摘要:爲了實(shí)現電磁流(liú)量計(jì) 的低(dī)功耗，提出一種具有異徑(jìng)測量管道的電磁流量傳感器(qì)方案。基于fluent軟(ruǎn)件(jiàn)對異(yì)徑(jìng)測量管(guǎn)道内部流場進(jìn)行了分析，該新(xīn)型(xíng)電磁流量傳(chuán)感器的勵磁效率和輸出靈敏度相比于傳統(tǒng)設計有顯(xiǎn)著提(tí)高。
　　電(diàn)磁流量計(jì)廣泛應用(yòng)于(yú)導(dǎo)電流(liú)體的體積(jī)流量(liàng)測量。随着(zhe)電磁流量(liàng)測量(liàng)理論的成熟和電子技術不(bú)斷(duàn)發展， 低功(gōng)耗電(diàn)磁流量計 的設(shè)計成(chéng)爲該領域(yù)的研(yán)究熱點之(zhī)一。國(guó)外廠家率(lǜ)先推出了電池(chí)供電(diàn)的電磁流量計(jì)，極大地拓(tuò)寬了電磁流量計的(de)應用(yòng)範(fàn)圍(wéi)。國内(nèi)科研人員(yuán)也在相(xiàng)關(guān)領域進行(háng)了有益的探(tàn)索。國内儀表(biǎo)廠家(jiā)生産的電磁流量計仍然(rán)具有技術水平(píng)低、功耗較大等(děng)缺點。鑒(jiàn)于國内(nèi)市場對電池供(gòng)電電磁流(liú)量計(jì)産品需求迫切(qiē)，加強相關領域(yù)的研(yán)究、促進國(guó)内電磁流(liú)量測量技(jì)術(shù)的(de)進步意義重(zhòng)大(dà)。
　　電磁流量(liàng)計(jì)由電磁流(liú)量(liàng)傳感器和(hé)轉換器兩部(bù)分(fèn)組成。轉(zhuǎn)換器爲電磁(cí)流量傳感(gǎn)器提(tí)供産生工作(zuò)磁場的勵磁(cí)電流，對傳感(gǎn)器(qì)輸出的(de)感(gǎn)應電(diàn)動勢信号進行(háng)放大、濾波、數字(zì)化從而得(dé)到瞬時流速(sù)或體積(jī)流量值。電(diàn)磁流量計(jì)的(de)功(gōng)耗包(bāo)括勵(lì)磁(cí)電路功耗和(hé)信号(hào)處理(lǐ)電路功(gōng)耗(hào)，數(shù)值(zhí)上前(qián)者遠大于(yú)後者。電(diàn)磁(cí)流量轉換器(qì)低功耗(hào)設(shè)計的主要技(jì)術措(cuò)施包括選(xuǎn)用低功耗的電(diàn)子元件和(hé)測量(liàng)電路(lù)間(jiān)歇(xiē)性地(dì)工作，在測(cè)量間(jiān)隙進入(rù)微功耗休眠狀(zhuàng)态。電磁(cí)流量(liàng)傳感器的(de)低功耗設計問(wèn)題相對(duì)複雜，必(bì)須保證在勵磁(cí)電流(liú)顯著減小(xiǎo)時其(qí)輸(shū)出靈敏度與常規(guī)電磁流量(liàng)傳感器的(de)靈敏度相當或(huò)更高，做到這一(yī)點隻能(néng)通(tōng)過優化傳(chuán)感器結構(gòu)來(lái)實現。
　　一種新型 電池(chí)供電電(diàn)磁流量計(jì) 方案，其電(diàn)磁流量傳(chuán)感器(qì)的(de)測(cè)量管(guǎn)道爲(wèi)從圓形截(jié)面逐漸收(shōu)縮成(chéng)矩形(xíng)截面(miàn)的異(yì)徑管。相比于測量管爲均勻圓(yuán)管的常規(guī)電磁(cí)流量傳感器(qì)，具(jù)有異徑測量管(guǎn)的傳(chuán)感器在勵(lì)磁效率(lǜ)、輸出靈敏度(dù)等(děng)方(fāng)面具(jù)有顯著優勢。新(xīn)型電磁流量傳感器與微(wēi)功耗的測(cè)量電路相(xiàng)結合實現了電磁流(liú)量計的低(dī)功耗(hào)設計。
1電磁(cí)流量(liàng)傳(chuán)感器工(gōng)作原理
　　電磁流(liú)量傳感器把流(liú)速(流量(liàng))信(xìn)号線(xiàn)性地變換成感(gǎn)應電動勢信号(hào)。理想(xiǎng)情況下，可(kě)将被(bèi)測(cè)流體視(shì)爲做切(qiē)割(gē)磁力(lì)線運動的導體，根據法(fǎ)拉第電(diàn)磁感(gǎn)應(yīng)定律可(kě)知感(gǎn)生電動勢(shì)ei的大小可表(biǎo)述爲：

　　式中:b爲(wèi)磁感(gǎn)應強度(dù);a爲磁通量變(biàn)化的面積(jī);d爲(wèi)導體長度(兩(liǎng)測量(liàng)電(diàn)極之間(jiān)的距離，對于圓(yuán)形管道(dào)d爲測量(liàng)管内徑);dl爲(wèi)運動(dòng)的距離;`v爲運動(dòng)速度;ei爲(wèi)感應電(diàn)動勢(shì)。
假設(shè)管道(dào)的橫截面積爲(wèi)a，流量爲q，則式(1)可(kě)改寫爲:

　　對于高(gāo)爲h，寬爲d的橫截(jié)面爲矩(jǔ)形(xíng)的測(cè)量管道，則式(2)可(kě)改寫爲:

　　上述電磁流量測量基(jī)本方程(chéng)隐(yǐn)含以下假(jiǎ)設條(tiáo)件［9］:①流體磁導(dǎo)率μ均勻并且其數值等(děng)于真空中磁導率，即流體是非(fēi)磁性的;②流體具有均(jun1)勻的電導(dǎo)率，并滿足(zú)歐姆(mǔ)定律(lǜ);③流體(tǐ)中的(de)位移電(diàn)流(liú)可忽略不計;④磁場在(zài)無限大空間範(fàn)圍内(nèi)均勻分布(bù);⑤被測流體流動(dòng)狀态爲充(chōng)分發(fā)展流，對(duì)圓(yuán)管而(ér)言流速呈軸對稱分(fèn)布。
　　式(1)表明感應電動勢正(zhèng)比于流體(tǐ)平(píng)均流速(sù)。當流(liú)速很(hěn)低時(shí)感應電動勢很小，在噪聲(shēng)電(diàn)平基本(běn)相同(tóng)的條件下(xià)測量(liàng)誤差會增大，因(yīn)此限制了(le)電磁(cí)流量計(jì)的(de)測量下限。異徑(jìng)測量(liàng)管道的設計要求是(shì)在不改變(biàn)流場(chǎng)特性的條(tiáo)件下，局部(bù)減小管道橫截面積(jī)以增(zēng)加流速來提高測量靈敏度。在測量電極形狀(zhuàng)爲矩形時(shí)，矩形截面管道(dào)的測量電(diàn)極取出的感應(yīng)電動(dòng)勢信号(hào)基(jī)本上(shàng)不依(yī)賴(lài)于管道(dào)橫截面(miàn)的流速分布，因而異徑(jìng)管道的(de)測(cè)量段采用矩形截面(miàn)設計(jì)。
電磁(cí)流量(liàng)傳感器勵磁回(huí)路中線圈匝數(shù)n、勵磁(cí)電流(liú)i和磁(cí)通勢f的(de)關系爲(wèi)：

　　式中(zhōng):rm爲磁阻，μ爲磁(cí)導(dǎo)率，s爲磁路的橫截面(miàn)積，l爲(wèi)磁路平(píng)均(jun1)長度(dù)。根據(jù)磁(cí)場的歐(ōu)姆定律［12］，磁通量(liàng)Φ的大(dà)小爲:

　　由式(shì)(7)可知，磁感(gǎn)應強度b與(yǔ)勵(lì)磁電流(liú)成正(zhèng)比，與(yǔ)磁路(lù)的平(píng)均長度l成(chéng)反比。在(zài)測(cè)量電(diàn)極間距d相同時(shí)，橫截面積(jī)相同的圓(yuán)管和矩形管，矩形(xíng)管(guǎn)的高度h小于(yú)圓管直(zhí)徑d。假設(shè)磁路與管道之間的距離爲hw，則(zé)橫截面(miàn)爲圓(yuán)形(xíng)和矩形(xíng)的管道其磁路(lù)平均長(zhǎng)度l分别(bié)爲h+2hw和d+2hw。因此，勵磁電流相(xiàng)同時矩(jǔ)形管道磁感應(yīng)強度(dù)大于圓形(xíng)管道(dào)的磁(cí)感應(yīng)強度。若需要得(dé)到相(xiàng)同磁感應(yīng)強度b，采(cǎi)用矩形(xíng)截面測量(liàng)管道(dào)的電磁流量傳(chuán)感器所(suǒ)需(xū)勵磁電流較小。在測(cè)量管道入口瞬時(shí)流量相同、測(cè)量電極間(jiān)距d相(xiàng)同時(shí)，爲得到相(xiàng)同大(dà)小(xiǎo)的輸出(chū)電動(dòng)勢(shì)信号采(cǎi)用矩形截面測量管(guǎn)的傳感器(qì)所需勵磁電流較小(xiǎo)，比圓形截面測(cè)量(liàng)管道的(de)傳感(gǎn)器功耗低(dī)。
2異徑測量(liàng)管(guǎn)道流場仿(páng)真
2.1仿真模型建(jiàn)立(lì)與仿真條件設置
　　使(shǐ)用(yòng)solidworks軟件生成三(sān)維模型(xíng)，将(jiāng)其導(dǎo)入fluent軟件(jiàn)的前處理程序gambit中(zhōng)對模型進行網格劃分，得到模型如(rú)圖1所(suǒ)示。測(cè)量管道由大口(kǒu)徑50mm圓(yuán)管縮徑爲小口徑寬(kuān)38mm，高20mm的矩形(xíng)管道，矩形截面部分(fèn)長度爲80mm。入口邊(biān)界設(shè)定爲(wèi)速度入(rù)口，出口(kǒu)邊界(jiè)設(shè)置爲充(chōng)分(fèn)發展(zhǎn)流，其他(tā)所有(yǒu)面爲(wèi)壁面邊界(jiè)。

　　fluent中的工(gōng)作條件(jiàn)設置爲(wèi):模型求解方法選擇非耦(ǒu)合求(qiú)解方法;定義流體物(wù)理性(xìng)質爲(wèi)水;選用k－ε湍流模(mó)型，初(chū)始(shǐ)流速(sù)0.1m/s和5m/s，水力直徑50mm，湍流(liú)強度分(fèn)别(bié)爲5.5%和(hé)3.38%。
2.2仿真(zhēn)結(jié)果
(1)異徑(jìng)管道流場分布(bù)
　　對入(rù)口處爲(wèi)直(zhí)徑50mm圓形截(jié)面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截面(miàn)的(de)異徑(jìng)管道，在(zài)矩(jǔ)形截(jié)面部分長度80mm，寬度38mm，高度20mm，管(guǎn)道總(zǒng)長200mm的條件(jiàn)下采用fluent軟(ruǎn)件(jiàn)進行流(liú)場仿真，管道初(chū)始流速分别爲(wèi)0.1m/s低流速和5m/s最大(dà)流速。其壓損和中心(xīn)截(jié)面(miàn)平均速(sù)度(dù)如表(biǎo)1所示(shì)。

　　從表(biǎo)1可知，入口流速(sù)爲(wèi)0.1m/s時(shí)管道(dào)收縮(suō)段(duàn)的流速增加到入口流(liú)速的(de)2.58倍，提高了(le)測量(liàng)靈(líng)敏度(dù)。入(rù)口流速5m/s時(shí)，其壓力損(sǔn)失(shī)符合冷(lěng)水水表的檢定規程，即額定工(gōng)作條件(jiàn)下的最(zuì)大壓力損(sǔn)失應不超0.063mpa。收(shōu)縮段流(liú)速也(yě)增加爲入(rù)口流速(sù)的2.58倍，即(jí)12.9m/s，仍在傳(chuán)統(tǒng)電(diàn)磁(cí)流量計的測量範圍内。更大的(de)入口(kǒu)流速(sù)可能(néng)使收(shōu)縮段流速(sù)超出測量(liàng)範圍，因此(cǐ)應根據使(shǐ)用條件合理設計管(guǎn)道尺(chǐ)寸。
　　圖2、圖3(其中x、y軸(zhóu)坐标(biāo)單位均爲(wèi)m;速度(dù)單位爲(wèi)m/s)和圖4表明異徑測量管(guǎn)内流場特性穩(wěn)定，設計異徑管(guǎn)道電(diàn)磁流量傳(chuán)感器是可行的(de)。



(2)異(yì)徑管(guǎn)道流(liú)場畸變
　　對(duì)入口處爲直徑(jìng)50mm圓形(xíng)截面逐漸(jiàn)收縮爲矩形橫(héng)截面(miàn)的異徑管道，在矩(jǔ)形截面(miàn)部分(fèn)長度80mm，寬度20mm，高度5mm，管道(dào)總長度爲200mm的設定條(tiáo)件下采(cǎi)用fluent軟件(jiàn)進行流(liú)場仿真(zhēn)，管道初(chū)始流速0.1m/s。進出(chū)口壓(yā)力損(sǔn)失爲1903.801pa，中心截面平均(jun1)速度爲2.453m/s，增大爲(wèi)入口流速(sù)的24.5倍。根據圖5、圖(tú)6可知(zhī)，如果(guǒ)矩形截面部分的高(gāo)度和寬度壓縮(suō)太大會導(dǎo)緻回(huí)流現(xiàn)象，同(tóng)時進出口壓力損失(shī)較大，漸擴(kuò)管部(bù)分出現嚴重的(de)湍流現象(xiàng)，流場(chǎng)變化較(jiào)大。


(3)異徑(jìng)管道橫截(jié)面積(jī)收縮(suō)部分不同(tóng)長度(dù)的影(yǐng)響
　　對入口處爲直徑(jìng)50mm圓形截面逐漸(jiàn)收縮爲矩形橫(héng)截面的(de)異(yì)徑管道，在矩形截面(miàn)部分寬(kuān)度(dù)38mm，高度20mm，長度(dù)爲40mm～100mm以步長(zhǎng)10mm變化(huà)，管道(dào)總長200mm的條件(jiàn)下采用(yòng)fluent軟件進行流場(chǎng)仿真。管道入口(kǒu)初始流速設定(dìng)爲0.1m/s。仿(páng)真結果如(rú)表2所示。異徑管(guǎn)長度(dù)方向上的(de)壓力損失由沿(yán)程壓力損(sǔn)失引(yǐn)起，差别較(jiào)小，中心截(jié)面平均速(sù)度基(jī)本保持不變。

(4)異徑管道橫(héng)截面積收(shōu)縮部(bù)分不同寬度的影響
　　對入口處(chù)爲直(zhí)徑50mm圓(yuán)形截(jié)面逐(zhú)漸收縮爲(wèi)矩形(xíng)橫截面的(de)異徑(jìng)管道(dào)，在矩(jǔ)形截面(miàn)部分長(zhǎng)度80mm，高(gāo)度20mm，寬(kuān)度爲20mm～48mm以步(bù)長2mm變(biàn)化，管(guǎn)道總長(zhǎng)200mm的(de)條件下采用fluent軟件進行流(liú)場仿真。管(guǎn)道入口初始流(liú)速設(shè)定(dìng)爲0.1m/s。壓力(lì)損失(shī)和中心截(jié)面平均速(sù)度分布如(rú)圖(tú)7所示。寬(kuān)度越小壓力損(sǔn)失越大，但中心(xīn)截面平均(jun1)速(sù)度也越大，随(suí)着寬(kuān)度的減小(xiǎo)，壓力(lì)損失和(hé)中心截面平均速(sù)度增(zēng)幅變大(dà)。

　　異徑(jìng)管(guǎn)道橫截面積收(shōu)縮部分(fèn)寬(kuān)度和(hé)長度保持(chí)不變(biàn)，高度變化時的(de)情況與(yǔ)此類似(sì)。
2.3仿真結論
　　通過對橫截面由圓形收(shōu)縮爲(wèi)矩形(xíng)的異徑測(cè)量管(guǎn)道進行流場仿真可知，縮徑矩(jǔ)形截(jié)面部分流(liú)速增加(jiā)且流速在(zài)管(guǎn)道橫截面(miàn)上分布均勻，有利于(yú)低流(liú)速小(xiǎo)流量的精(jīng)确測量。矩形截面的(de)寬度和高度對(duì)進出口壓力損失和中心截面(miàn)平均速(sù)度影響較大。異徑測量管感(gǎn)應電動勢(shì)與磁感應強度b成正(zhèng)比，與矩形(xíng)橫截面(miàn)的高度h成反(fǎn)比(bǐ)，在勵磁電流一定時高(gāo)度h越小(xiǎo)傳感器(qì)靈敏度越高。但當高(gāo)度相對于(yú)圓形(xíng)入口(kǒu)的通(tōng)徑d收縮較(jiào)大時(shí)，漸擴(kuò)管(guǎn)中(zhōng)會(huì)出現明顯(xiǎn)的湍流(liú)和空穴現象，因(yīn)此收縮比例不(bú)能太(tài)大(dà)。除此之(zhī)外，收縮比例主(zhǔ)要受到最大壓(yā)損允許(xǔ)值和最(zuì)大瞬時(shí)流(liú)量的(de)限制(zhì)，還(hái)與測量(liàng)管道材質(zhì)、測量電極(jí)形狀等因素有關(guān)，管(guǎn)道尺(chǐ)寸的(de)具體數值(zhí)應(yīng)在(zài)不顯著改變原(yuán)流場特(tè)性(xìng)的前提下(xià)根據(jù)流量測(cè)量(liàng)範圍(wéi)和壓(yā)力(lì)損(sǔn)失要(yào)求等來決(jué)定。在(zài)被測介質(zhì)類型(xíng)、最大(dà)壓(yā)損、最大(dà)瞬時流量、測量(liàng)管道(dào)材質、測量(liàng)電極(jí)形狀(zhuàng)尺寸(cùn)等條件(jiàn)确(què)定的(de)前提下(xià)，可通過(guò)數值仿(páng)真和樣(yàng)機試(shì)驗相結合來優(yōu)化确定收(shōu)縮部分的形狀尺寸。采用具有(yǒu)局部收(shōu)縮的矩形截面的測量(liàng)管道可提高電磁流(liú)量傳感器(qì)的勵磁效(xiào)率和(hé)靈敏度，并且使(shǐ)電磁流量傳感(gǎn)器具有磁場均(jun1)勻、與(yǔ)流速分布無關、低功(gōng)耗等優點。
3樣(yàng)機(jī)和實驗結果
　　根據異徑(jìng)測(cè)量管(guǎn)道流(liú)場仿真結果，制(zhì)做了電磁流量(liàng)計原(yuán)型樣機。測(cè)量管入(rù)口(kǒu)爲内徑50mm圓管，收縮部(bù)分截面爲(wèi)高15mm、寬(kuān)45mm的矩形，測量管(guǎn)道總長(zhǎng)度200mm，收縮部分(fèn)長度50mm。以微(wēi)功耗單片機msp430f449爲核心(xīn)組成(chéng)測量(liàng)電路(lù)，測(cè)量時工作電流(不包含(hán)勵磁(cí)電(diàn)流(liú))小于(yú)10ma，靜态電流小于(yú)20μa。勵磁電流(liú)波(bō)形(xíng)爲峰值50ma的方波(bō)，每次測(cè)量正向勵磁(cí)及(jí)反(fǎn)向勵(lì)磁各50ms，每3s測量一次。樣機平均工作電(diàn)流和(hé)一年(nián)的能耗爲:
i=［(50+10)×50］÷3000+0.02=1.02ma　　(8)
e=1.02×24×30×12=8812.8mah　　(9)
　　樣機采用6節高能锂(lǐ)電池(chí)供電(diàn)，單節(jiē)電池容量4800mah或8500mah，更換電池後(hòu)樣機(jī)可連續(xù)工(gōng)作三(sān)年以(yǐ)上(shàng)。
在流量(liàng)标定裝置(zhì)上對(duì)原型(xíng)樣機采(cǎi)用(yòng)稱重(zhòng)法進行了測試(shì)，标定系統精度(dù)爲0.1%，測量對(duì)象爲(wèi)普通工業(yè)用水(shuǐ)，設定(dìng)流速測量(liàng)範圍0.1m/s～5m/s，實驗(yàn)數據如(rú)表(biǎo)3所示(shì)。實驗(yàn)數據表明(míng)，樣機精度(dù)優于(yú)±0.5%，滿足(zú)設(shè)計要求。

4結論
　　采(cǎi)用橫截(jié)面局部(bù)收縮的(de)異徑測(cè)量管道(dào)可(kě)提(tí)高電(diàn)磁流(liú)量傳感器(qì)的勵(lì)磁效率和(hé)靈敏度，降低電(diàn)磁流(liú)量計(jì)的功耗。使用fluent軟件(jiàn)對(duì)異徑(jìng)測量管(guǎn)道(dào)進行了流場仿(páng)真，得(dé)到了異徑測量(liàng)管道設計的一(yī)般(bān)原則。

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