為數據的運算處理提供了充足的空間，8K字的FL ASH內存也較適合程序的長度。為提高運算速度，采用24 M晶體。
數據處理后，為防止掉電丟失，防備工作現場的意外情況，采用了I2C接口的EEPROM24C04。24C04是帶有I2C接口的存儲器，掉電數據不丟失。用單片機的兩個通用I／O引腳模擬I2C接口。
2.3.3電流源產生
由三角波發生器及電流源電路組成。首先采用D／A轉換芯片產生方波，經積分器生成三角波輸出，在設計中，D／A轉換器采用的是12位雙通道的AD7537。當D／A轉換器輸出固定數值時，若延時足夠時間，使電容完成充電過程，即能輸出直流電。
2.3.4數據輸入
電路中設置了3個采樣點，為簡化電路，只用了一片A／D轉換器，故增加了一片電子開關芯片。A／D轉換器采用的是AD574，12位單通道，轉換速率為25μs，電子開關采用的是CD405 1，8路，輸入范圍為12～＋12 V。
2.3.5零度、滿度控制
選煤時，混合液流經的管道中，磁感應強度μ介于管子中空芯與充滿鐵磁粉之間，空芯時電感上的純交流電壓為下限，即零度值；充滿鐵磁粉時電感上的純交流電壓為上限，即滿度值。用單片機的通用I／Ｏ引腳外接2個按鍵，即可控制數值的讀入，并送入24C04中存儲。
3軟件設計
3.1檢測信號的生成
檢測信號由AD7537在單片機的控制下生成，為此，采用了T0中斷，定時給D／A轉換器交替送 入最小值(0000H)、最大值(0FFFH)，結合硬件電路即能生成±2.5 V的方波。
3.2自動計算及顯示
系統應自動檢測電壓變化并及時顯示。故采用T1做16位定時器，分別送出0.2 s、0.6 s及1 h的標志，主程序依據這些標志分別執行計算自感電動勢、送顯示及計算直流電壓的操作。
3.3零度值及滿度值的校準
零度值及滿度值的校準是在現場由調試人員進行的。主程序中不斷檢測是 否有按鍵操作，按鍵被按下時，區分被按下的是零度鍵還是滿度鍵，計算此時線圈兩端的純交流電壓，存入單片機相應的存儲單元，并計算滿度值與零度值的差，將零度值與差值存入24C04中，以防在生產中掉電丟失。
3.4自感電動勢ε的計算
為了提高自感電動勢的計算精度，需考慮電感中的電阻效應，線圈的交、直流等效電路如圖3所示。其中A，B，C為采樣點，即單片機能取得A，B，C 3點的電位，由此計算出UAB與UBC的值。
3.1檢測信號的生成
檢測信號由AD7537在單片機的控制下生成，為此，采用了T0中斷，定時給D／A轉換器交替送 入最小值(0000H)、最大值(0FFFH)，結合硬件電路即能生成±2.5 V的方波。
3.2自動計算及顯示
系統應自動檢測電壓變化并及時顯示。故采用T1做16位定時器，分別送出0.2 s、0.6 s及1 h的標志，主程序依據這些標志分別執行計算自感電動勢、送顯示及計算直流電壓的操作。
3.3零度值及滿度值的校準
零度值及滿度值的校準是在現場由調試人員進行的。主程序中不斷檢測是 否有按鍵操作，按鍵被按下時，區分被按下的是零度鍵還是滿度鍵，計算此時線圈兩端的純交流電壓，存入單片機相應的存儲單元，并計算滿度值與零度值的差，將零度值與差值存入24C04中，以防在生產中掉電丟失。
3.4自感電動勢ε的計算
為了提高自感電動勢的計算精度，需考慮電感中的電阻效應，線圈的交、直流等效電路如圖3所示。其中A，B，C為采樣點，即單片機能取得A，B，C 3點的電位，由此計算出UAB與UBC的值。
其中r為電感中的電阻效應，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
即交流時電 感電阻的等效電壓
而交流時A，B兩點電 壓U′AB是自感電動勢ε與U′r的矢量和，即
程序中完成相應計算。
3.5數值讀入
驅動AD574完成A，B，C3點電壓的讀取。交流時，在連續5個周 期的同一時刻讀 取數值；直流時，要充分延時以使積分器完成瞬變過程，每隔5 ms取一個數，共取5次。每 次取得的5個數值中，去掉最大值和最小值，余下的3數取平均值，存儲待用。
3.6直流電壓的計算
為克服線圈中直流電阻的溫漂，每隔一段時間檢測直流電壓，以使自感電動勢更準確，同 時應將計算后的直流電壓保存至24C04中，以免掉電丟失。
3.7完成顯示
將依據公式
計算出的鐵磁 物質含量轉換成十進制數顯示，顯示數值范圍是0.0～1000。
即交流時電 感電阻的等效電壓而交流時A，B兩點電 壓U′AB是自感電動勢ε與U′r的矢量和，即程序中完成相應計算。3.5數值讀入
驅動AD574完成A，B，C3點電壓的讀取。交流時，在連續5個周 期的同一時刻讀 取數值；直流時，要充分延時以使積分器完成瞬變過程，每隔5 ms取一個數，共取5次。每 次取得的5個數值中，去掉最大值和最小值，余下的3數取平均值，存儲待用。
3.6直流電壓的計算
為克服線圈中直流電阻的溫漂，每隔一段時間檢測直流電壓，以使自感電動勢更準確，同 時應將計算后的直流電壓保存至24C04中，以免掉電丟失。
3.7完成顯示
將依據公式
計算出的鐵磁 物質含量轉換成十進制數顯示，顯示數值范圍是0.0～1000。文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
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