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。

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。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 m V/(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。

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):

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:

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 。

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% 。

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 。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 。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% 。

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。