測（cè）水流量計的測量原理及實踐當中遇到的難題與優化
點擊次數：2159 發布時間：2021-01-16 12:36:28
摘要：為（wéi）了提高測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（lì）磁（cí）線圈在設計、製造及裝配中（zhōng）對測水（shuǐ）流量計的影響，指出了測水流量計在（zài）設計時的注意事項。
測水流量（liàng）計因其特殊的結構形式，致使其（qí）抗幹擾能力較（jiào）弱、準確度偏低以（yǐ）及（jí）瞬（shùn）時流量波動過大等不良現象，但便於安裝、造價低（dī）廉、普遍應用於大管道等特點而存在。為了發揮其優勢，消除其不利因素，對其內部結構及其相關技術參數進行（háng）優化設計，從而使其準確度能夠達到 ±1% FS，使抗幹擾能力得到*大（dà）地增強。本文主要通過優化（huà）設計、選擇材料和試驗，使測水流量計（jì）的穩定性（xìng）和準確（què）度大幅度提高，並提出解決措施，對實際應用具有參考價值。分析與研究程序圖如圖 1 所示。
1 測量原理
根據法拉*電磁感應定（dìng）律的工作原理，也就是液態導體在磁場中做切割磁力線運動（dòng）時，對導（dǎo）體內產生感應電動勢（shì）（Es）的分布進行分析，研究磁場分布的影響規律，在保（bǎo）證高準確度（dù）、高可靠性和抗幹擾能力強、瞬時（shí）流量波（bō）動範（fàn）圍小的前提下，尋（xún）求寬範圍流量測量時（shí）*優的測水流量計。
測水流量計測量液體的流量時，液體為導電液（yè）體（tǐ），電導率應大於 5μs/cm，流體流過垂直於流動方向（xiàng）的磁場導電液體的流動感應出平均流速，從（cóng）而（ér）獲得與（yǔ）流體的體積流量成正比的感應電（diàn）動勢（Es），感應電動勢方程為（wéi）：
Es=BDV×10 -4
式中：Es--- 電（diàn）動勢（shì），伏特（V）
B---- 磁（cí）感應強度，特（tè）斯拉（T）
D---- 測量管內徑（jìng），厘米（cm）
V---- 被測液體平均流速，米 / 秒（m/s）
因測水流量計與一般的法蘭管道式電磁流量計有很大的不同，測水流量計的傳感器外側（cè）形成發射（shè）磁（cí）場，測（cè）量電*在（zài）傳感器的（de）端（duān）部，故此根據（jù）尼庫接磁（NIKURADS）原理，測量導（dǎo）電液體流量時，導電（diàn）流體流過垂直於流動方向的磁場導電液體的流（liú）動感應出平均流（liú）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與流體相接觸的電*檢測出來（lái），在轉換器中顯示（shì）瞬時流量和累計流量，並通過轉換（huàn）器轉（zhuǎn）換成標準電信號輸出到（dào）上位機，即 4mA ～ 20mA DC，如圖 2 所示。
測水（shuǐ）流量計的測量探（tàn）頭測得管道內部特定位置（管道內徑的 1/8 處）的局部流速，以確定管道流速，測水流量計的傳感器是在測（cè）量探頭外側形成外發射磁場，測量電*在傳感器的端部。
基於以上（shàng）目（mù）的，為（wéi）了降低外發射磁場（chǎng）的電磁流（liú）速傳感器所產生的感應信（xìn）號受信號流體（tǐ）和磁場（chǎng）的邊界層厚度影響，會降低測量的線性度（dù），通過一體化的特殊優化設計，在外（wài）徑為：Ф47mm（因（yīn）為需要使用 2 〃螺紋球閥，球閥通孔直徑為：50mm 的緣故），內徑為：Ф40mm，長度為：77mm的空間內進行布置各個相關零、部件（兩個（gè）電*、兩個電*加長杆，勵磁線圈部件），應用法（fǎ）拉*電磁感應定律和尼庫接磁（NIKURADS）原理，將磁感應強度充分發揮，達到高準確度、高可靠性（xìng）、寬（kuān）範圍的流體測量，同時采用新材料、新工藝，該結構還具有耐高溫，並（bìng）且（qiě）適用於大口徑管道的流體測量（liàng）等特性。
通過（guò）大量的試驗，對探頭端部外（wài）型結構亦采用特殊設（shè）計（jì），從（cóng）而消除兩個電*之間的（de）擾流現象，同時亦消（xiāo）除因通電產生磁場（chǎng），導致兩個電（diàn）*吸附介質中的鐵屑（xiè）而影響測量精度和死區效應，增強了輸出信號的穩（wěn）定性，從而提高傳感器準確度和（hé）抗幹擾性。通過結（jié）構的優（yōu）化設計，使用壽命更長，測（cè）水流量計探頭局（jú）部，如圖 3 所示。
2 實踐當（dāng）中遇到的實際難題（tí）
在生（shēng）產實踐中，發（fā）現剛剛纏繞完畢的（de）勵磁線圈，由於摩擦生熱的原因，直接（jiē）進行測量阻值（zhí）時，阻值往往大於（yú）理論計算值（1Ω ～ 2Ω）。當勵磁線圈在自然環境中失效幾個小時後，勵（lì）磁線圈的阻值恢複到理論設計值。從而推論，含有勵磁線圈（quān）的測水流量計受（shòu）現場管道介質溫度的影響非常大，致使測（cè）水流量計（jì）的轉換器內的技術參數發生變化，影響其過（guò）程控製的準確度（dù），而且瞬時流量波動過大。
其原因是：勵（lì）磁線圈的阻值（zhí）及匝數是按照常溫狀態下進行設計的，而（ér）含有勵磁線圈的測水流量計經常是高於常溫（wēn）狀態下進行安裝、使（shǐ）用（如（rú）：高爐回水、供熱管（guǎn）道等），勵磁線圈的阻值隨使用（yòng）環（huán）境溫度的變化而變（biàn）化（huà），致使測水流量計測量時的準確度大為降低，性能的不確定性大為（wéi）增加，為了保證儀表的高準確度和穩定性，在不同（tóng）的季節（主要是環境溫度和介質溫度），經過大量模擬現場實際情況的試驗（yàn），並結合轉換器的技術參數要求，得出一個完善的勵磁線圈各種技術參數。模擬現場試驗裝置如圖 4 所示。
試驗方法：*先，把測水流量計和溫度傳感（gǎn）器按照圖中所（suǒ）示固定在自動加熱箱體中；其次，把測水流量計的勵磁（cí）線圈的引線（聚四氟乙烯屏蔽線）與（yǔ）萬用表測量（liàng）阻值端鈕（niǔ）相連接，並把檔位（wèi）定格在 200Ω 刻度線上；同時把溫度傳（chuán）感器（PT100 鉑電阻）的引線與溫度顯示器（qì）相連接（jiē）。
經檢查無誤後，經過大約 10min，記錄此時水箱中水的溫度，然後接通 220V AC 電源，自動電加熱箱體內的水進（jìn）行升溫，以（yǐ）水（shuǐ）每升高 5℃，記（jì）錄一次萬用表顯示（shì）的阻值，記錄直至水溫達到 100℃時的阻值。
試驗數據如下：
為了滿足現場管道高溫介質對測水流量計測量準確（què）度的影響，探頭勵磁（cí）線圈的阻值在環境（jìng）溫度（T=15℃時（shí）），按照理論計算值進行纏繞，為 60Ω±0.5Ω，漆包圓（yuán）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，勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
1）2018 年 12 月份北方的冬季，室溫：15℃～ 20℃內進行*一次試驗，升溫試驗時間共 75min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數據表（biǎo）示如下：
水溫：15℃時， 勵磁（cí）線圈阻值：R=60.2Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.3Ω 阻值（zhí）升高（gāo）1.1Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=62.5Ω 阻值升（shēng）高1.2Ω
水溫：30℃時（shí）， 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（zhí）：R=64.9Ω 阻（zǔ）值升高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線（xiàn）圈（quān）阻值：R=67.5Ω 阻值升高（gāo）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， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高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（lì）磁（cí）線（xiàn）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（shuǐ）溫：75℃時， 勵（lì）磁線（xiàn）圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵（lì）磁線圈阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω
*一次試驗結論（lùn）：水（shuǐ）溫從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵（lì）磁線圈的電阻（zǔ）值平均增大 1.247Ω。
2）勵磁線圈完全處於室溫：15℃～ 20℃狀態（tài）下，24h後進行*二次試驗，升溫試驗（yàn）時間共 80min。
勵磁（cí）線圈的電阻值與溫（wēn）度的變化數據表示如下：
水溫：6℃時（shí），勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫（wēn）：10℃時， 勵磁線圈阻值：R=59.8Ω 阻值升高1.0Ω
水（shuǐ）溫：15℃時， 勵磁線圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
水溫：20℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=61.5Ω 阻值升（shēng）高1.3Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.8Ω 阻值升高（gāo）1.3Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=65.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：40℃時， 勵磁（cí）線圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高（gāo）1.2Ω
水（shuǐ）溫（wēn）：45℃時（shí）， 勵磁線圈阻（zǔ）值（zhí）：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.7Ω 阻值升高（gāo）1.7Ω
水（shuǐ）溫：55℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=69.9Ω 阻值（zhí）升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=71.2Ω 阻（zǔ）值（zhí）升高1.3Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=73.2Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈（quān）阻值（zhí）：R=74.7Ω 阻值（zhí）升高1.5Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）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（wēn）：100℃時，勵磁線圈阻值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω
*二次試驗（yàn）結論：水溫從 15℃升（shēng）到 100℃時，每升高5℃，勵磁線圈（quān）的電阻值平均增大 1.179Ω。後又在（zài）本季節多次進行試驗（yàn），試驗結果大體相似（sì）。
3）2019 年 7 月 12 日星期四上午 8 ：15 開始試驗（yàn），試驗室溫：25℃～ 30℃內進行*三次（cì）試驗，升溫試驗時間共30min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的（de）變化數據表示如下：
水（shuǐ）溫：20℃時（shí）， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=61.4Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升（shēng）高1.1Ω
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（xiàn）圈阻值：R=66.4Ω 阻值升（shēng）高1.5Ω
水溫：45℃時（shí）， 勵磁線圈（quān）阻值：R=67.5Ω 阻值升（shēng）高1.1Ω
水溫（wēn）：50℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值（zhí）升（shēng）高（gāo）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（shí）， 勵磁線圈阻（zǔ）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：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈（quān）阻值（zhí）：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻（zǔ）值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻值：R=80.1Ω 阻值升（shēng）高（gāo） 1.1Ω
水溫：100℃時，連續進行 8 小時高溫度（100℃）水進行（háng）試驗，此時的勵磁線圈阻值：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 範圍內（nèi）波動。
這次夏季（jì）試驗結論：水（shuǐ）溫從 20℃升到 100℃時，每升高 5℃，勵（lì）磁線圈的電（diàn）阻值平（píng）均增大 1.1625Ω。後又在本（běn）季節多次進行試驗（yàn），試驗結果大體相似。
通過北（běi）方寒冷的冬季及夏季的數十（shí）次試驗（yàn），其試驗的結果基本（běn）一致。
為了使勵磁線圈產生（shēng）的磁力線（xiàn）均勻、完整地包裹電*，勵磁線圈的磁芯要盡量與電*端部相接近，使電*整體充分地切割磁（cí）力線，同（tóng）時兼顧電感值的大小，在（zài）電感值適中的情況下（後麵論述，經（jīng）過理論計算和試驗，電感值：L=390mH 為（wéi）宜（yí）），從（cóng）而（ér）產生連綿不斷的、強大、穩定的磁場信號，在實踐（jiàn）中起到了大大降低過程控製流量的波（bō）動性，並且增加了流速的穩定性（*小流速為 0.2m/s 時，可精準、穩定地測量），同時使測水流（liú）量計在標校時的（de）標校係數大為降低（如轉換器的標（biāo）校（xiào）係（xì）數：1 ～ 5.9999，則實際標校過程中，標校（xiào）係數隻為（wéi） 1.3 左右），使標校過程簡易化，更容易進行標校，*大地減輕了標校人員的工作強度，儀（yí）表的準確度更高。勵磁（cí）線圈部件與端部電*的相對位置如圖 5 所示。
3 測水流量（liàng）計優化設計
通過在不同季節進（jìn）行的數十次試驗結果，再結合（hé）轉換（huàn）器本身（shēn）的（de）技術參數的要求，以及在測水流（liú）量計傳（chuán）感器的有限空間內，進行技術參數、新材料和新工藝（yì）的優化（huà）設計。
1）根據閉合回路的屬性 --- 電（diàn）感原理及公式：L=μQ ×μ r ×Ae×N 2 /l
式中：L-電感，單（dān）位：亨（H）
μQ -自由空間（jiān）的導磁率：4д×10 -7 H/m
μr -磁芯材料相對的導磁率，單位：亨 / 米（H/m）
Ae-磁芯的（de）截麵積，單位：平方米（m 2 ）
N---- 勵磁線圈的（de）匝數
l---- 勵磁（cí）線圈纏繞長度，單位：米（m）
2）精選勵磁線圈磁芯的材質以及尺寸的選擇根據尼庫接磁（NIKURADS）原（yuán）理，設計、製造（zào）和特性參數試驗。為了增大導（dǎo）磁率，*大地改善封閉性磁力線強度（dù），故此選擇實心勵磁線圈，使磁感應強度大幅增加。磁芯采用磁性（xìng）等級：超級；*號：電（diàn）工純鐵（型號：DT4C）；矯（jiǎo）頑力（lì）：≤ 32，矯頑力時效增值：≤ 4，*大（dà）導磁（cí）率：≥ 0.0151
工業純鐵質地特別軟，韌性特別大（dà），電磁性能（néng）很好（hǎo）。工業純鐵熔點比鐵高，在潮濕的空氣中比鐵難以生鏽，在冷的濃硫酸中可以鈍化；同時電（diàn）磁性能好。矯頑力（Hc）低，導磁率 μ 高（gāo），飽和磁感（Bs）高，磁性穩定又無磁時效。鋼質純淨度高，電工純鐵係（xì）列鋼（gāng）質均為鎮靜鋼，又采用了（le）精練，所以內部（bù）組織致密，均勻，優良，氣體含量少，成品含碳量≤ 0.004%，冷、熱加工性（xìng）能好。冷加工如車、墩、衝、彎（wān）、拉等都無問題，具有良好的加工性能，加工表麵質量好。
3）勵磁線圈的漆（qī）包圓繞組線的選擇根據中（zhōng）華人民共和國**標準 GB/T6109.1-2008《漆包圓繞組線（xiàn） *一部分：一般規定》和 GB/T6109.2-2008《漆包圓繞組線 *二部分：155 級聚酯漆包銅圓線》的（de）相關規定，並且結合測水流量計的具體使（shǐ）用情況及使用範圍的安全裕度，選擇型號：QZY=XY-2/200，線（xiàn）徑：Φ0.21mm。
型號：QZY+XY-2/150 的含義
係列代號 Q-漆（qī）包圓繞組線
漆膜代號 Z-聚酯類漆（qī）
Y-聚酰亞胺（àn）類漆
非自粘性漆包線 2-二級漆膜
耐溫溫度 150-攝（shè）氏度：150℃
測水流量計勵磁線（xiàn）圈（quān）的結構形（xíng）式如圖 6 所示（shì）。
根據（jù）以（yǐ）上不同（tóng）季節（jiē）的數 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（zǔ）線的選擇（如：勵磁線圈（quān）的型號、線徑等）如上所（suǒ）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算與確定，但一定要結合轉換器的相關技（jì）術參數進行選擇。
選擇方法（fǎ）：如測水流量計所選擇的轉換器匹配的（de）阻值為：（X ～ Y）Ω時，則勵磁線（xiàn）圈的阻值大於或等於1.5X 即可（kě）。這樣既能滿足流動介質溫度低於常溫時，勵磁線圈阻值必然降低，但不影響轉換器（qì）的正常工作，同時亦能滿足介質溫度高於（yú）常溫（wēn）時，勵磁線圈阻值（zhí）升高（gāo），也（yě）不影響轉換器的正常（cháng）工作。
c）從結構上講，勵磁線圈的磁芯必（bì）須長於（yú）線圈部（bù）件為好。其磁芯長（zhǎng）出部分應與采集信號的電*基本在一個基（jī）準線上（shàng），在現有的磁場強度下增（zēng）加磁力線*大程度上包裹電*，使之電*采集信號的*大化，由此增加測水流量計的準確度和穩定性。
4 結論
本文提出了（le）一種基於插入式電磁型流量計（jì）在實際應用過程（chéng）中，勵磁線圈經過優化設（shè）計、磁芯材料的選擇（zé）和探頭結構等方麵的改進，提高其在（zài）現場運行過程中（zhōng）的（de）穩（wěn）定性、準確度等級和抗幹擾能力，充分發揮測水流量計自有優勢，對該產品質量的提升（shēng）具有實質性作用。
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測水流量（liàng）計因其特殊的結構形式，致使其（qí）抗幹擾能力較（jiào）弱、準確度偏低以（yǐ）及（jí）瞬（shùn）時流量波動過大等不良現象，但便於安裝、造價低（dī）廉、普遍應用於大管道等特點而存在。為了發揮其優勢，消除其不利因素，對其內部結構及其相關技術參數進行（háng）優化設計，從而使其準確度能夠達到 ±1% FS，使抗幹擾能力得到*大（dà）地增強。本文主要通過優化（huà）設計、選擇材料和試驗，使測水流量計（jì）的穩定性（xìng）和準確（què）度大幅度提高，並提出解決措施，對實際應用具有參考價值。分析與研究程序圖如圖 1 所示。
1 測量原理
根據法拉*電磁感應定（dìng）律的工作原理，也就是液態導體在磁場中做切割磁力線運動（dòng）時，對導（dǎo）體內產生感應電動勢（shì）（Es）的分布進行分析，研究磁場分布的影響規律，在保（bǎo）證高準確度（dù）、高可靠性和抗幹擾能力強、瞬時（shí）流量波（bō）動範（fàn）圍小的前提下，尋（xún）求寬範圍流量測量時（shí）*優的測水流量計。
測水流量計測量液體的流量時，液體為導電液（yè）體（tǐ），電導率應大於 5μs/cm，流體流過垂直於流動方向（xiàng）的磁場導電液體的流動感應出平均流速，從（cóng）而（ér）獲得與（yǔ）流體的體積流量成正比的感應電（diàn）動勢（Es），感應電動勢方程為（wéi）：
Es=BDV×10 -4
式中：Es--- 電（diàn）動勢（shì），伏特（V）
B---- 磁（cí）感應強度，特（tè）斯拉（T）
D---- 測量管內徑（jìng），厘米（cm）
V---- 被測液體平均流速，米 / 秒（m/s）
因測水流量計與一般的法蘭管道式電磁流量計有很大的不同，測水流量計的傳感器外側（cè）形成發射（shè）磁（cí）場，測（cè）量電*在（zài）傳感器的（de）端（duān）部，故此根據（jù）尼庫接磁（NIKURADS）原理，測量導（dǎo）電液體流量時，導電（diàn）流體流過垂直於流動方向的磁場導電液體的流（liú）動感應出平均流（liú）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與流體相接觸的電*檢測出來（lái），在轉換器中顯示（shì）瞬時流量和累計流量，並通過轉換（huàn）器轉（zhuǎn）換成標準電信號輸出到（dào）上位機，即 4mA ～ 20mA DC，如圖 2 所示。
測水（shuǐ）流量計的測量探（tàn）頭測得管道內部特定位置（管道內徑的 1/8 處）的局部流速，以確定管道流速，測水流量計的傳感器是在測（cè）量探頭外側形成外發射磁場，測量電*在傳感器的端部。
基於以上（shàng）目（mù）的，為（wéi）了降低外發射磁場（chǎng）的電磁流（liú）速傳感器所產生的感應信（xìn）號受信號流體（tǐ）和磁場（chǎng）的邊界層厚度影響，會降低測量的線性度（dù），通過一體化的特殊優化設計，在外（wài）徑為：Ф47mm（因（yīn）為需要使用 2 〃螺紋球閥，球閥通孔直徑為：50mm 的緣故），內徑為：Ф40mm，長度為：77mm的空間內進行布置各個相關零、部件（兩個（gè）電*、兩個電*加長杆，勵磁線圈部件），應用法（fǎ）拉*電磁感應定律和尼庫接磁（NIKURADS）原理，將磁感應強度充分發揮，達到高準確度、高可靠性（xìng）、寬（kuān）範圍的流體測量，同時采用新材料、新工藝，該結構還具有耐高溫，並（bìng）且（qiě）適用於大口徑管道的流體測量（liàng）等特性。
通過（guò）大量的試驗，對探頭端部外（wài）型結構亦采用特殊設（shè）計（jì），從（cóng）而消除兩個電*之間的（de）擾流現象，同時亦消（xiāo）除因通電產生磁場（chǎng），導致兩個電（diàn）*吸附介質中的鐵屑（xiè）而影響測量精度和死區效應，增強了輸出信號的穩（wěn）定性，從而提高傳感器準確度和（hé）抗幹擾性。通過結（jié）構的優（yōu）化設計，使用壽命更長，測（cè）水流量計探頭局（jú）部，如圖 3 所示。
2 實踐當（dāng）中遇到的實際難題（tí）
在生（shēng）產實踐中，發（fā）現剛剛纏繞完畢的（de）勵磁線圈，由於摩擦生熱的原因，直接（jiē）進行測量阻值（zhí）時，阻值往往大於（yú）理論計算值（1Ω ～ 2Ω）。當勵磁線圈在自然環境中失效幾個小時後，勵（lì）磁線圈的阻值恢複到理論設計值。從而推論，含有勵磁線圈（quān）的測水流量計受（shòu）現場管道介質溫度的影響非常大，致使測（cè）水流量計（jì）的轉換器內的技術參數發生變化，影響其過（guò）程控製的準確度（dù），而且瞬時流量波動過大。
其原因是：勵（lì）磁線圈的阻值（zhí）及匝數是按照常溫狀態下進行設計的，而（ér）含有勵磁線圈的測水流量計經常是高於常溫（wēn）狀態下進行安裝、使（shǐ）用（如（rú）：高爐回水、供熱管（guǎn）道等），勵磁線圈的阻值隨使用（yòng）環（huán）境溫度的變化而變（biàn）化（huà），致使測水流量計測量時的準確度大為降低，性能的不確定性大為（wéi）增加，為了保證儀表的高準確度和穩定性，在不同（tóng）的季節（主要是環境溫度和介質溫度），經過大量模擬現場實際情況的試驗（yàn），並結合轉換器的技術參數要求，得出一個完善的勵磁線圈各種技術參數。模擬現場試驗裝置如圖 4 所示。
試驗方法：*先，把測水流量計和溫度傳感（gǎn）器按照圖中所（suǒ）示固定在自動加熱箱體中；其次，把測水流量計的勵磁（cí）線圈的引線（聚四氟乙烯屏蔽線）與（yǔ）萬用表測量（liàng）阻值端鈕（niǔ）相連接，並把檔位（wèi）定格在 200Ω 刻度線上；同時把溫度傳（chuán）感器（PT100 鉑電阻）的引線與溫度顯示器（qì）相連接（jiē）。
經檢查無誤後，經過大約 10min，記錄此時水箱中水的溫度，然後接通 220V AC 電源，自動電加熱箱體內的水進（jìn）行升溫，以（yǐ）水（shuǐ）每升高 5℃，記（jì）錄一次萬用表顯示（shì）的阻值，記錄直至水溫達到 100℃時的阻值。
試驗數據如下：
為了滿足現場管道高溫介質對測水流量計測量準確（què）度的影響，探頭勵磁（cí）線圈的阻值在環境（jìng）溫度（T=15℃時（shí）），按照理論計算值進行纏繞，為 60Ω±0.5Ω，漆包圓（yuán）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，勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
1）2018 年 12 月份北方的冬季，室溫：15℃～ 20℃內進行*一次試驗，升溫試驗時間共 75min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數據表（biǎo）示如下：
水溫：15℃時， 勵磁（cí）線圈阻值：R=60.2Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.3Ω 阻值（zhí）升高（gāo）1.1Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=62.5Ω 阻值升（shēng）高1.2Ω
水溫：30℃時（shí）， 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（zhí）：R=64.9Ω 阻（zǔ）值升高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線（xiàn）圈（quān）阻值：R=67.5Ω 阻值升高（gāo）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， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高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（lì）磁（cí）線（xiàn）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（shuǐ）溫：75℃時， 勵（lì）磁線（xiàn）圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈（quān）阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵（lì）磁線圈阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω
*一次試驗結論（lùn）：水（shuǐ）溫從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵（lì）磁線圈的電阻（zǔ）值平均增大 1.247Ω。
2）勵磁線圈完全處於室溫：15℃～ 20℃狀態（tài）下，24h後進行*二次試驗，升溫試驗（yàn）時間共 80min。
勵磁（cí）線圈的電阻值與溫（wēn）度的變化數據表示如下：
水溫：6℃時（shí），勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫（wēn）：10℃時， 勵磁線圈阻值：R=59.8Ω 阻值升高1.0Ω
水（shuǐ）溫：15℃時， 勵磁線圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
水溫：20℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=61.5Ω 阻值升（shēng）高1.3Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.8Ω 阻值升高（gāo）1.3Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=65.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：40℃時， 勵磁（cí）線圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高（gāo）1.2Ω
水（shuǐ）溫（wēn）：45℃時（shí）， 勵磁線圈阻（zǔ）值（zhí）：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.7Ω 阻值升高（gāo）1.7Ω
水（shuǐ）溫：55℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=69.9Ω 阻值（zhí）升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=71.2Ω 阻（zǔ）值（zhí）升高1.3Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=73.2Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈（quān）阻值（zhí）：R=74.7Ω 阻值（zhí）升高1.5Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻（zǔ）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（wēn）：100℃時，勵磁線圈阻值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω
*二次試驗（yàn）結論：水溫從 15℃升（shēng）到 100℃時，每升高5℃，勵磁線圈（quān）的電阻值平均增大 1.179Ω。後又在（zài）本季節多次進行試驗（yàn），試驗結果大體相似（sì）。
3）2019 年 7 月 12 日星期四上午 8 ：15 開始試驗（yàn），試驗室溫：25℃～ 30℃內進行*三次（cì）試驗，升溫試驗時間共30min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的（de）變化數據表示如下：
水（shuǐ）溫：20℃時（shí）， 勵磁線（xiàn）圈阻值：R=61.4Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升（shēng）高1.1Ω
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（xiàn）圈阻值：R=66.4Ω 阻值升（shēng）高1.5Ω
水溫：45℃時（shí）， 勵磁線圈（quān）阻值：R=67.5Ω 阻值升（shēng）高1.1Ω
水溫（wēn）：50℃時， 勵（lì）磁線圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時（shí）， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值（zhí）升（shēng）高（gāo）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（shí）， 勵磁線圈阻（zǔ）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：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈（quān）阻值（zhí）：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值（zhí）：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻（zǔ）值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻值：R=80.1Ω 阻值升（shēng）高（gāo） 1.1Ω
水溫：100℃時，連續進行 8 小時高溫度（100℃）水進行（háng）試驗，此時的勵磁線圈阻值：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 範圍內（nèi）波動。
這次夏季（jì）試驗結論：水（shuǐ）溫從 20℃升到 100℃時，每升高 5℃，勵（lì）磁線圈的電（diàn）阻值平（píng）均增大 1.1625Ω。後又在本（běn）季節多次進行試驗（yàn），試驗結果大體相似。
通過北（běi）方寒冷的冬季及夏季的數十（shí）次試驗（yàn），其試驗的結果基本（běn）一致。
為了使勵磁線圈產生（shēng）的磁力線（xiàn）均勻、完整地包裹電*，勵磁線圈的磁芯要盡量與電*端部相接近，使電*整體充分地切割磁（cí）力線，同（tóng）時兼顧電感值的大小，在（zài）電感值適中的情況下（後麵論述，經（jīng）過理論計算和試驗，電感值：L=390mH 為（wéi）宜（yí）），從（cóng）而（ér）產生連綿不斷的、強大、穩定的磁場信號，在實踐（jiàn）中起到了大大降低過程控製流量的波（bō）動性，並且增加了流速的穩定性（*小流速為 0.2m/s 時，可精準、穩定地測量），同時使測水流（liú）量計在標校時的（de）標校係數大為降低（如轉換器的標（biāo）校（xiào）係（xì）數：1 ～ 5.9999，則實際標校過程中，標校（xiào）係數隻為（wéi） 1.3 左右），使標校過程簡易化，更容易進行標校，*大地減輕了標校人員的工作強度，儀（yí）表的準確度更高。勵磁（cí）線圈部件與端部電*的相對位置如圖 5 所示。
3 測水流量（liàng）計優化設計
通過在不同季節進（jìn）行的數十次試驗結果，再結合（hé）轉換（huàn）器本身（shēn）的（de）技術參數的要求，以及在測水流（liú）量計傳（chuán）感器的有限空間內，進行技術參數、新材料和新工藝（yì）的優化（huà）設計。
1）根據閉合回路的屬性 --- 電（diàn）感原理及公式：L=μQ ×μ r ×Ae×N 2 /l
式中：L-電感，單（dān）位：亨（H）
μQ -自由空間（jiān）的導磁率：4д×10 -7 H/m
μr -磁芯材料相對的導磁率，單位：亨 / 米（H/m）
Ae-磁芯的（de）截麵積，單位：平方米（m 2 ）
N---- 勵磁線圈的（de）匝數
l---- 勵磁（cí）線圈纏繞長度，單位：米（m）
2）精選勵磁線圈磁芯的材質以及尺寸的選擇根據尼庫接磁（NIKURADS）原（yuán）理，設計、製造（zào）和特性參數試驗。為了增大導（dǎo）磁率，*大地改善封閉性磁力線強度（dù），故此選擇實心勵磁線圈，使磁感應強度大幅增加。磁芯采用磁性（xìng）等級：超級；*號：電（diàn）工純鐵（型號：DT4C）；矯（jiǎo）頑力（lì）：≤ 32，矯頑力時效增值：≤ 4，*大（dà）導磁（cí）率：≥ 0.0151
工業純鐵質地特別軟，韌性特別大（dà），電磁性能（néng）很好（hǎo）。工業純鐵熔點比鐵高，在潮濕的空氣中比鐵難以生鏽，在冷的濃硫酸中可以鈍化；同時電（diàn）磁性能好。矯頑力（Hc）低，導磁率 μ 高（gāo），飽和磁感（Bs）高，磁性穩定又無磁時效。鋼質純淨度高，電工純鐵係（xì）列鋼（gāng）質均為鎮靜鋼，又采用了（le）精練，所以內部（bù）組織致密，均勻，優良，氣體含量少，成品含碳量≤ 0.004%，冷、熱加工性（xìng）能好。冷加工如車、墩、衝、彎（wān）、拉等都無問題，具有良好的加工性能，加工表麵質量好。
3）勵磁線圈的漆（qī）包圓繞組線的選擇根據中（zhōng）華人民共和國**標準 GB/T6109.1-2008《漆包圓繞組線（xiàn） *一部分：一般規定》和 GB/T6109.2-2008《漆包圓繞組線 *二部分：155 級聚酯漆包銅圓線》的（de）相關規定，並且結合測水流量計的具體使（shǐ）用情況及使用範圍的安全裕度，選擇型號：QZY=XY-2/200，線（xiàn）徑：Φ0.21mm。
型號：QZY+XY-2/150 的含義
係列代號 Q-漆（qī）包圓繞組線
漆膜代號 Z-聚酯類漆（qī）
Y-聚酰亞胺（àn）類漆
非自粘性漆包線 2-二級漆膜
耐溫溫度 150-攝（shè）氏度：150℃
測水流量計勵磁線（xiàn）圈（quān）的結構形（xíng）式如圖 6 所示（shì）。
根據（jù）以（yǐ）上不同（tóng）季節（jiē）的數 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（zǔ）線的選擇（如：勵磁線圈（quān）的型號、線徑等）如上所（suǒ）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算與確定，但一定要結合轉換器的相關技（jì）術參數進行選擇。
選擇方法（fǎ）：如測水流量計所選擇的轉換器匹配的（de）阻值為：（X ～ Y）Ω時，則勵磁線（xiàn）圈的阻值大於或等於1.5X 即可（kě）。這樣既能滿足流動介質溫度低於常溫時，勵磁線圈阻值必然降低，但不影響轉換器（qì）的正常工作，同時亦能滿足介質溫度高於（yú）常溫（wēn）時，勵磁線圈阻值（zhí）升高（gāo），也（yě）不影響轉換器的正常（cháng）工作。
c）從結構上講，勵磁線圈的磁芯必（bì）須長於（yú）線圈部（bù）件為好。其磁芯長（zhǎng）出部分應與采集信號的電*基本在一個基（jī）準線上（shàng），在現有的磁場強度下增（zēng）加磁力線*大程度上包裹電*，使之電*采集信號的*大化，由此增加測水流量計的準確度和穩定性。
4 結論
本文提出了（le）一種基於插入式電磁型流量計（jì）在實際應用過程（chéng）中，勵磁線圈經過優化設（shè）計、磁芯材料的選擇（zé）和探頭結構等方麵的改進，提高其在（zài）現場運行過程中（zhōng）的（de）穩（wěn）定性、準確度等級和抗幹擾能力，充分發揮測水流量計自有優勢，對該產品質量的提升（shēng）具有實質性作用。
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