關於汙水流量計傳感器測量過（guò）程中靈敏度研究
點（diǎn）擊次數：2299 發布時間：2020-08-09 16:21:14
汙水流量計是根據法拉*電（diàn）磁感應定律（lǜ）製成的一種測量導電性液體（tǐ）體積流量的儀表。由於其具有無（wú）壓損、可測流量範圍寬、被測液體溫度範圍寬、成本低等特（tè）點，已被廣泛應用於（yú）水和廢水處理、礦業和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業領域（yù）中（zhōng），用來測量（liàng）自來水、汙水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各（gè）種酸、堿、鹽溶液’。汙水流量計由傳感器和變送器組成，傳（chuán）感器將管道中流體的流速轉換為電信號，通過電*把電信號（hào）引人變送器，變送器對（duì）電信號進行放（fàng）大調理並轉換成標準電信號輸出。傳感器主要由磁路係統和電*等組成，磁路係統產生磁（cí）場，流體流過磁場切割磁（cí）力線產生電動勢，電*將產生的電動勢引人變送（sòng）器。該電動勢*其微弱，一般在o. 2一0.4 mV/( m/s)的範圍之間，無（wú）法（fǎ）直接測量。對（duì）於不同尺（chǐ）寸的傳（chuán）感器（qì）要求得到相同的靈敏度，或（huò）者已知要求的靈敏度如何設計傳感器就（jiù）成了,待解決的問題。
本文針對於汙水流量計的測量原理以及（jí）磁路歐姆定律，分別對影響傳感器靈敏度的線圈匝數、磁導率、線圈寬（kuān）度和傳感器（qì）長度等因素進行了分析、仿真和標定。通過本試驗結果顯示，傳感（gǎn）器（qì）靈敏（mǐn）度與線圈匝數和線圈寬度成正比;導磁材料矽鋼片能有效增強磁感應強度。Maxwell仿（fǎng）真表明，增加了矽鋼片之後磁感應強度沿電*連線（xiàn）增強約12% ,沿管道內壁增強（qiáng）約20，傳感器增益標定值（zhí）提高（gāo）12.7%;對於6英寸傳感器，采用標準線圈。當傳感器長度為6. 1一9. 1英寸時，既有效利用了線圈（quān）產生的磁場，又實現了*經濟設計。
1測量原理
根據法拉*電磁感應定律，當導體在磁場中運動且切（qiē）割磁力線時，在導體兩（liǎng）端便會產生感應電動勢。
汙水流量計工作原理如圖1所示（shì）。
設在磁感應強度為B的均（jun1）勻磁（cí）場中，垂直於磁場方向有一個直徑為D的管道。管道（dào）由不導（dǎo）磁材（cái）料（liào）製成，內表麵加絕緣襯裏。當導電的液（yè）體在管道（dào）中流動時，導（dǎo）電液體（tǐ）就切割磁力線，因而在和磁場及流（liú）動方向垂直（zhí）的方向上將產生感（gǎn）應電動勢（shì）E。如果在（zài）管道截麵上垂直於（yú）磁場的（de）直徑兩端安裝一對電*，可以證明，隻要管道內流速（sù）:為軸對稱分布，兩*之間就會產生感應（yīng）電動勢:
E=BxDxv(1)
由（yóu）此可得管道的（de）體積流量為:
口=二（èr）刀2v /4(2)
綜合式(1)、式(2)，得:(3) 門吸 K一一（yī）衝一（yī）D塑側一一 E
式中:K為儀表常數，在管道直徑D已確定並維持磁感應（yīng）強度B恒定時，K是一個常數。此時感應電（diàn）動勢與體積（jī）具有線性關係2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝（zā）數N、勵磁電流1和磁（cí）通勢（shì）F的關係為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜（bài）為磁導率;S為磁路的橫截麵積;L為磁路平均長度。
根據（jù）磁場的歐姆定律，磁感應強度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知，磁感應強度B與線圈匝數N、勵磁（cí）電流1成正比，與磁路的平均長度L、磁導率料成反比3一認
3影響汙水流（liú）量計傳（chuán）感器信號強度因素
根（gēn）據式(1)，在傳（chuán）感器（qì）尺寸一定（dìng）的情況下，其靈敏度隻與磁感應強度（dù）B有（yǒu）關。一般來說，同一係列的傳感器將采用同一種驅動電流，根據式(6)，想要改變磁（cí）感應強度B，隻能改變線圈匝數N和磁導率拜。磁場的覆蓋範圍(即線圈寬度)也會直接影響（xiǎng）傳感器（qì）的（de）靈敏度5。
電磁流量傳感器電*電壓與流體流（liú）速成正比，當標定傳（chuán）感器時確定傳感器增益和偏移量，從而確定電*電（diàn）壓跟流體流速（sù）之間的正比（bǐ）關係。傳（chuán）感器增益是反映傳（chuán）感器靈敏度的一個物（wù）理（lǐ）量，在相同的流速（sù）下增益越大（dà），則靈敏（mǐn）度越（yuè）高。
3.1線圈匝數
對（duì）於一台日徑為8英寸（cùn）(1英寸=25.4 mm)的傳感器，將（jiāng）線圈匝數從（cóng）288匝改為230匝，其他參數不（bú）變，分（fèn）別進行了Maxwell仿真和標定。仿真結果表（biǎo）明，288匝的磁力線明顯比230匝的磁力（lì）線密（mì），磁感應強度沿（yán）徑向減少了約（yuē）20% ,沿管道內壁磁感應（yīng）強度也減少了約20 %。線圈匝數變化時傳（chuán）感器增（zēng）益標定值（zhí）對比如表（biǎo）1所（suǒ）示。傳感器增益（yì）從98.00下降到78. 99，也相（xiàng）應減少（shǎo）了19.4%。
仿真和試驗結（jié）果表明，線圈匝數與磁感應強度（dù）成（chéng）正比，改變線圈（quān）匝數會相應改變磁感應強度。也就是說，增加線圈匝數可以相（xiàng）應成（chéng）比例地提高傳感器靈敏度。當然，隨著線圈匝數的增加，其電阻值、電感量、體積、質量以及（jí）成（chéng）本也會相應增加。電阻值的增加會提高傳感（gǎn）器的功耗，電（diàn）感量的增加也會限製線圈的（de）驅（qū）動（dòng）頻率叭因此，選擇線圈匝（zā）數，需要結合功耗、驅動電壓、驅動頻率、分體式安裝時的*長距離和成本等參數（shù）進（jìn）行綜合（hé）考慮。
3. 2磁導率
加人（rén）磁導率高的導磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有（yǒu）效利（lì）用馬鞍型線圈產生的磁場，提高管道內磁（cí）感應強度7。本（běn）文采用了矽鋼片作為導（dǎo）磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈（quān）包圍，進行Maxwell仿真和試（shì）驗室流（liú）量標定。Maxwell仿真表明（míng），加了矽鋼片以後，矽鋼片內（nèi）部磁力線明顯更加密集，矽鋼片外（wài）部隻存（cún）在少量（liàng）磁力（lì）線（xiàn），沿電*連線磁感應強度平均增加約12% ,沿管道（dào）內壁磁感（gǎn）應強度平均增（zēng）加約20 % o
增益標定值如表2所示，傳感器增（zēng）益（yì）由（yóu）78. 99增加到89. 00，提高了12.7 %。
3. 3線圈寬度
線圈寬度（dù）決定著（zhe）磁場沿軸向分布範圍，線圈越寬，磁（cí）場（chǎng）分布越（yuè）寬;線圈越窄（zhǎi），磁場分布（bù）越窄。標準線圈參數（shù）如表3所（suǒ）示。
線圈寬度與傳感器增益關係圖如圖3所示。對於6英寸傳感器，當線圈寬（kuān）度為標準值3. 32英寸時，傳感器增益為82. 62;當線圈寬度下降至2. 49英寸(標準值的0.75倍)時，傳（chuán）感器（qì）增益下降至70.94;當線圈寬度（dù）下降至1.66英寸(標準值（zhí）的0. 5倍)時，傳感器增益下（xià）降至55. 62;當線圈寬度下（xià）降至0. 83英寸（cùn）(標準值的0. 25倍)時，傳感器增益下降至（zhì）37. 48。可以看出，傳感器增益與線圈寬度成正比。
4傳感器長度
理論上（shàng），在線圈參數不變的前提下，傳感器長度越長，有效磁場越大;但加（jiā）長傳感器長度會（huì）增加成（chéng）本。為了既有效利（lì）用線圈產生的磁場，又要使（shǐ）傳感器較短、設計較為經濟，需為傳（chuán）感器選擇合適的（de）長度8。
采用一台日徑為6英寸、標準線圈的傳感器，改變（biàn）傳感器長度，依次（cì）進行試（shì）驗室標定試驗。傳感器長（zhǎng）度與增益的關係圖如圖4所示。當傳感器長度為9. 1英寸時，其增益為61. 03;但當其長度繼續增加時，增（zēng）益變化較小;當其長度6. 1英寸減小到0時，增益從59. 33開始下降。也就是說，當傳感器長度為6. 1-9. 1英寸時，既有效（xiào）利用了線圈產（chǎn）生的磁場，又（yòu）可使傳感器長度較短。
需要注（zhù）意（yì）的是，同樣（yàng）一組線圈安裝在（zài）不同日徑（jìng）的（de）管道（dào）上，由於兩個線圈之間的距離不同，其磁場分布大日徑要比小日徑窄9。如果采用正常的傳（chuán）感器設計，不可能實現傳感器長度小於線圈寬度，所以本文采用塑料管道作為主（zhǔ）管道、金屬薄管從兩（liǎng）頭內插人的設計進行試驗io。
5結（jié）束語（yǔ）
通過以上分析、仿真和試（shì）驗室（shì）標定，證明了傳感器靈敏度（dù）跟線圈匝數和線圈寬度成正比導磁材料矽鋼片能有效（xiào）增強磁感（gǎn）應強度;對於6英寸傳感器（qì），采用標準線圈，其寬度為4.76英寸，當傳感（gǎn）器長（zhǎng）度為6.1一9.1英寸時，增益較（jiào）大，此時既有效利用了線圈產生的磁場，又實現了經濟設計的目標。在給定（dìng）傳感（gǎn）器日徑和線圈驅動電流的情況下，本文研究為傳感器靈敏度設計提供參考。
關於汙水流量計的安裝規範（fàn）與安裝圖 關於汙水流量計的工作原理及組成部分介紹 汙水流量計的適用範圍特點及如何（hé）選型 汙水流量計公稱通徑與流（liú）量範圍對照圖 汙水流量計電*與（yǔ）襯裏材料選型對照表 汙水流量計的外形和安裝（zhuāng）尺寸圖示與對照表 汙水流量計的故障檢查與分析匯總 分體式與一體（tǐ）式汙水（shuǐ）流量（liàng）計如何接線圖解 汙水流（liú）量計顯示波動大的原因分析 關於城市（shì）生活汙水與工業（yè）廢水的流量設計分析 用於測量各類汙水處理排水流量計種類以及選型 智能汙水處理排水（shuǐ）流量計優缺點及產生誤差的原因分（fèn）析 智能汙水管道排（pái）水計量表好與壞有（yǒu）哪（nǎ）7個重要的檢（jiǎn）查要領 影響dn250汙水流量計精度的因素有哪三個方麵 明渠分體式汙水流量計在供水流量測量中的縮頸變徑（jìng）運用分析 dn25汙水管道流量計在自控儀表係統中的防幹擾策略 如何（hé）測量dn25汙水（shuǐ）流量計電*與所（suǒ）測液體介質接觸電阻值 影響（xiǎng）漿液型dn25汙水流量計廠家測量因素及解決辦法 dn25汙水專用流量計的特點及與自來水電磁水表的區別 dn250汙水流量計的結構原理與安（ān）裝注意事項及運行維護 一體型管道汙水流量計在熱鉀堿溶液測量中的安裝與使用 造紙廠汙水流量計的內襯如（rú）何選擇及對於內襯（chèn）的加工工（gōng）藝介紹 造紙廠汙水排放計量（liàng）表廠家指導（dǎo）分（fèn）體式傳感器檢定校準方法 造紙廠汙（wū）水排放計量（liàng）表監測數據有效性判別技術研（yán）究 關於國產紡織汙水流量計價（jià）格（gé）產業如（rú）何提升研發短板的思路 紡（fǎng）織汙（wū）水流量計價格在（zài）安裝與使用過程中不當操（cāo）作導致的 正確處（chù）理紡織汙水流量計（jì）測量過程中液體均勻混合（hé）問 dn65汙水流量計勵磁係統硬件研（yán）製 智能型電磁汙水流（liú）量（liàng）計和超聲流（liú）量計在汙水處理廠的應用 關於幾種常用的生活汙水流量計（jì）價格的性能比較
本文針對於汙水流量計的測量原理以及（jí）磁路歐姆定律，分別對影響傳感器靈敏度的線圈匝數、磁導率、線圈寬（kuān）度和傳感器（qì）長度等因素進行了分析、仿真和標定。通過本試驗結果顯示，傳感（gǎn）器（qì）靈敏（mǐn）度與線圈匝數和線圈寬度成正比;導磁材料矽鋼片能有效增強磁感應強度。Maxwell仿（fǎng）真表明，增加了矽鋼片之後磁感應強度沿電*連線（xiàn）增強約12% ,沿管道內壁增強（qiáng）約20，傳感器增益標定值（zhí）提高（gāo）12.7%;對於6英寸傳感器，采用標準線圈。當傳感器長度為6. 1一9. 1英寸時，既有效利用了線圈（quān）產生的磁場，又實現了*經濟設計。
1測量原理
根據法拉*電磁感應定律，當導體在磁場中運動且切（qiē）割磁力線時，在導體兩（liǎng）端便會產生感應電動勢。
汙水流量計工作原理如圖1所示（shì）。
設在磁感應強度為B的均（jun1）勻磁（cí）場中，垂直於磁場方向有一個直徑為D的管道。管道（dào）由不導（dǎo）磁材（cái）料（liào）製成，內表麵加絕緣襯裏。當導電的液（yè）體在管道（dào）中流動時，導（dǎo）電液體（tǐ）就切割磁力線，因而在和磁場及流（liú）動方向垂直（zhí）的方向上將產生感（gǎn）應電動勢（shì）E。如果在（zài）管道截麵上垂直於（yú）磁場的（de）直徑兩端安裝一對電*，可以證明，隻要管道內流速（sù）:為軸對稱分布，兩*之間就會產生感應（yīng）電動勢:
E=BxDxv(1)
由（yóu）此可得管道的（de）體積流量為:
口=二（èr）刀2v /4(2)
綜合式(1)、式(2)，得:(3) 門吸 K一一（yī）衝一（yī）D塑側一一 E
式中:K為儀表常數，在管道直徑D已確定並維持磁感應（yīng）強度B恒定時，K是一個常數。此時感應電（diàn）動勢與體積（jī）具有線性關係2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝（zā）數N、勵磁電流1和磁（cí）通勢（shì）F的關係為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜（bài）為磁導率;S為磁路的橫截麵積;L為磁路平均長度。
根據（jù）磁場的歐姆定律，磁感應強度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知，磁感應強度B與線圈匝數N、勵磁（cí）電流1成正比，與磁路的平均長度L、磁導率料成反比3一認
3影響汙水流（liú）量計傳（chuán）感器信號強度因素
根（gēn）據式(1)，在傳（chuán）感器（qì）尺寸一定（dìng）的情況下，其靈敏度隻與磁感應強度（dù）B有（yǒu）關。一般來說，同一係列的傳感器將采用同一種驅動電流，根據式(6)，想要改變磁（cí）感應強度B，隻能改變線圈匝數N和磁導率拜。磁場的覆蓋範圍(即線圈寬度)也會直接影響（xiǎng）傳感器（qì）的（de）靈敏度5。
電磁流量傳感器電*電壓與流體流（liú）速成正比，當標定傳（chuán）感器時確定傳感器增益和偏移量，從而確定電*電（diàn）壓跟流體流速（sù）之間的正比（bǐ）關係。傳（chuán）感器增益是反映傳（chuán）感器靈敏度的一個物（wù）理（lǐ）量，在相同的流速（sù）下增益越大（dà），則靈敏（mǐn）度越（yuè）高。
3.1線圈匝數
對（duì）於一台日徑為8英寸（cùn）(1英寸=25.4 mm)的傳感器，將（jiāng）線圈匝數從（cóng）288匝改為230匝，其他參數不（bú）變，分（fèn）別進行了Maxwell仿真和標定。仿真結果表（biǎo）明，288匝的磁力線明顯比230匝的磁力（lì）線密（mì），磁感應強度沿（yán）徑向減少了約（yuē）20% ,沿管道內壁磁感應（yīng）強度也減少了約20 %。線圈匝數變化時傳（chuán）感器增（zēng）益標定值（zhí）對比如表（biǎo）1所（suǒ）示。傳感器增益（yì）從98.00下降到78. 99，也相（xiàng）應減少（shǎo）了19.4%。
仿真和試驗結（jié）果表明，線圈匝數與磁感應強度（dù）成（chéng）正比，改變線圈（quān）匝數會相應改變磁感應強度。也就是說，增加線圈匝數可以相（xiàng）應成（chéng）比例地提高傳感器靈敏度。當然，隨著線圈匝數的增加，其電阻值、電感量、體積、質量以及（jí）成（chéng）本也會相應增加。電阻值的增加會提高傳感（gǎn）器的功耗，電（diàn）感量的增加也會限製線圈的（de）驅（qū）動（dòng）頻率叭因此，選擇線圈匝（zā）數，需要結合功耗、驅動電壓、驅動頻率、分體式安裝時的*長距離和成本等參數（shù）進（jìn）行綜合（hé）考慮。
3. 2磁導率
加人（rén）磁導率高的導磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有（yǒu）效利（lì）用馬鞍型線圈產生的磁場，提高管道內磁（cí）感應強度7。本（běn）文采用了矽鋼片作為導（dǎo）磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈（quān）包圍，進行Maxwell仿真和試（shì）驗室流（liú）量標定。Maxwell仿真表明（míng），加了矽鋼片以後，矽鋼片內（nèi）部磁力線明顯更加密集，矽鋼片外（wài）部隻存（cún）在少量（liàng）磁力（lì）線（xiàn），沿電*連線磁感應強度平均增加約12% ,沿管道（dào）內壁磁感（gǎn）應強度平均增（zēng）加約20 % o
增益標定值如表2所示，傳感器增（zēng）益（yì）由（yóu）78. 99增加到89. 00，提高了12.7 %。
3. 3線圈寬度
線圈寬度（dù）決定著（zhe）磁場沿軸向分布範圍，線圈越寬，磁（cí）場（chǎng）分布越（yuè）寬;線圈越窄（zhǎi），磁場分布（bù）越窄。標準線圈參數（shù）如表3所（suǒ）示。
線圈寬度與傳感器增益關係圖如圖3所示。對於6英寸傳感器，當線圈寬（kuān）度為標準值3. 32英寸時，傳感器增益為82. 62;當線圈寬度下降至2. 49英寸(標準值的0.75倍)時，傳（chuán）感器（qì）增益下降至70.94;當線圈寬度（dù）下降至1.66英寸(標準值（zhí）的0. 5倍)時，傳感器增益下（xià）降至55. 62;當線圈寬度下（xià）降至0. 83英寸（cùn）(標準值的0. 25倍)時，傳感器增益下降至（zhì）37. 48。可以看出，傳感器增益與線圈寬度成正比。
4傳感器長度
理論上（shàng），在線圈參數不變的前提下，傳感器長度越長，有效磁場越大;但加（jiā）長傳感器長度會（huì）增加成（chéng）本。為了既有效利（lì）用線圈產生的磁場，又要使（shǐ）傳感器較短、設計較為經濟，需為傳（chuán）感器選擇合適的（de）長度8。
采用一台日徑為6英寸、標準線圈的傳感器，改變（biàn）傳感器長度，依次（cì）進行試（shì）驗室標定試驗。傳感器長（zhǎng）度與增益的關係圖如圖4所示。當傳感器長度為9. 1英寸時，其增益為61. 03;但當其長度繼續增加時，增（zēng）益變化較小;當其長度6. 1英寸減小到0時，增益從59. 33開始下降。也就是說，當傳感器長度為6. 1-9. 1英寸時，既有效（xiào）利用了線圈產（chǎn）生的磁場，又（yòu）可使傳感器長度較短。
需要注（zhù）意（yì）的是，同樣（yàng）一組線圈安裝在（zài）不同日徑（jìng）的（de）管道（dào）上，由於兩個線圈之間的距離不同，其磁場分布大日徑要比小日徑窄9。如果采用正常的傳（chuán）感器設計，不可能實現傳感器長度小於線圈寬度，所以本文采用塑料管道作為主（zhǔ）管道、金屬薄管從兩（liǎng）頭內插人的設計進行試驗io。
5結（jié）束語（yǔ）
通過以上分析、仿真和試（shì）驗室（shì）標定，證明了傳感器靈敏度（dù）跟線圈匝數和線圈寬度成正比導磁材料矽鋼片能有效（xiào）增強磁感（gǎn）應強度;對於6英寸傳感器（qì），采用標準線圈，其寬度為4.76英寸，當傳感（gǎn）器長（zhǎng）度為6.1一9.1英寸時，增益較（jiào）大，此時既有效利用了線圈產生的磁場，又實現了經濟設計的目標。在給定（dìng）傳感（gǎn）器日徑和線圈驅動電流的情況下，本文研究為傳感器靈敏度設計提供參考。
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