摘要:爲了(le)實現電磁流(liu)量計 的低功(gong)耗，提出一種(zhǒng)具有異徑測(ce)量管道的電(dian)磁流量傳感(gan)器方🔅案。基于(yu)FLUENT軟件對異徑(jìng)測量管道内(nei)部流場進🏃‍♀️行(háng)了⛱️分析，該新(xin)型電磁流量(liàng)傳感器的勵(li)磁效率和輸(shū)出靈敏度相(xiang)比📧于傳統設(she)計有顯著提(ti)高。
　　電磁流量(liàng)計廣泛應用(yòng)于導電流體(ti)的體積流量(liang)測量。随着🏃‍♂️電(dian)磁流量測量(liàng)理論的成熟(shú)和電子技術(shu)不斷發展， 低(di)功耗電磁流(liu)量計 的設計(jì)成爲該領域(yù)的研究熱點(diǎn)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(yòng)範圍📱。國内科(kē)研人員也在(zài)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(yǒu)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(jiā)強相關領域(yù)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(liu)量計由電磁(cí)流量傳感器(qi)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(gōng)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(dao)瞬時流速或(huo)體積🥰流量值(zhi)。電🛀🏻磁流量計(ji)的功耗包括(kuo)勵磁電路功(gong)耗和信号處(chù)理電路功耗(hào)，數值上前者(zhě)遠大于後者(zhe)。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(wēi)功耗休眠狀(zhuàng)态。電磁流量(liang)傳感器的低(di)功耗設計問(wen)題相對複雜(za)，必須保證在(zài)勵磁電流顯(xian)著減小時✉️其(qi)輸出靈敏度(dù)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(zhī)能通過優化(hua)傳感器結構(gou)來實現。
　　一種(zhǒng)新型 電池供(gong)電電磁流量(liàng)計 方案，其電(diàn)磁流量傳感(gan)器的測量管(guan)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(yuán)🍉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(líng)敏度等方面(mian)具有顯著優(yōu)勢。新型電磁(ci)流量傳感器(qi)與微功耗的(de)測量電路相(xiàng)結合實現了(le)電磁流量計(jì)的低功耗設(she)計。
1電磁流量(liang)傳感器工作(zuo)原理
　　電磁流(liu)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(li)想情況下，可(kě)将被測流體(ti)視爲💔做切割(gē)磁力線運動(dong)的導體，根據(ju)法拉第電磁(ci)感應定律可(ke)知感生電動(dòng)勢Ei的大小可(kě)表述爲：

　　式中(zhōng):B爲磁感應強(qiáng)度;A爲磁通量(liàng)變化的面積(jī);D爲導體☁️長⭕度(dù)(兩測量電極(ji)之間的距離(lí)，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(héng)截面積爲A，流(liu)量爲q，則式(1)可(ke)改寫爲:

　　對于(yu)高爲h，寬爲D的(de)橫截面爲矩(jǔ)形的測量管(guǎn)道，則式(2)可改(gai)寫爲:

　　上述電(dian)磁流量測量(liàng)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(deng)于真空中磁(cí)導率☂️，即流體(ti)是非磁性的(de);②流體具有均(jun)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(ji);④磁場在無限(xian)大空間範圍(wei)👅内均勻分布(bu);⑤被測流💁體流(liú)動狀🔞态爲充(chōng)分發展流，對(duì)圓管而言流(liú)速呈軸對稱(chēng)分布。
　　式(1)表明(míng)感應電動勢(shi)正比于流體(tǐ)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(xià)測⭕量誤差會(huì)增大，因此限(xiàn)制了電磁流(liu)量計的測量(liang)下限。異徑測(ce)量管道的設(shè)計要👄求是在(zài)不改變流場(chǎng)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(zài)測量電極形(xing)狀爲矩形時(shí)，矩形截㊙️面管(guǎn)道的測量電(dian)極取出的感(gan)⭕應電動勢信(xin)号基本上不(bú)依賴于管道(dao)橫截面的流(liú)速分布，因而(er)異徑管道的(de)測量段采用(yòng)矩形截面設(shè)計。
電磁流量(liang)傳感器勵磁(cí)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(shì)中:Rm爲磁阻，μ爲(wei)磁導率，S爲磁(cí)路的橫截面(mian)積，L爲磁路平(píng)均長度✌️。根據(ju)磁場的歐姆(mǔ)定律［12］，磁通量(liàng)Φ的大小爲:

　　由(yóu)式(7)可知，磁感(gǎn)應強度B與勵(lì)磁電流成正(zhèng)比，與磁路的(de)平均長度L成(chéng)反比。在測量(liàng)電極間距D相(xiang)同時，橫截面(mian)積相同的圓(yuán)📧管和矩形管(guǎn)，矩形管的高(gāo)度h小于圓管(guan)直徑D。假設磁(cí)路與管道之(zhi)間的距離爲(wei)hw，則橫截面🈲爲(wei)圓形和🈲矩形(xing)的管道其磁(ci)路平均長度(dù)L分别爲h+2hw和D+2hw。因(yīn)此，勵磁電流(liu)相同時矩形(xíng)管道磁感😄應(ying)強度大于圓(yuán)形管道的磁(cí)感應強度。若(ruò)需🧑🏽‍🤝‍🧑🏻要得到相(xiang)同磁感應強(qiang)度B，采用矩形(xing)截面測量管(guan)道的電磁流(liu)量傳感器所(suo)需勵磁電流(liú)較小。在測量(liàng)管道入口瞬(shun)時流量相同(tong)、測量電極間(jiān)距D相同時，爲(wèi)得到相同大(da)小的🏃‍♂️輸出電(diàn)動勢信号采(cai)用👈矩形截面(mian)測量管的傳(chuan)感器所需勵(lì)磁電流較小(xiǎo)，比圓形截面(mian)測量管道的(de)傳感器功耗(hao)低。
2異徑測量(liang)管道流場仿(páng)真
2.1仿真模型(xing)建立與仿真(zhen)條件設置
　　使(shi)用SolidWorks軟件生成(cheng)三維模型，将(jiāng)其導入FLUENT軟件(jian)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(dà)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(dù)入口，出口邊(biān)界設置爲充(chong)分發展流，其(qi)💋他所有面💰爲(wèi)壁面邊界。

　　FLUENT中的工(gong)作條件設置(zhì)爲:模型求解(jiě)方法選擇非(fei)耦合求解方(fang)法;定義流體(ti)物理性質爲(wei)水;選用k－ε湍流(liú)模型💋，初始流(liu)速0.1m/s和5m/s，水力直(zhi)徑50mm，湍流強度(dù)分别爲5.5%和3.38%。
2.2仿(páng)真結果
(1)異徑(jìng)管道流場分(fèn)布
　　對入口處(chù)爲直徑50mm圓形(xíng)截面逐漸收(shōu)縮爲矩形橫(heng)截面的🏃🏻‍♂️異徑(jìng)管道，在矩形(xing)截面部分長(zhǎng)度80mm，寬度38mm，高度(du)20mm，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(dào)初始流速🐪分(fèn)别爲0.1m/s低流速(sù)和5m/s最大流速(sù)。其壓損和中(zhong)心截面平均(jun1)速度如表1所(suǒ)示。

　　從表1可知(zhi)，入口流速爲(wèi)0.1m/s時管道收縮(suō)段的流速增(zeng)加到入口流(liú)速的2.58倍，提高(gāo)了測量靈敏(min)度。入口流速(sù)5m/s時，其壓力損(sun)失符合冷❤️水(shui)水表的檢定(dìng)規程，即額定(dìng)工㊙️作條件下(xià)的最大壓力(lì)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(bei)，即12.9m/s，仍在🈲傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的🌏測量範圍(wéi)内。更大的入(rù)口流速可能(neng)使收縮段流(liú)速💯超出測量(liàng)範圍🔴，因此應(yīng)根據使用條(tiáo)件合理設計(ji)管🏃‍♀️道尺寸。
　　圖(tú)2、圖3(其中X、Y軸坐(zuo)标單位均爲(wèi)m;速度單位爲(wei)m/s)和圖4表明異(yì)🏃🏻徑測量管内(nei)流場特性穩(wěn)定，設計異徑(jìng)管道電磁🤩流(liu)量傳感器是(shi)可行的。



(2)異徑管(guǎn)道流場畸變(biàn)
　　對入口處爲(wèi)直徑50mm圓形截(jie)面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截(jie)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(guǎn)道總🛀🏻長度爲(wei)200mm的設定條件(jian)下采用FLUENT軟件(jian)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(wei)1903.801Pa，中心截面平(píng)均速度爲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼2.453m/s，增(zēng)大爲入👅口流(liú)速的🤩24.5倍。根據(ju)圖5、圖6可知，如(rú)👄果矩形截面(mian)部分的高度(dù)💘和寬度壓縮(suō)❌太大會導緻(zhi)回流現象，同(tóng)時♍進出口壓(yā)力損🧑🏾‍🤝‍🧑🏼失較大(dà)，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(mian)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(yǐ)步長10mm變化，管(guan)道總長200mm的條(tiáo)件下采用FLUENT軟(ruan)件進行流場(chang)仿真。管道入(rù)👉口初始流速(su)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(bié)較小，中心截(jié)面平均速度(du)基本保持不(bu)變。

(4)異徑管道(dào)橫截面積收(shōu)縮部分不同(tóng)寬度的影響(xiǎng)
　　對入口處爲(wèi)直徑50mm圓形截(jie)面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截(jie)面的異🏃徑管(guan)道，在矩形截(jié)面部分長度(du)80mm，高度20mm，寬度爲(wei)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(liu)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(zhong)心截面平均(jun1)速度分❓布如(rú)圖7所示。寬度(du)越👣小壓力損(sun)🥵失越大，但中(zhong)心截面平均(jun)速度也越大(dà)😘，随着寬度的(de)☂️減小，壓力損(sun)失和中心截(jié)面平均速度(du)增幅變🔆大。

　　異(yì)徑管道橫截(jie)面積收縮部(bù)分寬度和長(zhang)度保持不變(bian)，高度變化時(shi)的情況與此(cǐ)類似。
2.3仿真結(jié)論
　　通過對橫(heng)截面由圓形(xíng)收縮爲矩形(xíng)的異徑測量(liàng)管道進行流(liú)場♻️仿真可知(zhī)，縮徑矩形截(jié)面部分流速(sù)增🏃‍♀️加且👈流速(sù)在管㊙️道橫截(jie)面上分布均(jun1)勻，有利于低(dī)流速小流量(liang)的精确測量(liang)。矩形截♉面的(de)寬度和高度(dù)對進出口壓(ya)力損失和中(zhong)心截面平均(jun)速度影響較(jiào)大。異徑測量(liàng)管感應電動(dòng)勢與磁感應(yīng)強度B成正比(bǐ)，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(yuan)形入口的通(tōng)徑D收縮較大(da)時，漸擴管中(zhong)會出現明顯(xiǎn)的湍流和空(kong)穴現象，因此(ci)收縮比例不(bú)能太大。除此(cǐ)之外，收縮比(bǐ)例主要受到(dao)最大壓損允(yǔn)許值和最大(da)瞬時流量的(de)限制，還與測(ce)量管👉道材質(zhì)、測量電極形(xíng)狀等因素有(yǒu)關，管道尺寸(cùn)的具體數值(zhi)應在不顯著(zhe)改🏃變原流場(chǎng)👌特性的前提(tí)下根據流量(liang)測量範圍和(he)壓🥰力損失要(yào)求等來決定(ding)。在被測介質(zhì)類型、最大壓(ya)損、最大瞬時(shí)流量、測量管(guan)道材質、測量(liàng)電極形狀尺(chi)寸等條件确(què)定的前提下(xià)，可通過數值(zhí)仿真🆚和樣機(ji)試驗相結合(hé)來優化确定(dìng)收縮部分的(de)形狀尺寸。采(cǎi)用🌈具有局部(bu)收縮的矩形(xíng)截面的測量(liang)管道可提👣高(gao)電磁流量傳(chuan)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(chǎng)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(yì)徑測量管道(dao)流場仿真結(jié)果，制做了電(dian)磁流量計🌈原(yuán)型樣👨‍❤️‍👨機。測量(liang)管入口爲内(nei)徑50mm圓管，收縮(suō)部分截面爲(wèi)高15mm、寬45mm的矩形(xíng)，測量管道總(zong)長度200mm，收縮部(bu)分長度50mm。以微(wei)功耗單🚩片機(ji)MSP430F449爲核心組成(chéng)測量🈚電路，測(ce)量時工作電(diàn)流(不包含勵(li)磁電流)小于(yu)10mA，靜态電🍓流小(xiǎo)于20μA。勵磁電流(liú)波形爲峰值(zhi)50mA的方波，每次(cì)測量正向勵(lì)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(liu)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(li)電池供電，單(dan)節電池容量(liàng)4800mAH或8500mAH，更換電池(chi)後樣機可連(lian)續工作三年(nian)以上。
在流量(liàng)标定裝置上(shang)對原型樣機(ji)采用稱重法(fa)進行了測試(shi)，标定系統精(jing)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(jù)如表3所示。實(shí)驗數據表明(míng)，樣機精🌈度優(you)于❌±0.5%，滿足設計(ji)要求。

4結論
　　采(cǎi)用橫截面局(ju)部收縮的異(yi)徑測量管道(dào)可提高電磁(ci)🈲流量傳感💞器(qi)的勵磁效率(lǜ)和靈敏度，降(jiang)低電磁流量(liàng)計的功耗。使(shi)㊙️用FLUENT軟件對👈異(yì)徑測量管道(dào)進行了流場(chang)仿真，得到了(le)異徑測☀️量管(guǎn)道設計的一(yi)般原則。

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