李華志 梁前超 崔漢國(guó)

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

新型雙向流量傳感器如圖1所示，由等徑圓形測(cè)量管、導(dǎo)磁體小球(環(huán)形限位導(dǎo)軌)、檢測(cè)裝置(內(nèi)為永磁體及線圈)和對(duì)稱導(dǎo)流翼和旋流發(fā)生翼組成，其與渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)等常見(jiàn)流量計(jì)[1]最大的不同在于其流量傳感器的結(jié)構(gòu)和流量信號(hào)獲取方式不同，其流量信號(hào)由導(dǎo)磁體小球轉(zhuǎn)動(dòng)切割管外磁線圈產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)頻率表征，二次信號(hào)處理部件對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行分析、積算就可得到流體體積流量信號(hào)。

圖1 雙向流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

影響流量測(cè)量精度的問(wèn)題存在兩個(gè)方面：一是信號(hào)處理方法的研究[2,3]；二是基于傳感器本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和介質(zhì)特性，這些問(wèn)題同樣存在于電磁流量計(jì)[4，5]和渦街流量計(jì)[6,7]中。在新型雙向流量傳感器中，由于其特殊的流量信號(hào)激發(fā)方式，其流量傳感器部件的幾何參數(shù)和磁特性對(duì)磁線圈產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)有較大影響，為了優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)，改善信號(hào)輸出質(zhì)量，本文將基于新型雙向流量傳感器的結(jié)構(gòu)采用Ansoft Maxwell對(duì)其中軸、測(cè)量管、小球、磁線圈等部件的磁導(dǎo)率和幾何參數(shù)對(duì)檢測(cè)裝置內(nèi)磁線圈輸出電壓信號(hào)的影響進(jìn)行仿真分析。

1 理論分析與仿真模型

1.1 理論分析

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)及上述說(shuō)明，設(shè)檢測(cè)裝置中線圈的匝數(shù)為N，則根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e決定于穿過(guò)線圈的磁通量Φ的變化率，即：

(1)

e=NBlv=NBlwballrsin(wballt)

(2)

式中：B為定子等效磁感應(yīng)強(qiáng)度，與測(cè)量管材質(zhì)、導(dǎo)磁體參數(shù)有關(guān)；l為小球切割磁場(chǎng)的有效長(zhǎng)度，與小球的半徑等幾何參數(shù)有關(guān)；v為小球與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；r為轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域等效半徑，與測(cè)量管內(nèi)徑、小球距中心位置有關(guān)；t為運(yùn)行時(shí)間。

由式(2)可以看出，線圈中輸出的電壓信號(hào)與線圈匝數(shù)、永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度、小球半徑大小、小球轉(zhuǎn)動(dòng)速度、測(cè)量管材料和內(nèi)徑、小球距中心位置等均有關(guān)。在實(shí)際對(duì)流體流量信號(hào)的提取過(guò)程中，并不要求得到線圈輸出電壓信號(hào)的準(zhǔn)確值，只須對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行有效計(jì)數(shù)，而要對(duì)該感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行有效計(jì)數(shù)，脈沖信號(hào)必須能有效析出，其最基本、最經(jīng)濟(jì)的方法是使有效信號(hào)與擾動(dòng)雜波的幅值、頻率等有明顯區(qū)別。下面將建立二維仿真模型，研究影響線圈輸出電壓信號(hào)的各種影響，得到新型雙向流量傳感器內(nèi)部部件幾何參數(shù)和材料參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1.2 仿真模型及仿真參數(shù)

針對(duì)圖1中的結(jié)構(gòu)，建立圖2所示的二維研究模型。仿真基本參數(shù)為：測(cè)量管外徑Rpipe為52mm，測(cè)量管內(nèi)徑rpipe為46mm，其厚度Tpipe=6mm；中軸的半徑rshaft=8mm；小球半徑為rball為10mm；管內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)與管外靜止場(chǎng)之間分界面bond的半徑為45.5mm；外部空氣層半徑Router為70mm；線圈繞在永磁體上與中軸中心的距離D為49mm，即測(cè)量管最薄處厚度dpipe只有3mm；永磁體寬度w為8mm。從Ansoft材料庫(kù)中選擇部件材料，線圈為Copper，小球?yàn)镮ron，測(cè)量管為Bronze，中軸為Steel_1008，內(nèi)部被測(cè)介質(zhì)為Water-sea，其它默認(rèn)為空氣。在Ansoft中選擇永磁體材料且賦值Br=1.2581T，Hcj=47100A/m，磁化方向?yàn)閅軸正向。采用瞬態(tài)分析方法仿真分析小球以M=100r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)在管外磁線圈中產(chǎn)生的電壓信號(hào)。在下面的仿真中，所有材料的磁導(dǎo)率均為相對(duì)磁導(dǎo)率，符號(hào)為μrx，下標(biāo)X設(shè)置為pipe、ball、shaft、outer、mediu分別表示測(cè)量管、小球、中軸、測(cè)量管外部及被測(cè)介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

圖2 仿真模型示意圖

2 特性參數(shù)仿真及結(jié)果分析

在下面某一項(xiàng)特性參數(shù)的變化仿真過(guò)程中，均以上述參數(shù)基本值，在參數(shù)變化過(guò)程中，除非另有說(shuō)明，不改變材料的其它值(如密度、導(dǎo)電率等)，只改變目標(biāo)參數(shù)值。

2.1 中軸參數(shù)變化影響

1)磁導(dǎo)率變化產(chǎn)生的影響

編輯新材料改變中軸材料特性使其磁導(dǎo)率分別為1000、10和1時(shí)，磁線圈輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)如圖3所示。

圖3 中軸磁導(dǎo)率μshaft變化后線圈輸出電壓信號(hào)

由圖3可以看出，中軸的磁導(dǎo)率越大，外部磁線圈中輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)越大，但磁導(dǎo)率為10和為1000其輸出脈沖波幅值差別不到5mV。

2)中軸半徑變化產(chǎn)生的影響

半徑縮小為原來(lái)0.8倍、0.64倍后線圈輸出脈沖信號(hào)如圖4所示。

圖4 中軸半徑rshaft變化后磁線圈輸出電壓信號(hào)

圖5 測(cè)量管磁導(dǎo)率μpipe變化后磁線圈輸出電壓信號(hào)

從圖4中可以看出，中軸半徑越大，其輸出電壓信號(hào)電壓脈沖幅值越大。

2.2 測(cè)量管參數(shù)變化影響

1)磁導(dǎo)率變化產(chǎn)生的影響

bronze的磁導(dǎo)率為0.999991，更改材料磁導(dǎo)率分別為100和10，線圈輸出電壓信號(hào)見(jiàn)圖5。

圖5中可以看出，當(dāng)測(cè)量管選用磁導(dǎo)率為100的材料后，磁線圈輸出電壓脈沖信號(hào)幅值不到1.5mV,而當(dāng)μpipe=10時(shí)，其幅值不到30mV。將圖5與圖3、圖4對(duì)比，知測(cè)量管不能選用磁導(dǎo)率較大的材料制造。

2)測(cè)量管厚度的影響

恢復(fù)測(cè)量管磁導(dǎo)率為1，測(cè)量管內(nèi)徑為46mm保持不變，將外徑由原來(lái)的52mm增至53mm和55mm，線圈輸出電壓信號(hào)見(jiàn)圖6。

圖6 增加測(cè)量管厚度Tpipe后磁線圈輸出電壓信號(hào)

從圖6中可以看出，隨著測(cè)量管厚度Tpipe的增加，磁線圈輸出電壓信號(hào)幅值越小，但是將圖6和圖3、圖4和圖5相比，可以發(fā)現(xiàn)其波形變平滑。鑒于測(cè)量管厚度7mm和9mm兩者輸出圖形幾乎相同，但從兩者材料加工及經(jīng)濟(jì)性比較顯然越薄越好，因此在下面的仿真中將更改基本參數(shù)，即中軸為steel_stainless材料，測(cè)量管為bronze，其磁導(dǎo)率均為1，測(cè)量管厚度Tpipe為7mm。

2.3 永磁體參數(shù)變化的影響

永磁體參數(shù)變化與其它部件參數(shù)變化不同，此時(shí)仿真在測(cè)量管外徑變?yōu)?3mm的情形下進(jìn)行；并且只考慮兩種情況：1)永磁體向上移動(dòng)使測(cè)量管最薄處厚度dpipe=4mm，此時(shí)永磁體距小球距離增加1mm；2)永磁體寬度增加，將永磁體關(guān)于Y軸兩側(cè)各增加1mm，即其寬度wPM變?yōu)?0mm，此時(shí)線圈輸出電壓信號(hào)見(jiàn)圖7。

圖7 永磁體參數(shù)變化后線圈輸出電壓信號(hào)

從圖7可以看出：最薄厚度越大其輸出電壓信號(hào)幅值越?。挥来朋w寬度越大其輸出電壓信號(hào)幅值越大。

2.4 小球參數(shù)變化影響

本雙向流量計(jì)系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)就是一種新的流量信號(hào)獲取方式，即采用導(dǎo)磁體小球切割場(chǎng)外磁線圈以產(chǎn)生流量表征信號(hào)，因此小球是整個(gè)流量傳感器正常工作的核心部件。根據(jù)上面三節(jié)的研究，下面的仿真模型基于2.3中的模型上進(jìn)行。同時(shí)，為了方便后續(xù)信號(hào)處理電路對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的處理，有必要對(duì)小球內(nèi)全為空氣時(shí)產(chǎn)生的基波信號(hào)進(jìn)行研究，此時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)可定義為原理性擾動(dòng)信號(hào)。

1)小球半徑變化的影響

圖8為小球的半徑變?yōu)樵瓉?lái)0.80倍和0.64倍后磁線圈輸出電壓信號(hào)。從圖8中可以看出，隨著小球半徑的變小，磁線圈輸出電壓信號(hào)幅值也變小。

圖8 小球半徑rball變化時(shí)導(dǎo)磁線圈輸出電壓信號(hào)

圖9 不同小球磁導(dǎo)率μball時(shí)線圈輸出電壓信號(hào)

2)小球磁導(dǎo)率變化的影響

小球磁導(dǎo)率分別為1000和100時(shí)，磁線圈輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)如圖9所示。從圖中可以看出，二者幾乎沒(méi)有變化。

3 結(jié)論

本文對(duì)新型雙向流量計(jì)的測(cè)量原理進(jìn)行了理論研究，得到以下結(jié)論：

1)中軸的半徑越大，磁導(dǎo)率越大，外部磁線圈輸出感生電壓信號(hào)越大；

2)測(cè)量管的磁導(dǎo)率和管壁厚度均對(duì)外部線圈輸出電壓信號(hào)的幅值有較大影響，當(dāng)測(cè)量管磁導(dǎo)率越大，磁線圈輸出電壓信號(hào)幅值越小；測(cè)量管管壁厚度越大，磁線圈輸出電壓信號(hào)幅值越小，同時(shí)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，增加管壁厚度對(duì)抑制擾動(dòng)信號(hào)具有較明顯的作用，當(dāng)管壁厚度由6mm增加為7mm時(shí)外部磁線圈輸出電壓信號(hào)擾動(dòng)脈動(dòng)量明顯減小，輸出電壓信號(hào)平滑；

3)永磁鐵體積越大，外部磁線圈輸出感生電壓信號(hào)越大；永磁體安裝位置距小球越遠(yuǎn)，外部磁線圈輸出感生電壓信號(hào)越?。?/p>

4)導(dǎo)磁體小球的半徑越大，小球?qū)Т判阅茉綇?qiáng)，外部磁線圈輸出感生電壓信號(hào)越大。

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