關(guān)于電池供電電磁流量計(jì)傳感器測(cè)量過(guò)程中靈敏度研究

電池供電電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。由于其具有無(wú)壓損、可測(cè)流量范圍寬、被測(cè)液體溫度范圍寬、成本低等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于水和廢水處理、礦業(yè)和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業(yè)領(lǐng)域中，用來(lái)測(cè)量自來(lái)水、污水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各種酸、堿、鹽溶液’。電池供電電磁流量計(jì)由傳感器和變送器組成，傳感器將管道中流體的流速轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電*把電信號(hào)引人變送器，變送器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。傳感器主要由磁路系統(tǒng)和電*等組成，磁路系統(tǒng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，流體流過(guò)磁場(chǎng)切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電*將產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)引人變送器。該電動(dòng)勢(shì)*其微弱，一般在o. 2一0.4 mV/( m/s)的范圍之間，無(wú)法直接測(cè)量。對(duì)于不同尺寸的傳感器要求得到相同的靈敏度，或者已知要求的靈敏度如何設(shè)計(jì)傳感器就成了,待解決的問(wèn)題。
本文針對(duì)于電池供電電磁流量計(jì)的測(cè)量原理以及磁路歐姆定律，分別對(duì)影響傳感器靈敏度的線圈匝數(shù)、磁導(dǎo)率、線圈寬度和傳感器長(zhǎng)度等因素進(jìn)行了分析、仿真和標(biāo)定。通過(guò)本試驗(yàn)結(jié)果顯示，傳感器靈敏度與線圈匝數(shù)和線圈寬度成正比;導(dǎo)磁材料硅鋼片能有效增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度。Maxwell仿真表明，增加了硅鋼片之后磁感應(yīng)強(qiáng)度沿電*連線增強(qiáng)約12% ,沿管道內(nèi)壁增強(qiáng)約20，傳感器增益標(biāo)定值提高12.7%;對(duì)于6英寸傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)線圈。當(dāng)傳感器長(zhǎng)度為6. 1一9. 1英寸時(shí)，既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又實(shí)現(xiàn)了*經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)。
1測(cè)量原理
根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)且切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體兩端便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
電池供電電磁流量計(jì)工作原理如圖1所示。

設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向有一個(gè)直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，內(nèi)表面加絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電的液體在管道中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體就切割磁力線，因而在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電*，可以證明，只要管道內(nèi)流速:為軸對(duì)稱分布，兩*之間就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):
E=BxDxv(1)
由此可得管道的體積流量為:
口=二刀2v /4(2)  
綜合式(1)、式(2)，得:(3)  門吸  K一一沖一D塑側(cè)一一  E
式中:K為儀表常數(shù)，在管道直徑D已確定并維持磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，K是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與體積具有線性關(guān)系2。2傳感器勵(lì)磁理論基礎(chǔ)電磁流量傳感器勵(lì)磁回路中線圈匝數(shù)N、勵(lì)磁電流1和磁通勢(shì)F的關(guān)系為:  !!4 工f  !!=Nxl  L},S
式中:凡為磁阻;拜為磁導(dǎo)率;S為磁路的橫截面積;L為磁路平均長(zhǎng)度。
根據(jù)磁場(chǎng)的歐姆定律，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為:  FR S
(6)由式(6)可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈匝數(shù)N、勵(lì)磁電流1成正比，與磁路的平均長(zhǎng)度L、磁導(dǎo)率料成反比3一認(rèn)
3影響電池供電電磁流量計(jì)傳感器信號(hào)強(qiáng)度因素
根據(jù)式(1)，在傳感器尺寸一定的情況下，其靈敏度只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，同一系列的傳感器將采用同一種驅(qū)動(dòng)電流，根據(jù)式(6)，想要改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，只能改變線圈匝數(shù)N和磁導(dǎo)率拜。磁場(chǎng)的覆蓋范圍(即線圈寬度)也會(huì)直接影響傳感器的靈敏度5。
電磁流量傳感器電*電壓與流體流速成正比，當(dāng)標(biāo)定傳感器時(shí)確定傳感器增益和偏移量，從而確定電*電壓跟流體流速之間的正比關(guān)系。傳感器增益是反映傳感器靈敏度的一個(gè)物理量，在相同的流速下增益越大，則靈敏度越高。
3.1線圈匝數(shù)
對(duì)于一臺(tái)日徑為8英寸(1英寸=25.4 mm)的傳感器，將線圈匝數(shù)從288匝改為230匝，其他參數(shù)不變，分別進(jìn)行了Maxwell仿真和標(biāo)定。仿真結(jié)果表明，288匝的磁力線明顯比230匝的磁力線密，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿徑向減少了約20% ,沿管道內(nèi)壁磁感應(yīng)強(qiáng)度也減少了約20 %。線圈匝數(shù)變化時(shí)傳感器增益標(biāo)定值對(duì)比如表1所示。傳感器增益從98.00下降到78. 99，也相應(yīng)減少了19.4%。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，線圈匝數(shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，改變線圈匝數(shù)會(huì)相應(yīng)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。也就是說(shuō)，增加線圈匝數(shù)可以相應(yīng)成比例地提高傳感器靈敏度。當(dāng)然，隨著線圈匝數(shù)的增加，其電阻值、電感量、體積、質(zhì)量以及成本也會(huì)相應(yīng)增加。電阻值的增加會(huì)提高傳感器的功耗，電感量的增加也會(huì)限制線圈的驅(qū)動(dòng)頻率叭因此，選擇線圈匝數(shù)，需要結(jié)合功耗、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率、分體式安裝時(shí)的*長(zhǎng)距離和成本等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。
3. 2磁導(dǎo)率
加人磁導(dǎo)率高的導(dǎo)磁材料會(huì)改變線圈的磁力線分布，能有效利用馬鞍型線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，提高管道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度7。本文采用了硅鋼片作為導(dǎo)磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈包圍，進(jìn)行Maxwell仿真和試驗(yàn)室流量標(biāo)定。Maxwell仿真表明，加了硅鋼片以后，硅鋼片內(nèi)部磁力線明顯更加密集，硅鋼片外部只存在少量磁力線，沿電*連線磁感應(yīng)強(qiáng)度平均增加約12% ,沿管道內(nèi)壁磁感應(yīng)強(qiáng)度平均增加約20 % o
增益標(biāo)定值如表2所示，傳感器增益由78. 99增加到89. 00，提高了12.7 %。

3. 3線圈寬度
線圈寬度決定著磁場(chǎng)沿軸向分布范圍，線圈越寬，磁場(chǎng)分布越寬;線圈越窄，磁場(chǎng)分布越窄。標(biāo)準(zhǔn)線圈參數(shù)如表3所示。


線圈寬度與傳感器增益關(guān)系圖如圖3所示。對(duì)于6英寸傳感器，當(dāng)線圈寬度為標(biāo)準(zhǔn)值3. 32英寸時(shí)，傳感器增益為82. 62;當(dāng)線圈寬度下降至2. 49英寸(標(biāo)準(zhǔn)值的0.75倍)時(shí)，傳感器增益下降至70.94;當(dāng)線圈寬度下降至1.66英寸(標(biāo)準(zhǔn)值的0. 5倍)時(shí)，傳感器增益下降至55. 62;當(dāng)線圈寬度下降至0. 83英寸(標(biāo)準(zhǔn)值的0. 25倍)時(shí)，傳感器增益下降至37. 48?？梢钥闯觯瑐鞲衅髟鲆媾c線圈寬度成正比。

4傳感器長(zhǎng)度
理論上，在線圈參數(shù)不變的前提下，傳感器長(zhǎng)度越長(zhǎng)，有效磁場(chǎng)越大;但加長(zhǎng)傳感器長(zhǎng)度會(huì)增加成本。為了既有效利用線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又要使傳感器較短、設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)，需為傳感器選擇合適的長(zhǎng)度8。
采用一臺(tái)日徑為6英寸、標(biāo)準(zhǔn)線圈的傳感器，改變傳感器長(zhǎng)度，依次進(jìn)行試驗(yàn)室標(biāo)定試驗(yàn)。傳感器長(zhǎng)度與增益的關(guān)系圖如圖4所示。當(dāng)傳感器長(zhǎng)度為9. 1英寸時(shí)，其增益為61. 03;但當(dāng)其長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，增益變化較小;當(dāng)其長(zhǎng)度6. 1英寸減小到0時(shí)，增益從59. 33開始下降。也就是說(shuō)，當(dāng)傳感器長(zhǎng)度為6. 1-9. 1英寸時(shí)，既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又可使傳感器長(zhǎng)度較短。

需要注意的是，同樣一組線圈安裝在不同日徑的管道上，由于兩個(gè)線圈之間的距離不同，其磁場(chǎng)分布大日徑要比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設(shè)計(jì)，不可能實(shí)現(xiàn)傳感器長(zhǎng)度小于線圈寬度，所以本文采用塑料管道作為主管道、金屬薄管從兩頭內(nèi)插人的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)io。
5結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)以上分析、仿真和試驗(yàn)室標(biāo)定，證明了傳感器靈敏度跟線圈匝數(shù)和線圈寬度成正比導(dǎo)磁材料硅鋼片能有效增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度;對(duì)于6英寸傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)線圈，其寬度為4.76英寸，當(dāng)傳感器長(zhǎng)度為6.1一9.1英寸時(shí)，增益較大，此時(shí)既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在給定傳感器日徑和線圈驅(qū)動(dòng)電流的情況下，本文研究為傳感器靈敏度設(shè)計(jì)提供參考。