史曉春，楊慧佳，黃有軍

(艾默生過(guò)程控制流量技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100)

電磁流量傳感器靈敏度研究

史曉春，楊慧佳，黃有軍

(艾默生過(guò)程控制流量技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100)

根據(jù)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。試驗(yàn)結(jié)果表明，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)度沿電極連線增強(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6.1～9.1英寸時(shí)，既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又實(shí)現(xiàn)了最經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)。

電磁流量計(jì)； 變送器； 傳感器； 靈敏度； 勵(lì)磁； 磁感應(yīng)強(qiáng)度

0 引言

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(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[1]。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)電極把電信號(hào)引入變送器，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)和電極等組成，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)，電極將產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)引入變送器。該電動(dòng)勢(shì)極其微弱，一般在0.2～0.4 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)傳感器就成了亟待解決的問(wèn)題。

1 測(cè)量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(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)。電磁流量計(jì)工作原理如圖1所示。

圖1 電磁流量計(jì)工作原理示意圖

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)電極，可以證明，只要管道內(nèi)流速v為軸對(duì)稱分布，兩極之間就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

E=B×D×v

(1)

由此可得管道的體積流量為：

Q=πD2v/4

(2)

綜合式(1)、式(2)，得：

(3)

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I和磁通勢(shì)F的關(guān)系為：

F=N×I

(4)

(5)

式中：Rm為磁阻;μ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：

(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I成正比，與磁路的平均長(zhǎng)度L、磁導(dǎo)率μ成反比[3-4]。

3 影響電磁流量傳感器信號(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μ。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]。

電磁流量傳感器電極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，從而確定電極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)口徑為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%。

表1 線圈匝數(shù)變化時(shí)傳感器增益標(biāo)定值對(duì)比

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[6]。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)的最長(zhǎng)距離和成本等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

3.2 磁導(dǎo)率

加入磁導(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，沿電極連線磁感應(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%。

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%。

表2 增益標(biāo)定值

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。

表3 標(biāo)準(zhǔn)線圈參數(shù)

傳感器裝配如圖2所示。

圖2 傳感器裝配示意圖

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。

圖3 線圈寬度與傳感器增益關(guān)系圖

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)口徑為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??；當(dāng)其長(zhǎng)度6.1英寸減小到0時(shí)，增益從59.33開(kāi)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。

圖4 傳感器長(zhǎng)度與增益關(guān)系圖

需要注意的是，同樣一組線圈安裝在不同口徑的管道上，由于兩個(gè)線圈之間的距離不同，其磁場(chǎng)分布大口徑要比小口徑窄[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)插入的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)[10]。

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6.1～9.1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)。在給定傳感器口徑和線圈驅(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。

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Research on the Sensitivity of Electromagnetic Flow Sensor

SHI Xiaochun,YANG Huijia,HUANG Youjun

(Emerson Process Management Flow Technologies Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China)

According to the measuring principle of electromagnetic flowmeter and the magnetic Ohm's Law, the factors that affect the sensitivity of sensor are analyzed, simulated and calibrated; these include the number of coil turns, magnetic permeability, coil width and length of the sensor. The results show that the sensitivity of sensor is proportional with the number of coil turns and coil width; the permeable material silicon steel sheet can effectively enhance the magnetic induction intensity. The Maxwell simulation shows that after silicon steel sheet being added, the magnetic induction intensity is strengthened by about 12% along the connection of electrodes, and by about 20% along the pipe inner wall, and the calibrated gain value increases 12.7%. For a 6 inches sensor with standard coil, when the sensor length is between 6.1 to 9.1 inches, the magnetic field generated by the coil is effectively utilized, and the most economical design is also realized.

Electromagnetic flowmeter;Transmitter;Sensor;Sensitivity;Excitation;Magnetic induction instensity

史曉春(1979—)，男，碩士，工程師,主要從事電磁、渦街流量檢測(cè)技術(shù)的研究。E-mail:shi-xc@163.com。

TH814;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703027

修改稿收到日期:2016-08-12