LIU Tiejun，GONG Tongsheng，CHEN Yinjia

(College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Study on the Magnetic Excitation Subsystem of Electromagnetic Transducer with Locally Shrunk Measurement Pipe

LIU Tiejun*，GONG Tongsheng，CHEN Yinjia

(College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

To optimize the design of the electromagnetic flow transducer with a locally shrunk pipe，experimental study was carried out to verify how the property of the transducer is affected by the turn numbers of the excitation coil and the dimensions of the electrodes.General guidelines was given on the design of the excitation coil and the electrodes.A prototype flow meter was developed and tested.The experiment result shows that the prototype has the precision better than 0.5%over the specified measurement range.Powered with a set of lithium battery，the prototype can work continuously for more than 3 years.The feasibility of the proposed design was proved.

electromagnetic flowmeter;locally shrunk pipe;velocity distribution;power-consumption

電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電流體的體積流量測量。近期與之相關(guān)的研究工作主要集中于電磁流量計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)與低電導(dǎo)率流體和多相流的測量等方面。電池供電的低功耗電磁流量計(jì)是研究熱點(diǎn)之一［1－5］。

電磁流量計(jì)的功耗主要包括勵磁電路功耗和信號處理電路功耗，在數(shù)值上前者遠(yuǎn)大于后者。信號處理電路低功耗設(shè)計(jì)的主要技術(shù)措施是選用低電壓、微功耗的電子元件并使測量電路間歇性地工作，在測量間隙進(jìn)入微功耗休眠狀態(tài)［5－8］。電磁流量計(jì)勵磁電路的低功耗設(shè)計(jì)問題比較復(fù)雜，要保證在勵磁電流顯著減小時(shí)其輸出靈敏度與常規(guī)電磁流量傳感器的靈敏度相當(dāng)甚至更高，必須對傳感器的結(jié)構(gòu)和材料方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［7－9］。

本文針對勵磁線圈匝數(shù)及采樣電極形狀尺寸對異徑管電磁流量傳感器輸出靈敏度和測量精度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了勵磁線圈和采樣電極設(shè)計(jì)的一般性指導(dǎo)原則，進(jìn)而得到了異徑管電磁流量傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。制作了電磁流量傳感器與微功耗的信號處理電路相結(jié)合的電池供電電磁流量計(jì)樣機(jī)。對電磁流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了新型低功耗電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 異徑管電磁流量傳感器工作原理

電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律工作的，均勻圓管電磁流量計(jì)的測量原理可以表示為［10］:

式中:Ei為測量電極上的感應(yīng)電動勢;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;D為兩測量電極之間的距離(測量管內(nèi)徑); Vav為管道橫截面上的平均流速。

電磁流量傳感器的異徑測量管在入口和出口橫截面積一定的情況下，在測量電極附近的管段收縮為具有較小橫截面積的細(xì)管從而提高電極附近的局部流速，以一定的壓力損失為代價(jià)達(dá)到提高傳感器測量靈敏度的目的［7］。異徑管道的測量段采用矩形截面設(shè)計(jì)時(shí)，在均勻勵磁磁場作用下從矩形平板電極對上取出的感應(yīng)電動勢與管道橫截面上的流速分布無關(guān)［11－12］，這會給勵磁線圈設(shè)計(jì)、加工帶來諸多便利并有利于提高流量計(jì)的測量精度。圖1所示為具有局部矩形截面的測量管的三維模型。

圖1 異徑測量管三維模型

電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝數(shù)N、勵磁電流I和磁通勢F的關(guān)系為:

式中:Rm為磁阻，μ為磁導(dǎo)率，S為磁路的橫截面積，L為磁路平均長度。根據(jù)磁場的歐姆定律［8］，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為:

由式(4)可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與勵磁電流成正比，與磁路的平均長度L成反比。

設(shè)測量管入口直徑為D，收縮為矩形截面的測量段寬度為D，若收縮段的截面積是入口處的0.25倍，可得矩形截面的高度為:

對于水一類非壓縮流體收縮段的平均流速是入口流速的4倍，即:

假設(shè)磁路與管道內(nèi)壁間的距離為hw，則縮徑方管和均勻圓管其磁路平均長度L分別為h+2hw和D+2hw。在勵磁線圈匝數(shù)同為N，勵磁電流同為I時(shí)，可粗略估計(jì)得到在縮徑管矩形截面部位的勵磁磁場強(qiáng)度約為:

以入口處內(nèi)徑50 mm的測量管為例，D為50 mm，h為12.5 mm，hw的典型值為8 mm，將上述數(shù)據(jù)代入式(9)可知，異徑管傳感器與測量管為均勻圓管的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，傳感器測量靈敏度可提高8倍以上，為減小勵磁電流來降低流量計(jì)功耗提供了可能性。

2 取樣電極尺寸和勵磁線圈匝數(shù)的影響

為了優(yōu)化異徑管電磁流量傳感器的設(shè)計(jì)，制做了局部管段具有矩形截面的異徑測量管傳感器樣機(jī)。測量管入口為內(nèi)徑50 mm圓管，總長度200 mm;縮徑部分截面為高15 mm、寬37 mm的矩形，縮徑部分長度為60 mm。1號電極為直徑6.5mm的圓形點(diǎn)電極，2號到6號電極為矩形平板電極，電極材質(zhì)為不銹鋼。2號電極長15mm，高13mm;3號電極長25 mm，高13 mm;4號電極長32 mm，高13 mm;5號電極長60 mm，高13 mm。勵磁線圈是一對矩形線圈，一對E形鐵芯使外圍磁路閉合并達(dá)到提高測量管內(nèi)磁場強(qiáng)度的目的。線圈骨架長52 mm、寬46 mm、厚22 mm，內(nèi)孔為長32 mm、寬26 mm的矩形。Ⅰ型線圈用直徑0.6 mm漆包線繞120匝;Ⅱ型線圈用直徑0.4 mm漆包線繞250匝。勵磁線圈在電極對附近區(qū)域可生成一個(gè)近似均勻分布的勵磁磁場。線圈、鐵芯、平板電極在管道上的相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 電極與線圈鐵芯的位置關(guān)系

首先在水流量標(biāo)定裝置上基于標(biāo)準(zhǔn)表對比法對某廠生產(chǎn)的50 mm口徑均勻圓管點(diǎn)電極電磁流量計(jì)商品樣機(jī)進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)表為德國Krohne公司生產(chǎn)的精度0.2%的電磁流量計(jì)。測試結(jié)果表明商品樣機(jī)精度為0.5%，轉(zhuǎn)換器儀表系數(shù)為0.952 2。

異徑測量管配合不同規(guī)格的勵磁線圈和采樣電極構(gòu)成電磁流量傳感器，與商品樣機(jī)的信號轉(zhuǎn)換器組合為流量計(jì)樣機(jī)。對這些樣機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)表對比法在水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)表仍為德國Krohne公司生產(chǎn)的精度0.2%的電磁流量計(jì)，測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 基于1號線圈的樣機(jī)數(shù)據(jù)

表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用異徑測量管的電磁流量傳感器的靈敏度普遍高于商品樣機(jī)中傳感器的靈敏度(儀表系數(shù)越小表明傳感器輸出靈敏度越高)。在勵磁線圈形狀尺寸一定時(shí)，異徑管電磁流量傳感器選用平板電極比選用點(diǎn)電極時(shí)測量輸出的穩(wěn)定性更好，反映在樣機(jī)測量精度更高。平板電極的尺寸越大傳感器輸出靈敏度越低，這是因?yàn)閯畲糯艌霾皇墙^對均勻的，線圈鐵芯的聚集作用使得電極中心對應(yīng)的位置磁場更強(qiáng)些。電極長度增加，平板電極包圍的空間內(nèi)平均磁場強(qiáng)度反而降低了。而且電極尺寸加大后，磁場分布的均勻性越差，流量測量誤差也變大。綜合考慮傳感器靈敏度和測量誤差，采用2號電極時(shí)測量效果更好一些。

表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在電極型號一定時(shí)，異徑管電磁流量傳感器選用匝數(shù)較多的Ⅱ型線圈可獲得更高的輸出靈敏度和流量測量精度。

表2 基于2號線圈的樣機(jī)數(shù)據(jù)

勵磁線圈的形狀尺寸受異徑測量管的形狀尺寸及傳感器整體尺寸等設(shè)計(jì)要求的限制。勵磁線圈形狀尺寸確定后，應(yīng)在滿足勵磁電流、線圈內(nèi)阻等條件下盡可能增加線圈匝數(shù)。勵磁線圈采用E形鐵芯時(shí)磁場分布主要集中于磁芯中部面向管道的開口部位，平板電極在沿流體運(yùn)動方向上應(yīng)近似鐵芯尺寸的二分之一。

3 樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上分析，由前述異徑測量管配合2號平板電極和Ⅱ型勵磁線圈組成優(yōu)化的電磁流量傳感器樣機(jī)，如圖3所示。

圖3 異徑管電磁流量傳感器樣機(jī)

為與異徑管電磁流量傳感器配合使用開發(fā)了微功耗的測量電路。測量電路包括電源模塊、勵磁電路模塊、A/D采樣模塊、時(shí)鐘模塊、空管檢測模塊、液晶顯示模塊、脈沖輸出模塊、按鍵輸入模塊、存儲電路等。測量電路主以微功耗微處理器MSP430F5418A和微功耗A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7193為核心，外圍電路全部由低電壓微功耗器件構(gòu)成。MSP430F5418A通過控制橋式芯片ZXMHC3A01N8實(shí)現(xiàn)正反向勵磁，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，實(shí)現(xiàn)流量積算，并協(xié)調(diào)各外圍模塊的工作時(shí)序。從鋰電池輸出的3.6 V電源由高效率DCDC開關(guān)變換電路生成7.5 V為勵磁部分供電，由微功耗低壓差穩(wěn)壓器變換出3.0 V為其余電路供電。各模塊不工作時(shí)切斷電源進(jìn)入待機(jī)模式。

測量電路工作電流(不包含勵磁電流)小于10 mA，靜態(tài)電流小于20 μA。勵磁電流波形為峰值50 mA的方波，每次測量正反向勵磁各50 ms，每3 s測量一次。樣機(jī)平均工作電流和一年的能耗為:

樣機(jī)采用6節(jié)高能鋰電池供電，單節(jié)電池容量8 500 mAh，更換電池后樣機(jī)可連續(xù)工作三年以上。

在水流量標(biāo)定裝置上對原型樣機(jī)采用稱重法進(jìn)行了測試，標(biāo)定裝置精度為0.1%，測量對象為普通工業(yè)用水，設(shè)定流速測量范圍0.1 m/s～5 m/s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，樣機(jī)精度優(yōu)于±0.5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用ROSEMOUNT公司的差壓變送器3051CD對電磁流量計(jì)樣機(jī)的壓力損失進(jìn)行了在線測量。差壓變送器量程設(shè)定為100 kPa，精度0.065%。壓力損失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在達(dá)到流量上限時(shí)樣機(jī)的壓力損失仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷水水表檢定規(guī)程GB/T 778.1—2007所規(guī)定的0.063 MPa壓力損失上限［13］。

表4 壓力損失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

采用局部為矩形截面的異徑測量管可提高電磁流量傳感器的靈敏度，在測量電路靈敏度一定的條件下可顯著降低電磁流量計(jì)的功耗。異徑管電磁流量傳感器采用矩形勵磁線圈和矩形平板電極時(shí)性能較好。一般而言增加勵磁線圈匝數(shù)有利于提高傳感器的靈敏度。但線圈匝數(shù)的確定應(yīng)兼顧傳感器總體尺寸的要求，線圈漆包線的電流容量和線圈工作時(shí)的散熱要求等因素。電極尺寸應(yīng)以不超出線圈磁場近似均勻部分的分布范圍為原則。根據(jù)這些原則制作了電磁流量傳感器和流量計(jì)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，樣機(jī)測量精度和功耗均滿足電池供電電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方案的可行性。

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劉鐵軍(1967－)，男，2006年畢業(yè)于浙江大學(xué)信息學(xué)院控制科學(xué)與工程系，獲工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為中國計(jì)量學(xué)院講師，研究領(lǐng)域?yàn)榱髁繙y量技術(shù)及傳感器信號處理，tjliu@cjlu.edu.cn。

異徑管電磁流量傳感器勵磁系統(tǒng)研究

劉鐵軍*，宮通勝，陳寅佳
(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州310018)

為優(yōu)化具有異徑測量管的電磁流量傳感器的設(shè)計(jì)方案，對傳感器勵磁線圈匝數(shù)和采樣電極的形狀尺寸與傳感器特性的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了異徑管電磁流量傳感器勵磁部分設(shè)計(jì)的一般性指導(dǎo)原則。設(shè)計(jì)制作了電池供電的電磁流量計(jì)原型樣機(jī)并對樣機(jī)進(jìn)行了測試.測試結(jié)果表明樣機(jī)測量精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于±0.5%，采用高能鋰電池組供電可連續(xù)工作三年以上，驗(yàn)證了本文所提設(shè)計(jì)方案的可行性。

電磁流量計(jì);異徑管道;流速分布;功耗

TH814.93

A

1004－1699(2014)04－0495－05

2013－12－26修改日期:2014－03－31

C:5140;7320W

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.014