關(guān)于污水流量計傳感器測量過(guò)程中靈敏度研究

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(wú)壓損、可測流量范圍寬、被測液體溫度范圍寬、成本低等特點(diǎn)，已被廣泛應用于水和廢水處理、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’。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(guò)電*把電信號引人變送器，變送器對電信號進(jìn)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*等組成，磁路系統產(chǎn)生磁場(chǎng)，流體流過(guò)磁場(chǎng)切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生電動(dòng)勢，電*將產(chǎn)生的電動(dòng)勢引人變送器。該電動(dòng)勢*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(wèn)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(xiàn)圈匝數、磁導率、線(xiàn)圈寬度和傳感器長(cháng)度等因素進(jìn)行了分析、仿真和標定。通過(guò)本試驗結果顯示，傳感器靈敏度與線(xiàn)圈匝數和線(xiàn)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*連線(xiàn)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(xiàn)圈。當傳感器長(cháng)度為6. 1一9. 1英寸時(shí)，既有效利用了線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又實(shí)現了*經(jīng)濟設計。
1測量原理
根據法拉*電磁感應定律，當導體在磁場(chǎng)中運動(dòng)且切割磁力線(xiàn)時(shí)，在導體兩端便會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)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(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(dòng)時(shí)，導電液體就切割磁力線(xiàn)，因而在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向上將產(chǎn)生感應電動(dòng)勢E。如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對電*，可以證明，只要管道內流速:為軸對稱(chēng)分布，兩*之間就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)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(mén)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(shí)，K是一個(gè)常數。此時(shí)感應電動(dòng)勢與體積具有線(xiàn)性關(guān)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(xiàn)圈匝數N、勵磁電流1和磁通勢F的關(guān)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(cháng)度。
根據磁場(chǎng)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(xiàn)圈匝數N、勵磁電流1成正比，與磁路的平均長(cháng)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(guān)。一般來(lái)說(shuō)，同一系列的傳感器將采用同一種驅動(dòng)電流，根據式(6)，想要改變磁感應強度B，只能改變線(xiàn)圈匝數N和磁導率拜。磁場(chǎng)的覆蓋范圍(即線(xiàn)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，當標定傳感器時(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(xiàn)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(xiàn)圈匝數從288匝改為230匝，其他參數不變，分別進(jìn)行了Maxwell仿真和標定。仿真結果表明，288匝的磁力線(xiàn)明顯比230匝的磁力線(xiàn)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(xiàn)圈匝數變化時(shí)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(xiàn)圈匝數與磁感應強度成正比，改變線(xiàn)圈匝數會(huì )相應改變磁感應強度。也就是說(shuō)，增加線(xiàn)圈匝數可以相應成比例地提高傳感器靈敏度。當然，隨著(zhù)線(xiàn)圈匝數的增加，其電阻值、電感量、體積、質(zhì)量以及成本也會(huì )相應增加。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(xiàn)圈的驅動(dòng)頻率叭因此，選擇線(xiàn)圈匝數，需要結合功耗、驅動(dòng)電壓、驅動(dòng)頻率、分體式安裝時(shí)的*長(cháng)距離和成本等參數進(jìn)行綜合考慮。
3. 2磁導率
加人磁導率高的導磁材料會(huì )改變線(xiàn)圈的磁力線(xiàn)分布，能有效利用馬鞍型線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，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(xiàn)圈和管道外壁，將線(xiàn)圈包圍，進(jìn)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(xiàn)明顯更加密集，硅鋼片外部只存在少量磁力線(xiàn)，沿電*連線(xiàn)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(xiàn)圈寬度
線(xiàn)圈寬度決定著(zhù)磁場(chǎng)沿軸向分布范圍，線(xiàn)圈越寬，磁場(chǎng)分布越寬;線(xiàn)圈越窄，磁場(chǎng)分布越窄。標準線(xiàn)圈參數如表3所示。


線(xiàn)圈寬度與傳感器增益關(guān)系圖如圖3所示。對于6英寸傳感器，當線(xiàn)圈寬度為標準值3. 32英寸時(shí)，傳感器增益為82. 62;當線(xiàn)圈寬度下降至2. 49英寸(標準值的0.75倍)時(shí)，傳感器增益下降至70.94;當線(xiàn)圈寬度下降至1.66英寸(標準值的0. 5倍)時(shí)，傳感器增益下降至55. 62;當線(xiàn)圈寬度下降至0. 83英寸(標準值的0. 25倍)時(shí)，傳感器增益下降至37. 48?？梢钥闯?，傳感器增益與線(xiàn)圈寬度成正比。

4傳感器長(cháng)度
理論上，在線(xiàn)圈參數不變的前提下，傳感器長(cháng)度越長(cháng)，有效磁場(chǎng)越大;但加長(cháng)傳感器長(cháng)度會(huì )增加成本。為了既有效利用線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又要使傳感器較短、設計較為經(jīng)濟，需為傳感器選擇合適的長(cháng)度8。
采用一臺日徑為6英寸、標準線(xiàn)圈的傳感器，改變傳感器長(cháng)度，依次進(jìn)行試驗室標定試驗。傳感器長(cháng)度與增益的關(guān)系圖如圖4所示。當傳感器長(cháng)度為9. 1英寸時(shí)，其增益為61. 03;但當其長(cháng)度繼續增加時(shí)，增益變化較小;當其長(cháng)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)，當傳感器長(cháng)度為6. 1-9. 1英寸時(shí)，既有效利用了線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又可使傳感器長(cháng)度較短。

需要注意的是，同樣一組線(xiàn)圈安裝在不同日徑的管道上，由于兩個(gè)線(xiàn)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計，不可能實(shí)現傳感器長(cháng)度小于線(xiàn)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(jìn)行試驗io。
5結束語(yǔ)
通過(guò)以上分析、仿真和試驗室標定，證明了傳感器靈敏度跟線(xiàn)圈匝數和線(xiàn)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(xiàn)圈，其寬度為4.76英寸，當傳感器長(cháng)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(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，又實(shí)現了經(jīng)濟設計的目標。在給定傳感器日徑和線(xiàn)圈驅動(dòng)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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