關於汙水流量計傳感器測量過(guò)程中靈(líng)敏(mǐn)度研究
點擊次(cì)數(shù):2210 發布時間:2020-08-09 16:21:14
汙水流量計(jì)是根據法拉*電磁感應定律製成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體(tǐ)積流量的儀表。由於其具有無壓損、可測流量範圍寬、被測液體溫度範圍寬、成本低等特點,已被(bèi)廣泛應用(yòng)於水和廢水處理、礦業和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業領域(yù)中,用來測量自來水、汙水、礦(kuàng)漿、啤酒、果汁、紙漿、泥(ní)漿等各種酸、堿、鹽溶(róng)液’。汙水流量計由傳感器和變送器組成,傳感器將管道中流體的流速轉換為電信(xìn)號,通過電*把電信號引人變送器,變送器對電(diàn)信號(hào)進行放大調理並轉換成標準電信號輸出(chū)。傳感器主要由磁(cí)路係統和電*等組成,磁路係(xì)統產生磁場,流體流過磁場切(qiē)割磁(cí)力線(xiàn)產生電(diàn)動勢,電*將產生的電動勢引人變送器。該電動勢*其微弱(ruò),一般在o. 2一0.4 mV/( m/s)的範圍之間,無法直接測量。對於不同尺寸的傳(chuán)感器(qì)要求得到相同的靈敏度,或者已知要求(qiú)的靈敏(mǐn)度如何設計傳感器就成了,待解(jiě)決的問題。
本(běn)文針對於汙水流量計的測量原理以及磁路歐姆定律,分別對影響傳感器靈敏度的線圈匝數、磁導率(lǜ)、線圈寬度和傳感器長度等因素進行了分析、仿真(zhēn)和標定。通過本試驗結果顯示,傳(chuán)感(gǎn)器靈敏度與線圈匝數和線圈寬度成正比(bǐ);導磁材料矽鋼片能有效(xiào)增強磁感應強度。Maxwell仿(fǎng)真表(biǎo)明,增加了矽鋼片之(zhī)後磁感應強度沿電*連線增強(qiáng)約(yuē)12% ,沿管道內壁增強約(yuē)20,傳感器增益標定值提(tí)高(gāo)12.7%;對於6英寸傳感(gǎn)器(qì),采用標準線圈(quān)。當傳感器長度(dù)為6. 1一9. 1英寸時(shí),既有效利用(yòng)了線圈產生的磁場,又實現了(le)*經濟設(shè)計(jì)。
1測量原理
根據(jù)法拉*電磁感應定律,當導體在磁場中運動且切割磁力(lì)線(xiàn)時,在導體(tǐ)兩端(duān)便會產(chǎn)生感應電動勢。
汙水(shuǐ)流量計(jì)工作原理如圖1所示。

設在磁(cí)感應強(qiáng)度為B的(de)均勻磁場中,垂直於磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料製成(chéng),內表麵加絕緣襯裏(lǐ)。當導(dǎo)電的(de)液體在管道中流動時,導電液體就切割磁力線,因而在和磁場及流(liú)動(dòng)方向垂直的方向(xiàng)上(shàng)將產生感應電(diàn)動勢E。如果在管道(dào)截麵上垂直於磁場的(de)直徑(jìng)兩端安裝一對電*,可以(yǐ)證明,隻(zhī)要管道內流速:為軸對稱分布,兩*之間就會產(chǎn)生感應電動勢:
E=BxDxv(1)
由此可得管道的體積流量為:
口=二刀2v /4(2)
綜合式(shì)(1)、式(2),得(dé):(3) 門吸 K一一衝一D塑側一一 E
式中:K為儀(yí)表(biǎo)常數,在管道直徑D已確定並維持磁感應強度B恒定時,K是一個常數。此時感應電動勢與體積具有線(xiàn)性關係2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流(liú)量傳感器勵磁回路(lù)中線圈匝數N、勵(lì)磁電流1和磁通勢F的關係為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜為磁導率;S為磁路的橫截麵積;L為(wéi)磁路平均長度。
根據磁場的歐姆定律,磁感應強(qiáng)度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知,磁感應強度B與(yǔ)線圈匝數N、勵磁電流1成正比,與(yǔ)磁路的平均長度L、磁導率料(liào)成反比3一(yī)認
3影響汙水(shuǐ)流量計傳感器信號強度因(yīn)素
根據式(shì)(1),在傳感器尺寸一定的情況下,其靈敏度隻與磁感應強度(dù)B有關。一般來說,同一係列的傳感器將采(cǎi)用同一種驅動電流,根據式(6),想要改變磁感(gǎn)應強度B,隻能改變(biàn)線圈匝數N和磁導率拜。磁場的覆蓋範圍(即線圈寬度)也會直接影響傳感器的靈敏度5。
電磁流量(liàng)傳感(gǎn)器電*電壓與流體流速(sù)成正比,當(dāng)標定傳感器時確定傳感(gǎn)器增益和偏移量,從而確定電*電壓跟流(liú)體流速之間的正比關係。傳感器增益是反映傳感(gǎn)器靈敏度的一個物理量,在相同的流速下增益(yì)越大(dà),則靈敏度越高。
3.1線圈匝數
對於一(yī)台日徑為8英寸(1英寸=25.4 mm)的傳感器,將線圈匝數從288匝改為230匝,其他參數不變,分別進行了Maxwell仿真和標定。仿真結果表明,288匝的磁(cí)力線明顯比(bǐ)230匝的磁力線(xiàn)密,磁感應強度沿徑向減(jiǎn)少(shǎo)了約(yuē)20% ,沿管道內壁磁感應強度也減少了約20 %。線圈匝數變化時傳感器增益標定值對比如表1所示。傳感器增益從98.00下降到78. 99,也相(xiàng)應減少了19.4%。

仿真和試驗結果表明,線(xiàn)圈匝數與磁感應(yīng)強度成正比,改變線圈匝數會相應改變磁感應強度。也就是(shì)說,增加線圈(quān)匝數可以相應成比例地提高傳感器靈敏度。當然,隨著線圈匝數的增加(jiā),其電阻值、電感量、體積、質量以及成本也會相應增加(jiā)。電阻值的增加會提高傳感器(qì)的功耗,電感量的增加(jiā)也(yě)會限製線圈的(de)驅動頻(pín)率叭因(yīn)此,選擇線圈匝數,需要結合功耗、驅動電壓、驅動頻率、分體式安裝時的*長距離和成本等參數進行綜合考慮。
3. 2磁導率
加人(rén)磁(cí)導率高(gāo)的導磁材料會改變(biàn)線圈的磁力線分布(bù),能有效利用馬鞍型線圈產生的(de)磁場,提高管道內磁感(gǎn)應強度7。本文采用了矽鋼片作為導磁(cí)材(cái)料,其緊貼線圈和管(guǎn)道外壁,將線圈包圍,進行(háng)Maxwell仿真和試驗室流量(liàng)標定。Maxwell仿真表明,加了矽鋼片以後,矽鋼片內部磁力線明顯更加密集,矽鋼片外部隻存在少(shǎo)量磁(cí)力線,沿(yán)電(diàn)*連線磁感應強度平均增加約12% ,沿管道內壁磁感應強度平均增加約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(kuān)度決定著(zhe)磁場沿軸向分布範圍,線圈越寬,磁場分布(bù)越寬(kuān);線(xiàn)圈越窄,磁場分(fèn)布越窄(zhǎi)。標準線圈(quān)參數如表3所示。


線圈寬度與傳感器增益關係圖(tú)如圖3所示。對於6英寸傳感器,當線圈寬度為標(biāo)準值3. 32英寸(cùn)時,傳感器增益為82. 62;當線圈(quān)寬度下降至(zhì)2. 49英寸(標準值的0.75倍)時,傳感器(qì)增益下降至70.94;當線圈寬度下降至1.66英寸(標準值的0. 5倍)時,傳感器增益下降(jiàng)至55. 62;當線圈寬(kuān)度下降至0. 83英寸(標準值(zhí)的0. 25倍)時,傳(chuán)感器增益下降至37. 48。可以看出,傳感器增(zēng)益與線圈寬度成正比。

4傳感器長度
理論上(shàng),在線圈參數不變的前(qián)提(tí)下,傳感器長度越長,有效磁場越大;但(dàn)加長傳感器長度(dù)會增加成本。為了既有效利用線圈產生(shēng)的(de)磁場(chǎng),又要使傳感器較(jiào)短、設計較為經濟,需為傳感器選擇合(hé)適的長度8。
采用一台日徑為6英寸、標準(zhǔn)線圈的傳感器,改變傳感器長度,依次進行(háng)試驗室標定試驗。傳感器(qì)長度與增益的關係圖如圖4所(suǒ)示。當傳感器長度為9. 1英寸時,其增益(yì)為61. 03;但當其長度繼續增(zēng)加時,增益變(biàn)化較小;當其長度6. 1英寸減小到0時,增益從59. 33開始下降。也就是說,當傳感器長度為(wéi)6. 1-9. 1英寸(cùn)時,既有效利用了線圈產生的磁場,又可使傳感器長度較短。

需要注意的是,同樣(yàng)一組線圈安裝在不同日徑的管道上,由於兩個線圈之間的距離不同,其磁場分布大日徑要(yào)比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設計,不可能(néng)實現傳(chuán)感(gǎn)器長度(dù)小(xiǎo)於線圈寬度,所以本文采用塑料管道作為主管道、金屬薄管(guǎn)從兩頭內插人的設計進行試(shì)驗io。
5結束語
通過以上分析、仿真和試驗室標(biāo)定,證明了傳感器靈敏度(dù)跟線圈匝(zā)數和線圈寬度(dù)成正比導磁材料(liào)矽鋼片(piàn)能有效增強(qiáng)磁感(gǎn)應強度;對於6英寸傳感器,采用標準線(xiàn)圈,其(qí)寬度為4.76英寸,當傳感器長度為6.1一9.1英寸時,增益較大,此時既有效利用了線圈產生的(de)磁(cí)場,又實(shí)現了經濟設計(jì)的目標。在給定傳(chuán)感器日徑和線圈驅動電流的情(qíng)況下,本文研究為傳感器靈敏度設計提供參考。
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本(běn)文針對於汙水流量計的測量原理以及磁路歐姆定律,分別對影響傳感器靈敏度的線圈匝數、磁導率(lǜ)、線圈寬度和傳感器長度等因素進行了分析、仿真(zhēn)和標定。通過本試驗結果顯示,傳(chuán)感(gǎn)器靈敏度與線圈匝數和線圈寬度成正比(bǐ);導磁材料矽鋼片能有效(xiào)增強磁感應強度。Maxwell仿(fǎng)真表(biǎo)明,增加了矽鋼片之(zhī)後磁感應強度沿電*連線增強(qiáng)約(yuē)12% ,沿管道內壁增強約(yuē)20,傳感器增益標定值提(tí)高(gāo)12.7%;對於6英寸傳感(gǎn)器(qì),采用標準線圈(quān)。當傳感器長度(dù)為6. 1一9. 1英寸時(shí),既有效利用(yòng)了線圈產生的磁場,又實現了(le)*經濟設(shè)計(jì)。
1測量原理
根據(jù)法拉*電磁感應定律,當導體在磁場中運動且切割磁力(lì)線(xiàn)時,在導體(tǐ)兩端(duān)便會產(chǎn)生感應電動勢。
汙水(shuǐ)流量計(jì)工作原理如圖1所示。

設在磁(cí)感應強(qiáng)度為B的(de)均勻磁場中,垂直於磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料製成(chéng),內表麵加絕緣襯裏(lǐ)。當導(dǎo)電的(de)液體在管道中流動時,導電液體就切割磁力線,因而在和磁場及流(liú)動(dòng)方向垂直的方向(xiàng)上(shàng)將產生感應電(diàn)動勢E。如果在管道(dào)截麵上垂直於磁場的(de)直徑(jìng)兩端安裝一對電*,可以(yǐ)證明,隻(zhī)要管道內流速:為軸對稱分布,兩*之間就會產(chǎn)生感應電動勢:
E=BxDxv(1)
由此可得管道的體積流量為:
口=二刀2v /4(2)
綜合式(shì)(1)、式(2),得(dé):(3) 門吸 K一一衝一D塑側一一 E
式中:K為儀(yí)表(biǎo)常數,在管道直徑D已確定並維持磁感應強度B恒定時,K是一個常數。此時感應電動勢與體積具有線(xiàn)性關係2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流(liú)量傳感器勵磁回路(lù)中線圈匝數N、勵(lì)磁電流1和磁通勢F的關係為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜為磁導率;S為磁路的橫截麵積;L為(wéi)磁路平均長度。
根據磁場的歐姆定律,磁感應強(qiáng)度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知,磁感應強度B與(yǔ)線圈匝數N、勵磁電流1成正比,與(yǔ)磁路的平均長度L、磁導率料(liào)成反比3一(yī)認
3影響汙水(shuǐ)流量計傳感器信號強度因(yīn)素
根據式(shì)(1),在傳感器尺寸一定的情況下,其靈敏度隻與磁感應強度(dù)B有關。一般來說,同一係列的傳感器將采(cǎi)用同一種驅動電流,根據式(6),想要改變磁感(gǎn)應強度B,隻能改變(biàn)線圈匝數N和磁導率拜。磁場的覆蓋範圍(即線圈寬度)也會直接影響傳感器的靈敏度5。
電磁流量(liàng)傳感(gǎn)器電*電壓與流體流速(sù)成正比,當(dāng)標定傳感器時確定傳感(gǎn)器增益和偏移量,從而確定電*電壓跟流(liú)體流速之間的正比關係。傳感器增益是反映傳感(gǎn)器靈敏度的一個物理量,在相同的流速下增益(yì)越大(dà),則靈敏度越高。
3.1線圈匝數
對於一(yī)台日徑為8英寸(1英寸=25.4 mm)的傳感器,將線圈匝數從288匝改為230匝,其他參數不變,分別進行了Maxwell仿真和標定。仿真結果表明,288匝的磁(cí)力線明顯比(bǐ)230匝的磁力線(xiàn)密,磁感應強度沿徑向減(jiǎn)少(shǎo)了約(yuē)20% ,沿管道內壁磁感應強度也減少了約20 %。線圈匝數變化時傳感器增益標定值對比如表1所示。傳感器增益從98.00下降到78. 99,也相(xiàng)應減少了19.4%。

仿真和試驗結果表明,線(xiàn)圈匝數與磁感應(yīng)強度成正比,改變線圈匝數會相應改變磁感應強度。也就是(shì)說,增加線圈(quān)匝數可以相應成比例地提高傳感器靈敏度。當然,隨著線圈匝數的增加(jiā),其電阻值、電感量、體積、質量以及成本也會相應增加(jiā)。電阻值的增加會提高傳感器(qì)的功耗,電感量的增加(jiā)也(yě)會限製線圈的(de)驅動頻(pín)率叭因(yīn)此,選擇線圈匝數,需要結合功耗、驅動電壓、驅動頻率、分體式安裝時的*長距離和成本等參數進行綜合考慮。
3. 2磁導率
加人(rén)磁(cí)導率高(gāo)的導磁材料會改變(biàn)線圈的磁力線分布(bù),能有效利用馬鞍型線圈產生的(de)磁場,提高管道內磁感(gǎn)應強度7。本文采用了矽鋼片作為導磁(cí)材(cái)料,其緊貼線圈和管(guǎn)道外壁,將線圈包圍,進行(háng)Maxwell仿真和試驗室流量(liàng)標定。Maxwell仿真表明,加了矽鋼片以後,矽鋼片內部磁力線明顯更加密集,矽鋼片外部隻存在少(shǎo)量磁(cí)力線,沿(yán)電(diàn)*連線磁感應強度平均增加約12% ,沿管道內壁磁感應強度平均增加約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(kuān)度決定著(zhe)磁場沿軸向分布範圍,線圈越寬,磁場分布(bù)越寬(kuān);線(xiàn)圈越窄,磁場分(fèn)布越窄(zhǎi)。標準線圈(quān)參數如表3所示。


線圈寬度與傳感器增益關係圖(tú)如圖3所示。對於6英寸傳感器,當線圈寬度為標(biāo)準值3. 32英寸(cùn)時,傳感器增益為82. 62;當線圈(quān)寬度下降至(zhì)2. 49英寸(標準值的0.75倍)時,傳感器(qì)增益下降至70.94;當線圈寬度下降至1.66英寸(標準值的0. 5倍)時,傳感器增益下降(jiàng)至55. 62;當線圈寬(kuān)度下降至0. 83英寸(標準值(zhí)的0. 25倍)時,傳(chuán)感器增益下降至37. 48。可以看出,傳感器增(zēng)益與線圈寬度成正比。

4傳感器長度
理論上(shàng),在線圈參數不變的前(qián)提(tí)下,傳感器長度越長,有效磁場越大;但(dàn)加長傳感器長度(dù)會增加成本。為了既有效利用線圈產生(shēng)的(de)磁場(chǎng),又要使傳感器較(jiào)短、設計較為經濟,需為傳感器選擇合(hé)適的長度8。
采用一台日徑為6英寸、標準(zhǔn)線圈的傳感器,改變傳感器長度,依次進行(háng)試驗室標定試驗。傳感器(qì)長度與增益的關係圖如圖4所(suǒ)示。當傳感器長度為9. 1英寸時,其增益(yì)為61. 03;但當其長度繼續增(zēng)加時,增益變(biàn)化較小;當其長度6. 1英寸減小到0時,增益從59. 33開始下降。也就是說,當傳感器長度為(wéi)6. 1-9. 1英寸(cùn)時,既有效利用了線圈產生的磁場,又可使傳感器長度較短。

需要注意的是,同樣(yàng)一組線圈安裝在不同日徑的管道上,由於兩個線圈之間的距離不同,其磁場分布大日徑要(yào)比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設計,不可能(néng)實現傳(chuán)感(gǎn)器長度(dù)小(xiǎo)於線圈寬度,所以本文采用塑料管道作為主管道、金屬薄管(guǎn)從兩頭內插人的設計進行試(shì)驗io。
5結束語
通過以上分析、仿真和試驗室標(biāo)定,證明了傳感器靈敏度(dù)跟線圈匝(zā)數和線圈寬度(dù)成正比導磁材料(liào)矽鋼片(piàn)能有效增強(qiáng)磁感(gǎn)應強度;對於6英寸傳感器,采用標準線(xiàn)圈,其(qí)寬度為4.76英寸,當傳感器長度為6.1一9.1英寸時,增益較大,此時既有效利用了線圈產生的(de)磁(cí)場,又實(shí)現了經濟設計(jì)的目標。在給定傳(chuán)感器日徑和線圈驅動電流的情(qíng)況下,本文研究為傳感器靈敏度設計提供參考。
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