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电磁流量传感器灵敏度研究


文章日期:2017-06-17|阅读数:


根据电磁流量计的测量原理以及磁路欧姆定律,分别对影响传感器灵敏度的线圈匝数、磁导率、线圈宽度和传感器长度等因素进行了分析、仿真和标定。试验结果表明,传感器灵敏度与线圈匝数和线圈宽度成正比; 导磁材料硅钢片能有效增强磁感应强度。

0引言

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流量的仪表。由于其具有无压损、可测流量范围宽、被测液体温度范围宽、成本低等特点,已被广泛应用于水和废水处理、矿业和冶金、食品和饮料、造纸、电力等工业领域中,用来测量自来水、污水、矿浆、啤酒、果汁、纸浆、泥浆等各种酸、碱、盐溶液。电磁流量计由传感器和变送器组成,传感器将管道中流体的流速转换为电信号,通过电极把电信号引入变送器,变送器对电信号进行放大调理并转换成标准电信号输出。传感器主要由磁路系统和电极等组成,磁路系统产生磁场,流体流过磁场切割磁力线产生电动势,电极将产生的电动势引入变送器。该电动势极其微弱,一般在0.2~0.4 m V/(m/s)的范围之间,无法直接测量。对于不同尺寸的传感器要求得到相同的灵敏度,或者已知要求的灵敏度如何设计传感器就成了亟待解决的问题。

1.测量原理

根据法拉第电磁感应定律,当导体在磁场中运动且切割磁力线时,在导体两端便会产生感应电动势。电磁流量计工作原理如图1所示。

 原理1.jpg

设在磁感应强度为 B 的均匀磁场中,垂直于磁场方向有一个直径为 D 的管道。管道由不导磁材料制成,内表面加绝缘衬里。当导电的液体在管道中流动时,导电液体就切割磁力线,因而在和磁场及流动方向垂直的方向上将产生感应电动势 E。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极,可以证明,只要管道内流速 v 为轴对称分布,两极之间就会产生感应电动势:

 原理2.jpg

 

2.传感器励磁理论基础

 

电磁流量传感器励磁回路中线圈匝数 N、励磁电流 I 和磁通势 F 的关系为:

 原理3.jpg

3.影响电磁流量传感器信号强度因素

 

根据式( 1) ,在传感器尺寸一定的情况下,其灵敏度只与磁感应强度 B 有关。一般来说,同一系列的传感器将采用同一种驱动电流,根据式( 6) ,想要改变磁感应强度 B,只能改变线圈匝数 N 和磁导率 μ。磁场的覆盖范围( 即线圈宽度) 也会直接影响传感器的灵敏度 。

 

电磁流量传感器电极电压与流体流速成正比,当标定传感器时确定传感器增益和偏移量,从而确定电极电压跟流体流速之间的正比关系。传感器增益是反映传感器灵敏度的一个物理量,在相同的流速下增益越大,则灵敏度越高。

 

3. 1 线圈匝数

 

对于一台口径为 8 英寸( 1 英寸=25. 4 mm) 的传感器,将线圈匝数从 288 匝改为 230 匝,其他参数不变,分别进行了 Maxwell 仿真和标定。仿真结果表明288 匝的磁力线明显比 230 匝的磁力线密,磁感应强度沿径向减少了约 20% ,沿管道内壁磁感应强度也减少了约 20% 。线圈匝数变化时传感器增益标定值对比如表 1 所示。传感器增益从 98. 00 下降到 78. 99,也相应减少了 19. 4% 。

 原理4.jpg

仿真和试验结果表明,线圈匝数与磁感应强度成正比,改变线圈匝数会相应改变磁感应强度。也就是说,增加线圈匝数可以相应成比例地提高传感器灵敏度。当然,随着线圈匝数的增加,其电阻值、电感量、体积、质量以及成本也会相应增加。电阻值的增加会提高传感器的功耗,电感量的增加也会限制线圈的驱动频率 。因此,选择线圈匝数,需要结合功耗、驱动电压、驱动频率、分体式安装时的***长距离和成本等参数进行综合考虑。

 

3. 2 磁导率

 

加入磁导率高的导磁材料会改变线圈的磁力线分布,能有效利用马鞍型线圈产生的磁场,提高管道内磁感应强度 。本文采用了硅钢片作为导磁材料,其紧贴线圈和管道外壁,将线圈包围,进行 Maxwell 仿真和试验室流量标定。Maxwell 仿真表明,加了硅钢片以后,硅钢片内部磁力线明显更加密集,硅钢片外部只存在少量磁力线,沿电极连线磁感应强度平均增加约12% ,沿管道内壁磁感应强度平均增加约 20% 。

 

增益标定值如表 2 所示,传感器增益由 78. 99 增加到 89. 00,提高了 12. 7% 。

 原理5.jpg

 

3. 3 线圈宽度

 

线圈宽度决定着磁场沿轴向分布范围,线圈越宽,磁场分布越宽; 线圈越窄,磁场分布越窄。标准线圈参数如表 3 所示。

 原理6.jpg

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