關於濃硫酸電磁流量計傳（chuán）感器測量過程中靈敏度研究

點擊次數：2091 發布時間：2020-08-11 07:06:10

本（běn）文針對（duì）於濃硫酸電磁流量計的測量（liàng）原理以及磁路歐姆定律，分別對影響傳感器靈敏度的線圈（quān）匝數、磁導率、線圈寬度和傳感（gǎn）器長度等因素進（jìn）行了分（fèn）析（xī）、仿（fǎng）真和標定。通過本（běn）試驗結果顯示，傳感器靈敏度與線（xiàn）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仿真表明，增加了矽鋼片之後磁感應強度沿電（diàn）*連線增強約12% ,沿管道內壁增強約20，傳感器增益標定值提高12.7%;對於6英寸傳感器，采用標（biāo）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（xiàn）圈（quān）產生（shēng）的磁場（chǎng），又實現了*經濟設計。
1測量原理
根據法拉*電磁感應（yīng）定律，當導體在（zài）磁場中運動（dòng）且切割磁力線時，在導體兩（liǎng）端便會（huì）產生（shēng）感應電動勢。
濃（nóng）硫酸電磁流量計工作原理如圖1所示。

設在磁感應強度為B的（de）均勻磁場中，垂直（zhí）於磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料製成，內表（biǎo）麵加絕緣襯裏。當導電的液體在管道中（zhōng）流（liú）動時，導（dǎo）電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產生感應（yīng）電動勢E。如果在管道截麵上垂直於磁場的直徑兩端安裝一對電*，可（kě）以證明，隻要管道內流速:為軸（zhóu）對（duì）稱分布，兩*之間就會（huì）產生感應（yīng）電動（dòng）勢:
E=BxDxv(1)
由此可得管道（dào）的體積流量為:
口=二刀（dāo）2v /4(2)
綜合式（shì）(1)、式(2)，得（dé）:(3) 門吸 K一一衝一D塑側一一 E
式中:K為儀表常（cháng）數，在管（guǎn）道直徑D已確定並維持磁感應強度B恒定時，K是一個常數（shù）。此時感應電動勢與體積具（jù）有線性關係2。2傳感器勵磁理論基礎電磁流（liú）量傳感器勵磁（cí）回路中線（xiàn）圈匝數N、勵磁（cí）電（diàn）流1和磁（cí）通勢F的關係（xì）為: !!4 工（gōng）f !!=Nxl L},S
式中:凡為（wéi）磁阻;拜為磁（cí）導率;S為磁路的橫截麵積;L為磁路平（píng）均長度。
根據磁場的歐姆定律，磁感（gǎn）應（yīng）強度B的大小為: FR S
(6)由（yóu）式(6)可知（zhī），磁感應強度B與線圈匝數N、勵磁電流1成正比，與磁路的平均長度L、磁導率料成反比（bǐ）3一認
3影響濃硫酸電磁流量計傳感器信號強度因（yīn）素
根據式(1)，在傳感器尺（chǐ）寸一定的情況下，其靈敏度（dù）隻與磁感應強度B有關。一般來說，同一（yī）係（xì）列的傳感器將采用同一種驅動電流，根據（jù）式(6)，想要改變磁感應強度B，隻能改變線（xiàn）圈匝數N和磁導率拜。磁場的（de）覆蓋範圍(即線圈寬度（dù）)也會直接影響傳感器的靈敏度5。
電磁（cí）流量傳感（gǎn）器電*電壓與（yǔ）流體流速成正比，當標定傳感器時確定傳感器增益和（hé）偏移量，從（cóng）而確定電*電壓跟流體流速（sù）之間的正比關係。傳感（gǎn）器增益是反映（yìng）傳感器靈敏度的一個物理量，在相同的流速下（xià）增益越大，則靈敏（mǐn）度越高。
3.1線圈匝數
對於一台日徑為8英寸(1英（yīng）寸=25.4 mm)的傳感器，將線圈匝（zā）數從288匝改為230匝，其（qí）他參數不變，分別進行了Maxwell仿真和標定。仿（fǎng）真結果表明，288匝的（de）磁力（lì）線明顯比230匝的磁力線密（mì），磁感（gǎn）應強度沿徑向減少了約20% ,沿管道內壁磁（cí）感（gǎn）應強度也減少了約20 %。線圈匝數（shù）變化時傳感器增益標定值對比如表（biǎo）1所示。傳感器增益（yì）從98.00下降到78. 99，也相應減（jiǎn）少了19.4%。

仿真和試驗結果表明，線圈匝數與磁感應強度成正比，改（gǎi）變線圈匝數（shù）會（huì）相（xiàng）應（yīng）改變磁感應強度。也就是說，增加線圈匝數可以相應成比例（lì）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、質量以及成本也會相應增加。電阻值的增加會提高傳感器的功（gōng）耗，電感量的增加也會限製線圈的驅動頻率叭因此，選擇（zé）線圈匝數，需要結合功耗、驅動電壓、驅動頻率、分體（tǐ）式安裝時的*長距離和成本等（děng）參數進行綜（zōng）合考慮（lǜ）。
3. 2磁導率
加人磁導率高的導磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有效利用馬鞍型（xíng）線圈產生的磁場，提高（gāo）管道內磁感應強度7。本文采用了矽鋼片作為導磁材料，其緊（jǐn）貼線圈和管道外壁，將（jiāng）線圈包圍（wéi），進行Maxwell仿真和試驗室流量標（biāo）定。Maxwell仿真表明，加了矽鋼（gāng）片以後，矽鋼片內部磁力線明（míng）顯更加密集，矽鋼片外部隻存在少量磁力線，沿電*連線磁感（gǎn）應強度平均增加約12% ,沿管道內壁磁感應強度平均增加約20 % o
增益標定值如表2所示，傳感器（qì）增益由（yóu）78. 99增加到89. 00，提高了12.7 %。

3. 3線圈寬度
線圈寬度決（jué）定著磁場沿軸向分布範圍，線（xiàn）圈越寬，磁場分布越寬;線圈越（yuè）窄，磁場分布越窄。標（biāo）準（zhǔn）線圈參數如表3所示。

線圈寬度與傳感器增（zēng）益關係圖如圖3所示（shì）。對於6英寸傳感器，當線圈寬度為標準值（zhí）3. 32英寸時，傳感器增益為82. 62;當線圈寬度下（xià）降至2. 49英寸(標準值的0.75倍)時，傳感（gǎn）器增益下降至（zhì）70.94;當（dāng）線圈寬度下降至1.66英寸(標準值的0. 5倍（bèi）)時，傳（chuán）感器增益下降至55. 62;當線圈寬度下（xià）降（jiàng）至0. 83英寸(標（biāo）準值的0. 25倍)時，傳感（gǎn）器增益下降至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，在線圈參數不變的前提下，傳感器長度越長，有效磁場越大;但加長傳感（gǎn）器長（zhǎng）度會增加成本。為了既有效利用（yòng）線圈產生（shēng）的（de）磁場，又要使傳（chuán）感器較短、設計較（jiào）為經濟，需為傳感器選擇合適的長度8。
采用一台日徑為6英寸、標準線圈的傳感器，改變傳感器（qì）長度，依次進行試驗室標定試驗。傳感器長度與增益的關係圖（tú）如圖4所示。當（dāng）傳感器長度為9. 1英（yīng）寸時，其增益為61. 03;但當其長度繼續增（zēng）加時，增益變化較小;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（gǎn）器（qì）長度為6. 1-9. 1英寸時，既有效利用了線圈產生的磁場（chǎng），又可使傳感器長度較短。

需要注意的是，同樣一組線圈（quān）安裝在不同日徑的管道上，由於兩個線圈之間的距離不同，其磁場分布大日徑要（yào）比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設計，不可能實（shí）現傳感器長度小（xiǎo）於線圈寬度，所以本文采用塑（sù）料管道作為主管道、金屬薄管從（cóng）兩頭內插人的設計進行試驗io。
5結束語
通過以上分析、仿真和試驗室（shì）標定，證明了傳感器靈敏度跟線圈匝數和線圈寬度（dù）成正比導磁材料矽鋼（gāng）片能有效增（zēng）強磁感應強（qiáng）度;對於6英寸傳感器，采用標準線圈，其寬度（dù）為4.76英寸，當傳感器長度為6.1一9.1英寸時，增益較大，此時既（jì）有效利用了線圈產生的磁場，又實（shí）現了經濟設計的目標。在給定傳（chuán）感器日徑（jìng）和線圈驅動電流的情（qíng）況下，本（běn）文研究為（wéi）傳感器靈敏度設計提（tí）供參考。