摘要:爲了(le)實現電磁流(liú)量計 的低功(gōng)耗，提出一種(zhong)具有異徑測(cè)量管道的電(dian)磁流💃🏻量傳感(gǎn)器方案。基于(yu)FLUENT軟件對異徑(jing)測量管道内(nei)部流場進行(hang)了分析，該新(xin)型電磁流量(liàng)傳感器的勵(lì)磁效率和輸(shu)出靈敏度相(xiàng)比于傳統設(she)計有顯著提(tí)高。
　　電磁流量(liàng)計廣泛應用(yòng)于導電流體(tǐ)的體積流量(liàng)測量。随❌着🌈電(diàn)磁流量測量(liàng)理論的成熟(shu)和電子技術(shù)不斷發展， 低(di)功耗電磁流(liú)量計 的設計(jì)成爲該領域(yu)的研究熱點(dian)之一。國外廠(chang)家率先推出(chu)了電池供電(dian)的電磁流量(liàng)計，極大地拓(tuo)寬了電磁流(liu)量計的😄應用(yong)範圍。國内科(kē)研人員也在(zai)相關領域進(jin)行了有益的(de)探索。國内儀(yí)表廠家生産(chǎn)的電磁流量(liàng)計仍然具有(you)技術水平低(dī)、功耗較大等(děng)缺點㊙️。鑒于國(guo)内市場對電(dian)池供電電磁(cí)流量❄️計産品(pin)需求👨‍❤️‍👨迫切，加(jia)強相關領域(yu)的研究、促進(jin)國内電磁流(liu)量測量技術(shu)的進步意義(yi)重大。
　　電磁流(liú)量計由電磁(ci)流量傳感器(qì)和轉換器兩(liang)部分組成。轉(zhuǎn)換器爲電磁(cí)流量傳感器(qi)提供産生工(gong)作磁場的勵(li)磁電流，對傳(chuán)感器輸出的(de)感應電動勢(shi)信号進行放(fang)大、濾波、數字(zì)化從而得到(dào)瞬時流速或(huò)體積流量值(zhí)。電磁流量計(ji)的功耗包括(kuo)勵磁電路功(gong)耗和⭕信号處(chu)理電路功耗(hào)，數值上前者(zhě)遠大于後者(zhě)。電磁流量轉(zhuǎn)換器低功耗(hào)設計的主要(yao)技術措施包(bāo)📱括選用低功(gōng)耗的電子元(yuán)件和測量電(diàn)路間歇性地(di)工作🌈，在測量(liàng)間隙進入微(wei)💔功耗休眠狀(zhuàng)态。電磁流量(liàng)傳感㊙️器的低(di)功耗設計問(wèn)題相對複🏃‍♀️雜(zá)，必須保證在(zai)勵磁電流顯(xiǎn)著減小時其(qí)輸出靈敏度(du)與常規👅電磁(cí)流量🌈傳感器(qì)的靈敏度相(xiang)當或💃🏻更高，做(zuò)到這一點隻(zhi)能通過優化(huà)傳感器結構(gou)來實現。
　　一種(zhǒng)新型 電池供(gòng)電電磁流量(liàng)計 方案，其電(diàn)磁流量傳感(gan)器的測量管(guǎn)道爲從圓形(xing)截💛面逐漸收(shōu)縮成矩形截(jié)面的異徑管(guǎn)。相比于測量(liàng)管爲均勻圓(yuan)管的常規✊電(diàn)磁🔴流量傳感(gan)器，具有異徑(jìng)測量管的傳(chuan)感器在勵磁(cí)效率、輸出靈(ling)敏🏃度等方面(mian)具有顯著優(yōu)勢。新型電磁(ci)流量傳㊙️感器(qì)與微功耗的(de)測🌈量電路相(xiang)結✉️合實現了(le)電磁流量計(ji)的低功耗設(she)計🌂。
1電磁流量(liang)傳感器工作(zuo)原理
　　電磁流(liú)量傳感器把(bǎ)流速(流量)信(xin)号線性地變(biàn)換成感應電(diàn)動勢📧信号。理(lǐ)想情況下，可(ke)将被測流體(ti)視爲做切割(ge)磁力線運動(dòng)🌏的導🤩體，根據(ju)法拉第電磁(ci)感應定律可(kě)👌知感生電動(dòng)勢Ei的大小可(kě)表述爲：

　　式中(zhong):B爲磁感應強(qiáng)度;A爲磁通量(liang)變化的面積(ji);D爲導體長度(dù)(兩測🥵量電極(ji)之間的距離(li)，對于圓形管(guǎn)道D爲測☂️量管(guǎn)内徑);dl爲運動(dong)的距離👨‍❤️‍👨;`V爲運(yun)動速度;Ei爲感(gan)應電動✌️勢。
假(jia)設管道的橫(heng)截面積爲A，流(liu)量爲q，則式(1)可(ke)改寫爲:

　　對于(yú)高爲h，寬爲D的(de)橫截面爲矩(ju)形的測量管(guan)道，則式(2)可🈲改(gǎi)寫☂️爲:

　　上述電(diàn)磁流量測量(liang)基本方程隐(yǐn)含以下假設(shè)條件［9］:①流🏃🏻體磁(cí)導🌐率μ均勻并(bìng)且其數值等(děng)于真空中磁(cí)導率㊙️，即流體(tǐ)是非磁性的(de);②流體具有均(jun1)勻的電導率(lü)，并滿足歐姆(mu)❗定律;③流體中(zhōng)的☔位移電流(liú)可忽略不計(jì);④磁場在無限(xian)大空間範圍(wei)内均勻分布(bù);⑤被測流體流(liu)動狀态爲充(chōng)分發展流，對(duì)圓管而言流(liú)速呈軸對稱(cheng)分布🌈。
　　式(1)表明(míng)感應電動勢(shi)正比于流體(ti)平均流速。當(dāng)流速很低時(shí)感應電動勢(shi)很小，在噪聲(sheng)電平基本相(xiang)同的條件下(xia)測量誤差會(hui)增大，因此限(xiàn)制了電磁流(liu)量計的測量(liàng)下限。異徑測(ce)量管道的🚶‍♀️設(she)計要求是在(zai)不改變流場(chang)特性的條件(jian)下，局部減小(xiao)管道橫截面(mian)積以增加流(liú)速來提高測(ce)量靈敏度。在(zai)測量💃電極形(xíng)狀爲矩形時(shi)，矩形🧑🏽‍🤝‍🧑🏻截面管(guǎn)道的測量電(dian)極取出的感(gan)🏃🏻‍♂️應電動勢信(xìn)号基本上不(bú)依賴于管道(dao)橫截面的流(liu)速分布🔱，因而(ér)異徑管道的(de)🌈測量段采用(yong)矩形㊙️截面設(shè)計。
電磁流量(liang)傳感器勵磁(ci)回路中線圈(quan)匝數N、勵磁電(dian)流I和⭐磁通勢(shi)F的關系爲：

　　式(shi)中:Rm爲磁阻，μ爲(wei)磁導率，S爲磁(cí)路的橫截面(miàn)積，L爲磁路平(píng)均長度。根據(jù)磁場的歐姆(mu)定律［12］，磁通量(liàng)Φ的大小爲:

　　由(you)式(7)可知，磁感(gǎn)應強度B與勵(li)磁電流成正(zhèng)比，與磁路的(de)平均長度L成(chéng)反比。在測量(liang)電極間距D相(xiàng)同時，橫截面(miàn)積✏️相同🤩的圓(yuan)管和矩形管(guǎn)，矩形管的高(gāo)度h小于圓管(guǎn)直徑D。假設磁(cí)路與管道之(zhī)間的距離🐆爲(wèi)hw，則橫截面爲(wèi)圓形和矩形(xíng)的管道其磁(ci)路平均長度(du)L分别爲h+2hw和D+2hw。因(yīn)此，勵磁電流(liú)相同時矩形(xing)管道磁感應(yīng)強度大于👅圓(yuan)形管道的👈磁(cí)感應強度。若(ruo)需要得到相(xiàng)同磁感應強(qiáng)度B，采用矩形(xing)截🌈面測量管(guan)道的電磁流(liú)量傳感器所(suǒ)需勵磁電流(liu)較小。在測量(liang)管道入口瞬(shun)時流量相同(tóng)、測量電極間(jian)距D相同時，爲(wei)得到相同大(dà)小的輸出電(dian)動勢信号采(cǎi)用❄️矩形截面(miàn)測量管的傳(chuán)感器所需❓勵(li)磁電流較小(xiao)，比圓形截面(miàn)測量管道的(de)傳感器功耗(hao)低⭐。
2異徑測量(liàng)管道流場仿(pang)真
2.1仿真模型(xing)建立與仿真(zhēn)條件設置
　　使(shi)用SolidWorks軟件生成(chéng)三維模型，将(jiang)其導入FLUENT軟件(jiàn)的前處理程(cheng)序Gambit中對模🥵型(xíng)進行網格劃(huà)分，得到模型(xíng)如圖1所示。測(cè)量管道由大(da)口徑50mm圓管縮(suo)徑爲小口徑(jing)寬38mm，高20mm的矩形(xing)管道，矩形截(jie)面部分長度(du)爲🐆80mm。入口邊界(jiè)設定爲速度(du)入口，出口邊(bian)界設📐置爲充(chong)分發展流，其(qí)他所有面爲(wei)壁面邊界。

　　FLUENT中的工(gōng)作條件設置(zhì)爲:模型求解(jie)方法選擇非(fei)耦合求解方(fāng)♍法;定義流體(tǐ)物理性質爲(wei)水;選用k－ε湍流(liú)模型，初始流(liú)速0.1m/s和5m/s，水🏃力直(zhí)🥰徑50mm，湍流強度(dù)分别爲5.5%和3.38%。
2.2仿(pang)真結果
(1)異徑(jìng)管道流場分(fen)布
　　對入口處(chù)爲直徑50mm圓形(xíng)截面逐漸收(shōu)縮爲矩形橫(héng)截面的異徑(jing)管🔅道，在矩形(xíng)截面部分長(zhǎng)度80mm，寬度38mm，高度(dù)20mm，管道總長200mm的(de)條件下采用(yong)FLUENT軟件進行流(liu)場仿真，管道(dao)初㊙️始流速分(fen)别爲0.1m/s低流速(sù)和5m/s最大流速(su)。其壓損和中(zhōng)心截面平均(jun1)速度如表1所(suo)示。

　　從表1可知(zhī)，入口流速爲(wèi)0.1m/s時管道收縮(suō)段的流速增(zēng)加到🌐入口流(liú)速的2.58倍，提高(gao)了測量靈敏(mǐn)度。入口流速(su)5m/s時，其壓力損(sun)👨‍❤️‍👨失符🛀合冷水(shuǐ)水🔞表的檢定(dìng)規程，即額定(dìng)工作條件🐉下(xià)的最大壓力(li)損失應不超(chāo)0.063MPa。收縮段流速(sù)也♋增加爲入(ru)口流速的2.58倍(bèi)，即12.9m/s，仍在傳統(tǒng)電磁流量計(ji)的🌏測量範圍(wei)内。更大的入(rù)口流速可能(neng)使收縮段流(liu)速超出測量(liàng)範圍，因此應(yīng)根據使用條(tiao)件合理設計(ji)管道尺寸。
　　圖(tu)2、圖3(其中X、Y軸坐(zuò)标單位均爲(wèi)m;速度單位爲(wèi)m/s)和圖4表明♊異(yì)徑⁉️測量管内(nèi)流場特性穩(wen)定，設計異徑(jing)管道電磁流(liú)量傳感❗器是(shi)可行的。



(2)異徑管(guan)道流場畸變(bian)
　　對入口處爲(wei)直徑50mm圓形截(jie)面逐漸收縮(suo)爲矩形橫截(jié)面的異徑管(guan)道，在矩形截(jié)面部分長度(dù)80mm，寬度20mm，高度5mm，管(guan)道總長度爲(wei)200mm的設定條件(jian)🔴下采用FLUENT軟件(jiàn)進行流場仿(pang)真，管道初始(shi)流速0.1m/s。進出口(kou)壓力損失爲(wèi)1903.801Pa，中心截面平(ping)均速度爲2.453m/s，增(zeng)大爲入口流(liu)速的㊙️24.5倍。根據(ju)圖5、圖6可知，如(ru)😄果矩形截面(miàn)部分的高度(du)和寬度壓縮(suō)太大會導緻(zhì)回流現象，同(tóng)時進出口壓(ya)力損失較大(da)，漸擴管部分(fèn)出現嚴重的(de)湍流現象，流(liu)場變化較💜大(dà)。


(3)異徑管道橫(heng)截面積收縮(suō)部分不同長(zhang)度的影響
　　對(dui)入口處爲直(zhi)徑50mm圓形截面(miàn)逐漸收縮爲(wèi)矩形橫截🔞面(mian)👨‍❤️‍👨的異徑🍓管道(dao)，在矩形截面(mian)部分寬度38mm，高(gao)度20mm，長度爲40mm～100mm以(yi)步長10mm變化，管(guan)道總長200mm的條(tiao)件下采用FLUENT軟(ruan)件進行流場(chǎng)仿真。管道入(ru)口初始✂️流速(sù)設💘定爲0.1m/s。仿真(zhen)結果如表2所(suo)示。異徑管長(zhǎng)度方向上的(de)壓🔞力損失由(you)沿程壓力💰損(sǔn)失引起，差♌别(bie)較小，中心截(jie)面平均速度(dù)基本保持不(bu)變。

(4)異徑管道(dào)橫截面積收(shou)縮部分不同(tóng)寬度的影響(xiang)
　　對入口處爲(wèi)直徑50mm圓形截(jie)面逐漸收縮(suo)爲矩形橫截(jié)✍️面的🌈異徑🐉管(guan)道，在矩形截(jie)面部分長度(dù)80mm，高度20mm，寬度爲(wèi)❄️20mm～48mm以步🙇🏻長2mm變🔅化(huà)，管❓道總長200mm的(de)條件下采用(yòng)FLUENT軟件進行流(liú)♉場仿真。管道(dao)入口初始流(liú)速設⭐定爲0.1m/s。壓(ya)⛹🏻‍♀️力損失和中(zhōng)心截面平均(jun)速度分🤞布如(rú)圖7所示。寬度(du)越✨小壓力損(sun)失越大，但中(zhōng)心截面平均(jun)速度也越大(da)，随着寬度的(de)減小，壓力損(sun)失和中心截(jié)面平均速度(dù)增幅變大。

　　異(yi)徑管道橫截(jié)面積收縮部(bù)分寬度和長(zhǎng)度保持不變(biàn)，高度變化時(shi)的情況與此(ci)類似。
2.3仿真結(jie)論
　　通過對橫(heng)截面由圓形(xing)收縮爲矩形(xíng)的異徑測量(liàng)管道進❄️行💯流(liu)場仿真可知(zhi)，縮徑矩形截(jie)面部分流速(sù)增加且流速(sù)在管😘道橫🤞截(jié)面上分布均(jun1)勻，有利于低(di)流速小流量(liang)的精确測量(liang)👌。矩形截面的(de)寬度和高度(du)對進出口壓(yā)📱力損失和中(zhōng)心截面💁平均(jun1)速度影響較(jiao)大。異徑測量(liàng)管感應電動(dòng)勢與磁感應(ying)強度B成正比(bi)，與矩形橫截(jié)面的高度h成(cheng)反比，在勵磁(ci)電流一定時(shi)高度h越小傳(chuan)感器靈敏度(dù)越高。但當高(gao)度相對于圓(yuán)形入口的通(tōng)徑D收縮較💁大(da)時，漸擴管中(zhōng)會出現明顯(xiǎn)的湍流和空(kōng)💃穴現象，因此(ci)收縮比🌐例不(bu)能太大。除此(cǐ)之外，收縮比(bi)例主要受到(dào)最大壓損允(yun)許值和最大(da)瞬時流量的(de)限制，還與測(cè)量管㊙️道材質(zhì)、測量電極形(xing)狀等因素有(yǒu)關，管道尺寸(cun)的具體💋數值(zhí)應在不顯著(zhe)改變原流場(chǎng)㊙️特性的前提(ti)下根據流量(liang)測量♍範圍和(he)壓🌐力損失要(yao)求等來決定(dìng)。在被測介質(zhì)類型、最大壓(yā)損、最大瞬時(shí)流量、測量管(guǎn)道材質、測量(liang)電極形狀尺(chi)寸等條♋件确(què)定的前提下(xia)，可通過數值(zhí)仿真🧡和樣機(jī)試驗相結合(he)來優化确定(ding)收縮部分的(de)形狀尺寸。采(cǎi)用🔴具有局部(bu)收縮的矩形(xing)截面的測量(liàng)管道可提高(gao)電磁流量傳(chuán)感器的勵磁(ci)效率💋和靈敏(mǐn)度，并且使電(dian)🌏磁流量傳感(gǎn)器具有磁場(chang)均勻、與流速(su)分布無關🔴、低(di)功耗等優點(dian)。
3樣機和實驗(yàn)結果
　　根據異(yi)徑測量管道(dao)流場仿真結(jie)果，制做了電(dian)磁流💜量計原(yuan)🌐型樣機。測量(liàng)管入口爲内(nei)徑50mm圓管，收縮(suo)部分截面爲(wèi)高💞15mm、寬45mm的矩形(xíng)，測量管道總(zǒng)長度200mm，收縮部(bù)分長度50mm。以微(wēi)功耗單片機(ji)MSP430F449爲核心組成(cheng)測量電路，測(ce)量時工作電(diàn)流(不包含勵(li)磁電流)小于(yú)10mA，靜态電流小(xiao)于20μA。勵♌磁電流(liu)波形爲峰值(zhi)50mA的方波，每次(cì)測量正向勵(li)磁及🔆反向勵(li)磁各50ms，每3s測量(liang)一次。樣機平(píng)均工作電流(liú)和一年的能(néng)耗爲:
I=［(50+10)×50］÷3000+0.02=1.02mA　　(8)
E=1.02×24×30×12=8812.8mAH　　(9)
　　樣機采(cai)用6節高能锂(lǐ)電池供電，單(dan)節電池容量(liang)4800mAH或8500mAH，更換㊙️電池(chí)後樣機可連(lian)續工作三年(nian)以上。
在流量(liang)标定裝置上(shàng)對原型樣機(jī)采用稱重法(fa)進行了測試(shì)，标定系統精(jīng)度爲0.1%，測量對(duì)象爲普通工(gōng)業用水，設定(dìng)流🚶速測量範(fàn)圍0.1m/s～5m/s，實驗數據(ju)如表3所示。實(shí)驗數據表明(ming)✉️，樣機精度優(you)于±0.5%，滿足設計(jì)要求。

4結論
　　采(cǎi)用橫截面局(ju)部收縮的異(yì)徑測量管道(dào)可提高電磁(ci)流🎯量🐉傳♻️感器(qì)的勵磁效率(lǜ)和靈敏度，降(jiàng)低電磁流量(liàng)計的功耗。使(shi)🌈用FLUENT軟件對異(yì)徑測量管道(dao)進行了流場(chǎng)仿真🚶，得到了(le)異徑測量管(guǎn)道設計的一(yī)般原則。

以上(shàng)内容源于網(wang)絡，如有侵權(quan)聯系即删除(chu)!