關于污水流量計傳感器測量過程中靈敏度研究
點擊次數：2704 發布時間：2020-08-09 16:21:14
污水流量計是根據法拉*電磁感應定律制成的一種測量導電性液體體積流量的儀表。由于其具有無壓損、可測流量范圍寬、被測液體溫度范圍寬、成本低等特點，已被廣泛應用于水和廢水處理、礦業和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業領域中，用來測量自來水、污水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各種酸、堿、鹽溶液’。污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號，通過電極把電信號引人變送器，變送器對電信號進行放大調理并轉換成標準電信號輸出。傳感器主要由磁路系統和電極等組成，磁路系統產生磁場，流體流過磁場切割磁力線產生電動勢，電極將產生的電動勢引人變送器。該電動勢極其微弱，一般在o. 2一0.4 mV/( m/s)的范圍之間，無法直接測量。對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計傳感器就成了,待解決的問題。
本文針對于污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、線圈寬度和傳感器長度等因素進行了分析、仿真和標定。通過本試驗結果顯示，傳感器靈敏度與線圈匝數和線圈寬度成正比;導磁材料硅鋼片能有效增強磁感應強度。Maxwell仿真表明，增加了硅鋼片之后磁感應強度沿電極連線增強約12% ,沿管道內壁增強約20，傳感器增益標定值提高12.7%;對于6英寸傳感器，采用標準線圈。當傳感器長度為6. 1一9. 1英寸時，既有效利用了線圈產生的磁場，又實現了*經濟設計。
1測量原理
根據法拉*電磁感應定律，當導體在磁場中運動且切割磁力線時，在導體兩端便會產生感應電動勢。
污水流量計工作原理如圖1所示。
設在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，內表面加絕緣襯里。當導電的液體在管道中流動時，導電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產生感應電動勢E。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內流速:為軸對稱分布，兩極之間就會產生感應電動勢:
E=BxDxv(1)
由此可得管道的體積流量為:
口=二刀2v /4(2)
綜合式(1)、式(2)，得:(3) 門吸 K一一沖一D塑側一一 E
式中:K為儀表常數，在管道直徑D已確定并維持磁感應強度B恒定時，K是一個常數。此時感應電動勢與體積具有線性關系2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝數N、勵磁電流1和磁通勢F的關系為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜為磁導率;S為磁路的橫截面積;L為磁路平均長度。
根據磁場的歐姆定律，磁感應強度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知，磁感應強度B與線圈匝數N、勵磁電流1成正比，與磁路的平均長度L、磁導率料成反比3一認
3影響污水流量計傳感器信號強度因素
根據式(1)，在傳感器尺寸一定的情況下，其靈敏度只與磁感應強度B有關。一般來說，同一系列的傳感器將采用同一種驅動電流，根據式(6)，想要改變磁感應強度B，只能改變線圈匝數N和磁導率拜。磁場的覆蓋范圍(即線圈寬度)也會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，當標定傳感器時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系。傳感器增益是反映傳感器靈敏度的一個物理量，在相同的流速下增益越大，則靈敏度越高。
3.1線圈匝數
對于一臺日徑為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匝的磁力線明顯比230匝的磁力線密，磁感應強度沿徑向減少了約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，也相應減少了19.4%。
仿真和試驗結果表明，線圈匝數與磁感應強度成正比，改變線圈匝數會相應改變磁感應強度。也就是說，增加線圈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，其電阻值、電感量、體積、質量以及成本也會相應增加。電阻值的增加會提高傳感器的功耗，電感量的增加也會限制線圈的驅動頻率叭因此，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
加人磁導率高的導磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有效利用馬鞍型線圈產生的磁場，提高管道內磁感應強度7。本文采用了硅鋼片作為導磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈包圍，進行Maxwell仿真和試驗室流量標定。Maxwell仿真表明，加了硅鋼片以后，硅鋼片內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沿軸向分布范圍，線圈越寬，磁場分布越寬;線圈越窄，磁場分布越窄。標準線圈參數如表3所示。
線圈寬度與傳感器增益關系圖如圖3所示。對于6英寸傳感器，當線圈寬度為標準值3. 32英寸時，傳感器增益為82. 62;當線圈寬度下降至2. 49英寸(標準值的0.75倍)時，傳感器增益下降至70.94;當線圈寬度下降至1.66英寸(標準值的0. 5倍)時，傳感器增益下降至55. 62;當線圈寬度下降至0. 83英寸(標準值的0. 25倍)時，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傳感器長度
理論上，在線圈參數不變的前提下，傳感器長度越長，有效磁場越大;但加長傳感器長度會增加成本。為了既有效利用線圈產生的磁場，又要使傳感器較短、設計較為經濟，需為傳感器選擇合適的長度8。
采用一臺日徑為6英寸、標準線圈的傳感器，改變傳感器長度，依次進行試驗室標定試驗。傳感器長度與增益的關系圖如圖4所示。當傳感器長度為9. 1英寸時，其增益為61. 03;但當其長度繼續增加時，增益變化較小;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6. 1-9. 1英寸時，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，同樣一組線圈安裝在不同日徑的管道上，由于兩個線圈之間的距離不同，其磁場分布大日徑要比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設計，不可能實現傳感器長度小于線圈寬度，所以本文采用塑料管道作為主管道、金屬薄管從兩頭內插人的設計進行試驗io。
5結束語
通過以上分析、仿真和試驗室標定，證明了傳感器靈敏度跟線圈匝數和線圈寬度成正比導磁材料硅鋼片能有效增強磁感應強度;對于6英寸傳感器，采用標準線圈，其寬度為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磁場，又實現了經濟設計的目標。在給定傳感器日徑和線圈驅動電流的情況下，本文研究為傳感器靈敏度設計提供參考。
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1測量原理
根據法拉*電磁感應定律，當導體在磁場中運動且切割磁力線時，在導體兩端便會產生感應電動勢。
污水流量計工作原理如圖1所示。
設在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，內表面加絕緣襯里。當導電的液體在管道中流動時，導電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產生感應電動勢E。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內流速:為軸對稱分布，兩極之間就會產生感應電動勢:
E=BxDxv(1)
由此可得管道的體積流量為:
口=二刀2v /4(2)
綜合式(1)、式(2)，得:(3) 門吸 K一一沖一D塑側一一 E
式中:K為儀表常數，在管道直徑D已確定并維持磁感應強度B恒定時，K是一個常數。此時感應電動勢與體積具有線性關系2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝數N、勵磁電流1和磁通勢F的關系為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜為磁導率;S為磁路的橫截面積;L為磁路平均長度。
根據磁場的歐姆定律，磁感應強度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知，磁感應強度B與線圈匝數N、勵磁電流1成正比，與磁路的平均長度L、磁導率料成反比3一認
3影響污水流量計傳感器信號強度因素
根據式(1)，在傳感器尺寸一定的情況下，其靈敏度只與磁感應強度B有關。一般來說，同一系列的傳感器將采用同一種驅動電流，根據式(6)，想要改變磁感應強度B，只能改變線圈匝數N和磁導率拜。磁場的覆蓋范圍(即線圈寬度)也會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，當標定傳感器時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系。傳感器增益是反映傳感器靈敏度的一個物理量，在相同的流速下增益越大，則靈敏度越高。
3.1線圈匝數
對于一臺日徑為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匝的磁力線明顯比230匝的磁力線密，磁感應強度沿徑向減少了約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，也相應減少了19.4%。
仿真和試驗結果表明，線圈匝數與磁感應強度成正比，改變線圈匝數會相應改變磁感應強度。也就是說，增加線圈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，其電阻值、電感量、體積、質量以及成本也會相應增加。電阻值的增加會提高傳感器的功耗，電感量的增加也會限制線圈的驅動頻率叭因此，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
加人磁導率高的導磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有效利用馬鞍型線圈產生的磁場，提高管道內磁感應強度7。本文采用了硅鋼片作為導磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈包圍，進行Maxwell仿真和試驗室流量標定。Maxwell仿真表明，加了硅鋼片以后，硅鋼片內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沿軸向分布范圍，線圈越寬，磁場分布越寬;線圈越窄，磁場分布越窄。標準線圈參數如表3所示。
線圈寬度與傳感器增益關系圖如圖3所示。對于6英寸傳感器，當線圈寬度為標準值3. 32英寸時，傳感器增益為82. 62;當線圈寬度下降至2. 49英寸(標準值的0.75倍)時，傳感器增益下降至70.94;當線圈寬度下降至1.66英寸(標準值的0. 5倍)時，傳感器增益下降至55. 62;當線圈寬度下降至0. 83英寸(標準值的0. 25倍)時，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傳感器長度
理論上，在線圈參數不變的前提下，傳感器長度越長，有效磁場越大;但加長傳感器長度會增加成本。為了既有效利用線圈產生的磁場，又要使傳感器較短、設計較為經濟，需為傳感器選擇合適的長度8。
采用一臺日徑為6英寸、標準線圈的傳感器，改變傳感器長度，依次進行試驗室標定試驗。傳感器長度與增益的關系圖如圖4所示。當傳感器長度為9. 1英寸時，其增益為61. 03;但當其長度繼續增加時，增益變化較小;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6. 1-9. 1英寸時，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，同樣一組線圈安裝在不同日徑的管道上，由于兩個線圈之間的距離不同，其磁場分布大日徑要比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設計，不可能實現傳感器長度小于線圈寬度，所以本文采用塑料管道作為主管道、金屬薄管從兩頭內插人的設計進行試驗io。
5結束語
通過以上分析、仿真和試驗室標定，證明了傳感器靈敏度跟線圈匝數和線圈寬度成正比導磁材料硅鋼片能有效增強磁感應強度;對于6英寸傳感器，采用標準線圈，其寬度為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磁場，又實現了經濟設計的目標。在給定傳感器日徑和線圈驅動電流的情況下，本文研究為傳感器靈敏度設計提供參考。