煤層注水流量計（jì）的測量原理及實踐當中遇到的難題與優化
點擊次數：2240 發布時間：2021-01-16 12:38:12
摘要：為了提高煤層注水流量計的準確度和穩定性，簡述了勵磁線圈的結構、新材料和新工藝 ；討論了勵磁線圈在設計、製造及裝配中對煤層注水流量計的影響，指出了煤（méi）層注水（shuǐ）流量計（jì）在設計時的注意事項。
煤層注水流量計因其特殊的結（jié）構形（xíng）式，致使其抗幹擾（rǎo）能力較弱、準確（què）度偏低以及瞬時流（liú）量波動過大（dà）等不良現象，但便於安裝（zhuāng）、造價低廉、普遍應用於大管道等特點而存在。為了發揮（huī）其優勢，消除其不利因素，對其內部結構及其相關技術參數進行優化設計，從而使其準確度能夠達到 ±1% FS，使抗幹（gàn）擾能（néng）力得到*大地增強。本文主要通（tōng）過優（yōu）化設計、選擇材料和試驗，使煤層注水流量計的穩定性和準（zhǔn）確度（dù）大（dà）幅度提高，並提出解決措施，對實際（jì）應用具有參考價值。分析與研究程序圖如圖 1 所示。
1 測量原（yuán）理
根據法拉*電（diàn）磁感應定（dìng）律的（de）工作原理，也就是（shì）液態導體在磁場（chǎng）中做切割磁（cí）力線運動時，對導體內產生（shēng）感應電動勢（Es）的分布進行（háng）分析，研究磁場分布的（de）影響規律，在保證高準確度、高可靠性和抗幹擾能力強、瞬時流量波動範圍小的前提下，尋求寬範圍流量測量時*優的煤層注水流（liú）量計。
煤層注（zhù）水流量計測（cè）量液體的流量時，液體為導電液體，電導率應大於 5μs/cm，流體流過垂（chuí）直於流動（dòng）方向的磁場導電液體的流動（dòng）感應出（chū）平均（jun1）流速，從而（ér）獲得與流體的體積（jī）流量成正（zhèng）比的感應電動（dòng）勢（Es），感應電動勢方程為：
Es=BDV×10 -4
式中：Es--- 電動勢，伏特（V）
B---- 磁感應強度，特斯（sī）拉（T）
D---- 測量管內徑，厘米（cm）
V---- 被（bèi）測液體平均流速，米 / 秒（m/s）
因煤層注水流量計與一般的法蘭管（guǎn）道式電磁流量計有很（hěn）大的（de）不（bú）同，煤層注水流量計的傳感器外側形成發射磁場，測量電*在傳感器的端部，故此根據（jù）尼庫接磁（NIKURADS）原（yuán）理，測量（liàng）導電液體流量時，導（dǎo）電流體流過垂直於流動方（fāng）向的磁（cí）場（chǎng）導電液體的流動感應出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應電動勢，感應電動勢信號被兩個（gè）與流體相接觸的電*檢測出來，在轉換器中（zhōng）顯示瞬時流量和累計流量（liàng），並通過轉換器（qì）轉換成標準電信號輸出到上位機，即 4mA ～ 20mA DC，如圖 2 所示（shì）。
煤層注水流量計的測（cè）量探頭測得管道內部特定位置（管道內徑的 1/8 處）的局部流速（sù），以確定管道流速，煤（méi）層注水流（liú）量計的傳感器（qì）是在測量探頭外側形成外發射磁場，測量電*在傳感器的端部。
基於以（yǐ）上目的（de），為了降（jiàng）低外發（fā）射磁場的（de）電磁流速傳感器所（suǒ）產生的感應信號（hào）受信號流體和磁場的（de）邊界層厚度影響，會降低測（cè）量的線性度，通過一體化的特殊優化設計，在外徑（jìng）為：Ф47mm（因為需要使用（yòng） 2 〃螺紋球閥，球閥通孔直徑（jìng）為：50mm 的緣故），內（nèi）徑為：Ф40mm，長度為：77mm的空間內進行（háng）布置各個相關零、部件（兩個電*、兩個電*加長杆，勵磁線圈部件），應（yīng）用法拉*電磁感應定（dìng）律和尼庫接磁（NIKURADS）原理，將磁感應強（qiáng）度充分發揮，達到高準確度、高可靠性、寬範圍的流體測量，同（tóng）時采用新材料、新工藝，該結構還具有耐高溫（wēn），並（bìng）且適用於大口徑管道的流體（tǐ）測量（liàng）等特性。
通過大量的試驗，對探頭端部（bù）外型結（jié）構亦采用特殊設計，從而消除兩個電*之間的擾流現象（xiàng），同時亦消除因通電產生磁場，導致兩個電*吸附介質中的鐵屑而（ér）影響測量精（jīng）度和死區效應，增強了輸出信號的穩定性，從而提高傳（chuán）感（gǎn）器準確度和抗（kàng）幹擾性。通過結構的優化設計，使用壽（shòu）命更長，煤層注水流量計探頭（tóu）局部，如圖 3 所示。
2 實踐當中遇到的實際難題（tí）
在生產實踐中，發現剛剛纏繞完畢的勵磁線圈，由於摩擦生熱的原因，直接進行測量（liàng）阻值時，阻值往（wǎng）往大於理論計算值（1Ω ～ 2Ω）。當勵磁線圈在自然環境（jìng）中失效幾個小（xiǎo）時後，勵磁線（xiàn）圈的（de）阻值恢複到理論設計值。從而推論，含（hán）有勵磁線（xiàn）圈的煤層注水流量計受現場管道介質溫度的影（yǐng）響非常大，致使煤層注水流量計的轉換器內的技術參（cān）數發生變（biàn）化，影響（xiǎng）其（qí）過程控（kòng）製的準確（què）度，而且瞬時流量波（bō）動過（guò）大。
其原因是：勵磁線圈的阻值及匝數是按照常溫狀（zhuàng）態下進行設計的（de），而含有勵磁線圈的煤層注（zhù）水流量（liàng）計經常是高於常溫（wēn）狀態下進行安裝、使用（如：高爐回水（shuǐ）、供熱管道等），勵磁線圈的（de）阻值隨使（shǐ）用環境溫度的變化而變化，致使（shǐ）煤層注水流量計測量時的準確度大為降低，性能的不確定性大為增（zēng）加，為（wéi）了保證（zhèng）儀（yí）表的高準（zhǔn）確度和（hé）穩定性（xìng），在不同的季節（主（zhǔ）要是環境溫度和介（jiè）質溫度），經（jīng）過大量模（mó）擬現場實際（jì）情況的試驗，並結合轉（zhuǎn）換（huàn）器的技術（shù）參數要（yào）求，得出一（yī）個完善的勵（lì）磁線圈各種（zhǒng）技術參數。模擬現場試驗裝置如圖 4 所示（shì）。
試驗方（fāng）法：*先，把（bǎ）煤層注水流量計（jì）和溫度傳感器按照（zhào）圖中所示固定在自動加熱箱體中；其次，把煤層注水流量計的（de）勵磁線圈的引線（聚四氟乙烯屏蔽線）與萬用表測量阻值端鈕相連接，並把檔位定格在 200Ω 刻度（dù）線上；同時把溫度（dù）傳感器（PT100 鉑電阻）的引線與溫度顯示器相連接。
經檢查無誤後，經過大約 10min，記錄此時水箱中水（shuǐ）的溫度，然後接通 220V AC 電源，自（zì）動電加熱（rè）箱體內的水進行升溫，以水每（měi）升高 5℃，記錄一次萬用表顯示的阻值，記錄直至水溫達到 100℃時的阻值。
試驗數據如下：
為了（le）滿足現場管道高溫介質對煤層注水流量計測量準確度的影響（xiǎng），探頭勵磁線圈（quān）的阻（zǔ）值在環（huán）境溫度（T=15℃時），按照理論計算值進行纏繞（rào），為 60Ω±0.5Ω，漆（qī）包圓繞組線直徑：Φ=0.21mm，經過多次升高介質（自來水）溫度進行試驗，勵磁線圈的電阻值（zhí）與溫（wēn）度的變化數據表示如（rú）下：
1）2018 年 12 月份北方的冬季，室溫：15℃～ 20℃內進行（háng）*一次試驗，升溫試驗時間共 75min。
勵磁線（xiàn）圈的電阻（zǔ）值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：15℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=60.2Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.3Ω 阻值升高1.1Ω
水（shuǐ）溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=66.4Ω 阻值升（shēng）高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=67.5Ω 阻值（zhí）升高1.1Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫（wēn）：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻（zǔ）值升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值：R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=74.5Ω 阻值升（shēng）高（gāo）1.1Ω
水（shuǐ）溫：80℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升（shēng）高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻值升（shēng）高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁（cí）線（xiàn）圈（quān）阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω
*一次試驗（yàn）結論：水溫（wēn）從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵磁（cí）線圈的電阻值（zhí）平均增大 1.247Ω。
2）勵磁線圈完全處於室溫：15℃～ 20℃狀態下，24h後進（jìn）行（háng）*二次試驗，升溫試驗（yàn）時間共 80min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的（de）變化數據表示如下：
水（shuǐ）溫：6℃時，勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫（wēn）：10℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=59.8Ω 阻（zǔ）值（zhí）升高1.0Ω
水溫：15℃時， 勵（lì）磁（cí）線圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.5Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=62.8Ω 阻（zǔ）值升高1.3Ω
水溫：30℃時， 勵磁（cí）線圈（quān）阻值：R=63.8Ω 阻值（zhí）升高1.0Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=65.0Ω 阻值（zhí）升高1.2Ω
水溫：40℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻值：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
水溫：50℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=68.7Ω 阻值升（shēng）高1.7Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=69.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫（wēn）：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.2Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.2Ω 阻值升（shēng）高0.9Ω
水溫：75℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=74.7Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值：R=75.8Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.7Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=79.1Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻（zǔ）值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω
*二次試驗（yàn）結論：水溫從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵（lì）磁線圈（quān）的電（diàn）阻值平均增大 1.179Ω。後又（yòu）在本季（jì）節多次進行試驗，試驗結（jié）果大（dà）體（tǐ）相似。
3）2019 年 7 月 12 日（rì）星期四上午 8 ：15 開始試驗，試驗室溫（wēn）：25℃～ 30℃內進行*三次試驗，升溫試驗時間共30min。
勵（lì）磁線圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.4Ω
水溫（wēn）：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高（gāo）1.1Ω
水溫：30℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升（shēng）高1.3Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=64.9Ω 阻值升（shēng）高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時， 勵磁線（xiàn）圈（quān）阻值：R=70.0Ω 阻值升（shēng）高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值 R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁（cí）線圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=77.9Ω 阻值（zhí）升（shēng）高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁（cí）線圈阻值：R=80.1Ω 阻值（zhí）升高 1.1Ω
水溫：100℃時（shí），連續進行 8 小時高溫度（100℃）水進行試驗，此時的勵磁線圈阻值（zhí）：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 範圍內波動。
這次夏季試驗結論：水溫從 20℃升到 100℃時，每升高 5℃，勵磁線圈的電阻值平均增大 1.1625Ω。後（hòu）又在本季節多（duō）次進行（háng）試驗，試驗結果大體相似（sì）。
通過北方寒冷的冬季及夏季的數十（shí）次試驗，其（qí）試驗的結（jié）果基本一致。
為了使勵（lì）磁線圈產生的磁（cí）力線均勻、完整地包裹電*，勵磁線圈的磁芯要盡量與電*端部相接（jiē）近，使電（diàn）*整體充分地切割磁力線，同時兼顧電感值（zhí）的大（dà）小，在（zài）電感值適中（zhōng）的情（qíng）況下（後麵（miàn）論述，經過理（lǐ）論計（jì）算和試驗（yàn），電感值：L=390mH 為宜），從（cóng）而產生連綿不斷的、強大、穩定（dìng）的（de）磁場信號，在實踐中起到了（le）大大降低過（guò）程控製流量的波（bō）動性，並且（qiě）增加了（le）流速的穩定（dìng）性（*小流速為 0.2m/s 時，可精準、穩定地測量（liàng）），同時使煤（méi）層注水流（liú）量計在標校時的標校係數大為降低（如轉換器的標校係數：1 ～ 5.9999，則實際標校過程中，標校係數（shù）隻為 1.3 左右（yòu）），使標校過程簡易化，更容易進行標校，*大地（dì）減輕了標校人員的工作強度，儀表（biǎo）的準確度更高。勵磁線圈部件與端部電*的相對位置如圖（tú） 5 所示。
3 煤層注水流量（liàng）計優化設計
通過在不同季節進行的數十次（cì）試驗（yàn）結果，再結合轉換器本身的技（jì）術參數的要求，以及（jí）在煤層注水流量計傳感器的（de）有限（xiàn）空（kōng）間內，進行技術參數、新材料和新工藝的優化設計。
1）根據閉（bì）合回路的屬性 --- 電感原理及公式：L=μQ ×μ r ×Ae×N 2 /l
式中：L-電感，單位：亨（H）
μQ -自由空間的導（dǎo）磁率：4д×10 -7 H/m
μr -磁（cí）芯材料相對的導磁率，單位：亨 / 米（H/m）
Ae-磁芯的截麵積，單位：平方米（m 2 ）
N---- 勵磁線圈的匝數
l---- 勵磁線圈纏繞長度，單位：米（m）
2）精選勵磁線圈（quān）磁芯的材質以及尺寸的選擇根（gēn）據尼庫接磁（NIKURADS）原理（lǐ），設計、製造和（hé）特性參數試驗。為了增大導磁率，*大地改善封閉性磁力線強度，故此選擇實心勵磁（cí）線圈，使（shǐ）磁感應強（qiáng）度大幅增加。磁芯采用磁（cí）性等級：超級（jí）；*號：電工純鐵（型號：DT4C）；矯頑力：≤ 32，矯頑力時效增值：≤ 4，*大（dà）導磁率：≥ 0.0151
工（gōng）業（yè）純鐵質地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。工業純鐵熔點比（bǐ）鐵高，在潮濕的空氣中比鐵難以生鏽，在冷的濃硫酸（suān）中可以鈍化；同時電磁性能好。矯（jiǎo）頑力（Hc）低，導（dǎo）磁率 μ 高，飽和磁（cí）感（Bs）高，磁性（xìng）穩定又無磁時效。鋼質純淨度高，電工純鐵係列鋼質均為鎮（zhèn）靜鋼（gāng），又采用了精練，所以內部組織致密，均勻，優良，氣體含量少，成（chéng）品含碳量≤ 0.004%，冷（lěng）、熱加工性能好。冷加工如車、墩、衝、彎、拉等都無（wú）問題，具有良好的加工性能（néng），加工表麵質量好（hǎo）。
3）勵磁線圈的漆包圓繞組（zǔ）線的選擇根據中華人（rén）民共和國（guó）**標準 GB/T6109.1-2008《漆包圓（yuán）繞（rào）組線 *一部分：一（yī）般規定》和 GB/T6109.2-2008《漆包圓繞組線 *二部分（fèn）：155 級聚（jù）酯漆包銅圓線》的相關規定，並且結合煤層注水流量計的具體使用情況及使用範（fàn）圍的安（ān）全裕度，選擇型號：QZY=XY-2/200，線徑：Φ0.21mm。
型（xíng）號：QZY+XY-2/150 的含義（yì）
係列（liè）代號 Q-漆包圓繞（rào）組線
漆膜代號 Z-聚酯類漆
Y-聚酰亞胺類漆
非自（zì）粘（zhān）性漆包線 2-二級漆膜
耐溫溫度 150-攝氏度：150℃
煤（méi）層（céng）注水流量（liàng）計勵磁線圈的結構形式（shì）如圖 6 所示。
根據以上不同季節的數（shù） 10 次試驗，勵磁線圈得出相應的技術參數如下：
a）從勵磁線圈的漆包圓繞組線（xiàn）的選擇（如：勵磁線圈的型號、線（xiàn）徑等）如（rú）上所述。
b）關於勵磁線圈的阻值通常情況下的理論值均在常溫下進行計（jì）算與確定，但一定要結合轉換器的相關技術參（cān）數進（jìn）行選擇（zé）。
選擇方法：如（rú）煤層注水流量計所選擇的轉換器匹配的阻值為：（X ～ Y）Ω時，則勵磁線圈的（de）阻值大（dà）於或等於1.5X 即可。這（zhè）樣既能滿足流（liú）動介質溫度低（dī）於常溫（wēn）時，勵磁線圈阻值（zhí）必然降低，但不影響轉換器的正常工作，同（tóng）時亦能滿足介質溫度高於常溫時，勵磁線圈阻（zǔ）值升高，也（yě）不影響轉換器的正（zhèng）常工作。
c）從結構上講（jiǎng），勵磁線圈的磁芯必須長（zhǎng）於線圈部（bù）件為好。其磁芯長出部分應與采集信號的電*基本在一個（gè）基準線上，在現有的（de）磁場強度（dù）下增加磁力線*大程度上包裹電*，使之（zhī）電*采集信（xìn）號的*大化（huà），由此增加煤層注水流量計的準確（què）度和穩定性。
4 結論
本文提出了一種基於插入式電磁型流量計在實際應用過程中，勵磁線圈經過優化設計、磁芯材（cái）料的選擇（zé）和探頭結構等方（fāng）麵的（de）改進，提（tí）高其在現場運行過（guò）程（chéng）中的（de）穩定性、準確度（dù）等級和抗幹擾能力，充分發揮煤層注水（shuǐ）流量計自有優勢，對該產品質量的提升具有（yǒu）實質性作用。
高壓（yā）注水流量計產生誤差的原因分析 高壓注水流量計在磷銨裝置中的安裝與故障處理 關於引（yǐn）水工程中大口徑注水（shuǐ）流量計的安裝與運行 注水（shuǐ）流（liú）量（liàng）計和超聲（shēng）波流量計的特點（diǎn）比較及選型 淺析注（zhù）水流量計用於氯堿工業生產中的特點 高壓注水流量計測（cè）量管的襯（chèn）裏和電*加工工藝方法討論 油田注水流量計的測量電*的組成方式有幾種類（lèi）型 煤層注水流量計的測量原理及實踐當中遇到的難題（tí）與優（yōu）化 淺析（xī）煤層注水流量計在冶煉餘熱鍋爐自動化控製中的應用 油田（tián）注水流量計,煤層注水流量計 煤層高壓注水流量計（jì） 煤層（céng）高壓注水流量計,油田注水（shuǐ）流（liú）量計（jì） 高壓注水流量計,礦注水流量計 注水流量計選型,注水流量（liàng）器 油田注水流量計,注水流量計選型 高壓（yā）注水流量計,油田注水流量計
煤層注水流量計因其特殊的結（jié）構形（xíng）式，致使其抗幹擾（rǎo）能力較弱、準確（què）度偏低以及瞬時流（liú）量波動過大（dà）等不良現象，但便於安裝（zhuāng）、造價低廉、普遍應用於大管道等特點而存在。為了發揮（huī）其優勢，消除其不利因素，對其內部結構及其相關技術參數進行優化設計，從而使其準確度能夠達到 ±1% FS，使抗幹（gàn）擾能（néng）力得到*大地增強。本文主要通（tōng）過優（yōu）化設計、選擇材料和試驗，使煤層注水流量計的穩定性和準（zhǔn）確度（dù）大（dà）幅度提高，並提出解決措施，對實際（jì）應用具有參考價值。分析與研究程序圖如圖 1 所示。
1 測量原（yuán）理
根據法拉*電（diàn）磁感應定（dìng）律的（de）工作原理，也就是（shì）液態導體在磁場（chǎng）中做切割磁（cí）力線運動時，對導體內產生（shēng）感應電動勢（Es）的分布進行（háng）分析，研究磁場分布的（de）影響規律，在保證高準確度、高可靠性和抗幹擾能力強、瞬時流量波動範圍小的前提下，尋求寬範圍流量測量時*優的煤層注水流（liú）量計。
煤層注（zhù）水流量計測（cè）量液體的流量時，液體為導電液體，電導率應大於 5μs/cm，流體流過垂（chuí）直於流動（dòng）方向的磁場導電液體的流動（dòng）感應出（chū）平均（jun1）流速，從而（ér）獲得與流體的體積（jī）流量成正（zhèng）比的感應電動（dòng）勢（Es），感應電動勢方程為：
Es=BDV×10 -4
式中：Es--- 電動勢，伏特（V）
B---- 磁感應強度，特斯（sī）拉（T）
D---- 測量管內徑，厘米（cm）
V---- 被（bèi）測液體平均流速，米 / 秒（m/s）
因煤層注水流量計與一般的法蘭管（guǎn）道式電磁流量計有很（hěn）大的（de）不（bú）同，煤層注水流量計的傳感器外側形成發射磁場，測量電*在傳感器的端部，故此根據（jù）尼庫接磁（NIKURADS）原（yuán）理，測量（liàng）導電液體流量時，導（dǎo）電流體流過垂直於流動方（fāng）向的磁（cí）場（chǎng）導電液體的流動感應出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應電動勢，感應電動勢信號被兩個（gè）與流體相接觸的電*檢測出來，在轉換器中（zhōng）顯示瞬時流量和累計流量（liàng），並通過轉換器（qì）轉換成標準電信號輸出到上位機，即 4mA ～ 20mA DC，如圖 2 所示（shì）。
煤層注水流量計的測（cè）量探頭測得管道內部特定位置（管道內徑的 1/8 處）的局部流速（sù），以確定管道流速，煤（méi）層注水流（liú）量計的傳感器（qì）是在測量探頭外側形成外發射磁場，測量電*在傳感器的端部。
基於以（yǐ）上目的（de），為了降（jiàng）低外發（fā）射磁場的（de）電磁流速傳感器所（suǒ）產生的感應信號（hào）受信號流體和磁場的（de）邊界層厚度影響，會降低測（cè）量的線性度，通過一體化的特殊優化設計，在外徑（jìng）為：Ф47mm（因為需要使用（yòng） 2 〃螺紋球閥，球閥通孔直徑（jìng）為：50mm 的緣故），內（nèi）徑為：Ф40mm，長度為：77mm的空間內進行（háng）布置各個相關零、部件（兩個電*、兩個電*加長杆，勵磁線圈部件），應（yīng）用法拉*電磁感應定（dìng）律和尼庫接磁（NIKURADS）原理，將磁感應強（qiáng）度充分發揮，達到高準確度、高可靠性、寬範圍的流體測量，同（tóng）時采用新材料、新工藝，該結構還具有耐高溫（wēn），並（bìng）且適用於大口徑管道的流體（tǐ）測量（liàng）等特性。
通過大量的試驗，對探頭端部（bù）外型結（jié）構亦采用特殊設計，從而消除兩個電*之間的擾流現象（xiàng），同時亦消除因通電產生磁場，導致兩個電*吸附介質中的鐵屑而（ér）影響測量精（jīng）度和死區效應，增強了輸出信號的穩定性，從而提高傳（chuán）感（gǎn）器準確度和抗（kàng）幹擾性。通過結構的優化設計，使用壽（shòu）命更長，煤層注水流量計探頭（tóu）局部，如圖 3 所示。
2 實踐當中遇到的實際難題（tí）
在生產實踐中，發現剛剛纏繞完畢的勵磁線圈，由於摩擦生熱的原因，直接進行測量（liàng）阻值時，阻值往（wǎng）往大於理論計算值（1Ω ～ 2Ω）。當勵磁線圈在自然環境（jìng）中失效幾個小（xiǎo）時後，勵磁線（xiàn）圈的（de）阻值恢複到理論設計值。從而推論，含（hán）有勵磁線（xiàn）圈的煤層注水流量計受現場管道介質溫度的影（yǐng）響非常大，致使煤層注水流量計的轉換器內的技術參（cān）數發生變（biàn）化，影響（xiǎng）其（qí）過程控（kòng）製的準確（què）度，而且瞬時流量波（bō）動過（guò）大。
其原因是：勵磁線圈的阻值及匝數是按照常溫狀（zhuàng）態下進行設計的（de），而含有勵磁線圈的煤層注（zhù）水流量（liàng）計經常是高於常溫（wēn）狀態下進行安裝、使用（如：高爐回水（shuǐ）、供熱管道等），勵磁線圈的（de）阻值隨使（shǐ）用環境溫度的變化而變化，致使（shǐ）煤層注水流量計測量時的準確度大為降低，性能的不確定性大為增（zēng）加，為（wéi）了保證（zhèng）儀（yí）表的高準（zhǔn）確度和（hé）穩定性（xìng），在不同的季節（主（zhǔ）要是環境溫度和介（jiè）質溫度），經（jīng）過大量模（mó）擬現場實際（jì）情況的試驗，並結合轉（zhuǎn）換（huàn）器的技術（shù）參數要（yào）求，得出一（yī）個完善的勵（lì）磁線圈各種（zhǒng）技術參數。模擬現場試驗裝置如圖 4 所示（shì）。
試驗方（fāng）法：*先，把（bǎ）煤層注水流量計（jì）和溫度傳感器按照（zhào）圖中所示固定在自動加熱箱體中；其次，把煤層注水流量計的（de）勵磁線圈的引線（聚四氟乙烯屏蔽線）與萬用表測量阻值端鈕相連接，並把檔位定格在 200Ω 刻度（dù）線上；同時把溫度（dù）傳感器（PT100 鉑電阻）的引線與溫度顯示器相連接。
經檢查無誤後，經過大約 10min，記錄此時水箱中水（shuǐ）的溫度，然後接通 220V AC 電源，自（zì）動電加熱（rè）箱體內的水進行升溫，以水每（měi）升高 5℃，記錄一次萬用表顯示的阻值，記錄直至水溫達到 100℃時的阻值。
試驗數據如下：
為了（le）滿足現場管道高溫介質對煤層注水流量計測量準確度的影響（xiǎng），探頭勵磁線圈（quān）的阻（zǔ）值在環（huán）境溫度（T=15℃時），按照理論計算值進行纏繞（rào），為 60Ω±0.5Ω，漆（qī）包圓繞組線直徑：Φ=0.21mm，經過多次升高介質（自來水）溫度進行試驗，勵磁線圈的電阻值（zhí）與溫（wēn）度的變化數據表示如（rú）下：
1）2018 年 12 月份北方的冬季，室溫：15℃～ 20℃內進行（háng）*一次試驗，升溫試驗時間共 75min。
勵磁線（xiàn）圈的電阻（zǔ）值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：15℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=60.2Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.3Ω 阻值升高1.1Ω
水（shuǐ）溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=66.4Ω 阻值升（shēng）高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=67.5Ω 阻值（zhí）升高1.1Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫（wēn）：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻（zǔ）值升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值：R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=74.5Ω 阻值升（shēng）高（gāo）1.1Ω
水（shuǐ）溫：80℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升（shēng）高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻值升（shēng）高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁（cí）線（xiàn）圈（quān）阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω
*一次試驗（yàn）結論：水溫（wēn）從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵磁（cí）線圈的電阻值（zhí）平均增大 1.247Ω。
2）勵磁線圈完全處於室溫：15℃～ 20℃狀態下，24h後進（jìn）行（háng）*二次試驗，升溫試驗（yàn）時間共 80min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的（de）變化數據表示如下：
水（shuǐ）溫：6℃時，勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫（wēn）：10℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=59.8Ω 阻（zǔ）值（zhí）升高1.0Ω
水溫：15℃時， 勵（lì）磁（cí）線圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.5Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=62.8Ω 阻（zǔ）值升高1.3Ω
水溫：30℃時， 勵磁（cí）線圈（quān）阻值：R=63.8Ω 阻值（zhí）升高1.0Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=65.0Ω 阻值（zhí）升高1.2Ω
水溫：40℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻值：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
水溫：50℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=68.7Ω 阻值升（shēng）高1.7Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=69.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫（wēn）：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.2Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.2Ω 阻值升（shēng）高0.9Ω
水溫：75℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=74.7Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值：R=75.8Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.7Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=79.1Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻（zǔ）值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω
*二次試驗（yàn）結論：水溫從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵（lì）磁線圈（quān）的電（diàn）阻值平均增大 1.179Ω。後又（yòu）在本季（jì）節多次進行試驗，試驗結（jié）果大（dà）體（tǐ）相似。
3）2019 年 7 月 12 日（rì）星期四上午 8 ：15 開始試驗，試驗室溫（wēn）：25℃～ 30℃內進行*三次試驗，升溫試驗時間共30min。
勵（lì）磁線圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.4Ω
水溫（wēn）：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高（gāo）1.1Ω
水溫：30℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升（shēng）高1.3Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=64.9Ω 阻值升（shēng）高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時， 勵磁線（xiàn）圈（quān）阻值：R=70.0Ω 阻值升（shēng）高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值 R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁（cí）線圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=77.9Ω 阻值（zhí）升（shēng）高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁（cí）線圈阻值：R=80.1Ω 阻值（zhí）升高 1.1Ω
水溫：100℃時（shí），連續進行 8 小時高溫度（100℃）水進行試驗，此時的勵磁線圈阻值（zhí）：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 範圍內波動。
這次夏季試驗結論：水溫從 20℃升到 100℃時，每升高 5℃，勵磁線圈的電阻值平均增大 1.1625Ω。後（hòu）又在本季節多（duō）次進行（háng）試驗，試驗結果大體相似（sì）。
通過北方寒冷的冬季及夏季的數十（shí）次試驗，其（qí）試驗的結（jié）果基本一致。
為了使勵（lì）磁線圈產生的磁（cí）力線均勻、完整地包裹電*，勵磁線圈的磁芯要盡量與電*端部相接（jiē）近，使電（diàn）*整體充分地切割磁力線，同時兼顧電感值（zhí）的大（dà）小，在（zài）電感值適中（zhōng）的情（qíng）況下（後麵（miàn）論述，經過理（lǐ）論計（jì）算和試驗（yàn），電感值：L=390mH 為宜），從（cóng）而產生連綿不斷的、強大、穩定（dìng）的（de）磁場信號，在實踐中起到了（le）大大降低過（guò）程控製流量的波（bō）動性，並且（qiě）增加了（le）流速的穩定（dìng）性（*小流速為 0.2m/s 時，可精準、穩定地測量（liàng）），同時使煤（méi）層注水流（liú）量計在標校時的標校係數大為降低（如轉換器的標校係數：1 ～ 5.9999，則實際標校過程中，標校係數（shù）隻為 1.3 左右（yòu）），使標校過程簡易化，更容易進行標校，*大地（dì）減輕了標校人員的工作強度，儀表（biǎo）的準確度更高。勵磁線圈部件與端部電*的相對位置如圖（tú） 5 所示。
3 煤層注水流量（liàng）計優化設計
通過在不同季節進行的數十次（cì）試驗（yàn）結果，再結合轉換器本身的技（jì）術參數的要求，以及（jí）在煤層注水流量計傳感器的（de）有限（xiàn）空（kōng）間內，進行技術參數、新材料和新工藝的優化設計。
1）根據閉（bì）合回路的屬性 --- 電感原理及公式：L=μQ ×μ r ×Ae×N 2 /l
式中：L-電感，單位：亨（H）
μQ -自由空間的導（dǎo）磁率：4д×10 -7 H/m
μr -磁（cí）芯材料相對的導磁率，單位：亨 / 米（H/m）
Ae-磁芯的截麵積，單位：平方米（m 2 ）
N---- 勵磁線圈的匝數
l---- 勵磁線圈纏繞長度，單位：米（m）
2）精選勵磁線圈（quān）磁芯的材質以及尺寸的選擇根（gēn）據尼庫接磁（NIKURADS）原理（lǐ），設計、製造和（hé）特性參數試驗。為了增大導磁率，*大地改善封閉性磁力線強度，故此選擇實心勵磁（cí）線圈，使（shǐ）磁感應強（qiáng）度大幅增加。磁芯采用磁（cí）性等級：超級（jí）；*號：電工純鐵（型號：DT4C）；矯頑力：≤ 32，矯頑力時效增值：≤ 4，*大（dà）導磁率：≥ 0.0151
工（gōng）業（yè）純鐵質地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。工業純鐵熔點比（bǐ）鐵高，在潮濕的空氣中比鐵難以生鏽，在冷的濃硫酸（suān）中可以鈍化；同時電磁性能好。矯（jiǎo）頑力（Hc）低，導（dǎo）磁率 μ 高，飽和磁（cí）感（Bs）高，磁性（xìng）穩定又無磁時效。鋼質純淨度高，電工純鐵係列鋼質均為鎮（zhèn）靜鋼（gāng），又采用了精練，所以內部組織致密，均勻，優良，氣體含量少，成（chéng）品含碳量≤ 0.004%，冷（lěng）、熱加工性能好。冷加工如車、墩、衝、彎、拉等都無（wú）問題，具有良好的加工性能（néng），加工表麵質量好（hǎo）。
3）勵磁線圈的漆包圓繞組（zǔ）線的選擇根據中華人（rén）民共和國（guó）**標準 GB/T6109.1-2008《漆包圓（yuán）繞（rào）組線 *一部分：一（yī）般規定》和 GB/T6109.2-2008《漆包圓繞組線 *二部分（fèn）：155 級聚（jù）酯漆包銅圓線》的相關規定，並且結合煤層注水流量計的具體使用情況及使用範（fàn）圍的安（ān）全裕度，選擇型號：QZY=XY-2/200，線徑：Φ0.21mm。
型（xíng）號：QZY+XY-2/150 的含義（yì）
係列（liè）代號 Q-漆包圓繞（rào）組線
漆膜代號 Z-聚酯類漆
Y-聚酰亞胺類漆
非自（zì）粘（zhān）性漆包線 2-二級漆膜
耐溫溫度 150-攝氏度：150℃
煤（méi）層（céng）注水流量（liàng）計勵磁線圈的結構形式（shì）如圖 6 所示。
根據以上不同季節的數（shù） 10 次試驗，勵磁線圈得出相應的技術參數如下：
a）從勵磁線圈的漆包圓繞組線（xiàn）的選擇（如：勵磁線圈的型號、線（xiàn）徑等）如（rú）上所述。
b）關於勵磁線圈的阻值通常情況下的理論值均在常溫下進行計（jì）算與確定，但一定要結合轉換器的相關技術參（cān）數進（jìn）行選擇（zé）。
選擇方法：如（rú）煤層注水流量計所選擇的轉換器匹配的阻值為：（X ～ Y）Ω時，則勵磁線圈的（de）阻值大（dà）於或等於1.5X 即可。這（zhè）樣既能滿足流（liú）動介質溫度低（dī）於常溫（wēn）時，勵磁線圈阻值（zhí）必然降低，但不影響轉換器的正常工作，同（tóng）時亦能滿足介質溫度高於常溫時，勵磁線圈阻（zǔ）值升高，也（yě）不影響轉換器的正（zhèng）常工作。
c）從結構上講（jiǎng），勵磁線圈的磁芯必須長（zhǎng）於線圈部（bù）件為好。其磁芯長出部分應與采集信號的電*基本在一個（gè）基準線上，在現有的（de）磁場強度（dù）下增加磁力線*大程度上包裹電*，使之（zhī）電*采集信（xìn）號的*大化（huà），由此增加煤層注水流量計的準確（què）度和穩定性。
4 結論
本文提出了一種基於插入式電磁型流量計在實際應用過程中，勵磁線圈經過優化設計、磁芯材（cái）料的選擇（zé）和探頭結構等方（fāng）麵的（de）改進，提（tí）高其在現場運行過（guò）程（chéng）中的（de）穩定性、準確度（dù）等級和抗幹擾能力，充分發揮煤層注水（shuǐ）流量計自有優勢，對該產品質量的提升具有（yǒu）實質性作用。
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