摘要:爲了(le)實現電磁流(liu)量計 的低功(gōng)耗，提出一種(zhǒng)具有異徑測(ce)量管道的電(diàn)磁流量🐅傳🛀感(gǎn)器方案。基于(yú)FLUENT軟件對異徑(jing)測量管道内(nèi)部流場進行(hang)了分析👈，該新(xīn)型電磁流量(liang)傳感器的勵(lì)磁效率和輸(shu)出靈敏度相(xiang)比于傳統設(she)計有🏃🏻‍♂️顯著提(ti)高。
　　電磁流量(liang)計廣泛應用(yong)于導電流體(tǐ)的體積流量(liang)測量。随着電(diàn)磁流量測量(liàng)理論的成熟(shu)和電子技術(shù)不斷發🎯展， 低(di)功耗電磁流(liú)量計 的設計(ji)成爲該領域(yu)的研究熱點(dian)之一。國外廠(chang)家率⭕先推出(chū)了電池供電(diàn)的電磁流量(liàng)計，極大地拓(tuò)寬了電磁流(liu)量🌐計的應用(yong)🤞範圍🛀🏻。國内科(kē)研人員也在(zai)相關領域進(jìn)行了有益的(de)探索。國内儀(yi)表廠家生産(chan)的電磁流量(liàng)計仍然具有(you)🙇🏻技術水平低(dī)、功耗較大等(děng)缺點🌈。鑒于國(guó)内市場對電(diàn)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(jìn)國内電磁流(liu)量測量技術(shu)的進步意義(yì)重大。
　　電磁流(liu)量計由電磁(ci)流量傳感器(qì)和轉換器兩(liǎng)部分組成。轉(zhuan)換器爲電磁(cí)流量傳感器(qi)提供産生工(gong)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(zi)化從而得到(dao)瞬時流速或(huò)體積🔴流量值(zhí)。電磁流量計(jì)的功耗包🛀🏻括(kuò)勵磁電路功(gōng)耗和💃信号處(chù)理電路功耗(hao)，數值上前者(zhě)遠大于後者(zhe)。電磁流量轉(zhuan)換器低功耗(hào)設計的主要(yào)技術措施包(bao)括選用低功(gong)耗的電子元(yuán)件和測量電(dian)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(liàng)傳感✏️器的低(di)功耗設計問(wèn)題相對複😄雜(za)，必須保證在(zài)🏃🏻‍♂️勵磁電流顯(xiǎn)著減小時其(qí)輸出靈敏度(dù)與常規電磁(cí)流量傳感器(qi)的靈♉敏度相(xiàng)當或更🏒高，做(zuò)到這一點隻(zhi)能通🔞過優化(huà)傳感器結構(gòu)來實現。
　　一種(zhong)新型 電池供(gòng)電電磁流量(liang)計 方案，其電(dian)磁流量傳感(gǎn)器的測量管(guǎn)道爲從圓形(xing)截面🤩逐漸收(shōu)縮成矩形截(jie)面的異徑管(guǎn)。相比于測量(liàng)管爲均勻圓(yuán)🛀管的🌈常規電(dian)磁流量傳感(gan)器，具有異徑(jìng)測量管的傳(chuán)感器在勵磁(cí)效率、輸出靈(ling)敏度等方面(miàn)具有顯著優(you)勢。新型電磁(cí)流量傳感器(qi)與微功耗的(de)測量電路相(xiang)結合實現了(le)電💜磁流量計(jì)的低功耗設(shè)計。
1電磁流量(liàng)傳感器工作(zuò)原理
　　電磁流(liú)量傳感器把(bǎ)流速(流量)信(xìn)号線性地變(bian)換成感應🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電(dian)✔️動勢信号。理(lǐ)想情況下，可(kě)将被測流體(ti)視爲做切割(ge)磁力線運動(dòng)🍓的導體，根據(jù)法拉第電磁(cí)感應定律可(kě)知感生電動(dong)勢Ei的大小💋可(ke)表述爲：

　　式中(zhōng):B爲磁感應強(qiáng)度;A爲磁通量(liang)變化的面積(ji);D爲導體長度(du)🐆(兩測量電極(ji)之間的距離(lí)，對于圓形管(guan)道D爲測🙇‍♀️量管(guan)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(jiǎ)設管道的橫(héng)截面積爲A，流(liu)量爲q，則式(1)可(kě)改寫爲:

　　對于(yu)高爲h，寬爲D的(de)橫截面爲矩(ju)形的測量管(guǎn)道，則式(2)可改(gai)寫📧爲💃:

　　上述電(dian)磁流量測量(liang)基本方程隐(yin)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(děng)于真空中磁(ci)導率，即流㊙️體(tǐ)是☔非磁性的(de)🌈;②流體具有均(jun)勻的電導率(lü)，并滿足歐姆(mǔ)定律;③流☀️體中(zhong)的位移電流(liú)可忽略不計(ji);④磁場在無限(xiàn)大空間範圍(wéi)内均勻分布(bù);⑤被測流🏃🏻‍♂️體流(liú)動狀🍉态爲充(chong)分發展流，對(duì)圓管而言流(liú)速呈軸對稱(cheng)分布📧。
　　式(1)表明(míng)感應電動勢(shì)正比于流體(tǐ)平均流速。當(dang)流速很低時(shi)感應電動勢(shì)很小，在噪聲(shēng)電平基本相(xiang)同的條件下(xia)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(cè)量管道的設(she)計要求是在(zai)不改變流場(chǎng)特👨‍❤️‍👨性的條件(jiàn)💔下，局部減小(xiao)管道橫截面(miàn)積以增加流(liu)速來提高測(ce)量靈敏度。在(zai)測量♌電極形(xíng)狀爲矩形時(shi)，矩形截面管(guan)道的測量📞電(diàn)極取出的感(gǎn)應電動勢信(xin)号基本上💋不(bu)依賴👌于管道(dao)橫截面的流(liu)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(liàng)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(shì)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(ping)均長度。根據(ju)磁場的歐姆(mu)定律［12］，磁通量(liang)Φ的大小爲:

　　由(you)式(7)可知，磁感(gǎn)應強度B與勵(li)磁電流成正(zhèng)比，與磁路的(de)平均長度L成(cheng)反比。在測量(liàng)電極間距D相(xiang)同時，橫截面(mian)積相同的圓(yuan)管和㊙️矩形管(guan)，矩形管的高(gāo)度h小于圓管(guǎn)直徑D。假設磁(ci)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(cí)路平均長度(dù)L分别爲h+2hw和D+2hw。因(yīn)此，勵磁電♈流(liú)相同時矩形(xíng)管道磁感📐應(yīng)強度大于♉圓(yuán)形管道的磁(cí)感應強度。若(ruò)需要得到相(xiàng)同磁感應強(qiáng)度B，采用矩形(xíng)截面測量♌管(guan)道的電磁流(liú)量傳感器🔅所(suo)需勵磁電流(liu)較小。在測量(liang)管道入口瞬(shùn)時流量相同(tong)、測量電極間(jiān)距D相同時，爲(wèi)得💞到相同大(dà)小的輸出⭐電(dian)動勢信号采(cǎi)用矩形截面(mian)測量管的傳(chuán)💘感器所需🈲勵(li)磁電流較小(xiao)，比圓形截面(mian)測量管道的(de)傳感器功耗(hao)低。
2異徑測量(liàng)管道流場仿(páng)真
2.1仿真模型(xíng)建立與仿真(zhēn)條件設置
　　使(shi)用SolidWorks軟件生成(chéng)三維模型，将(jiang)其導入FLUENT軟件(jiàn)的前處理程(cheng)序🔞Gambit中對♈模型(xing)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(suō)徑爲小口徑(jìng)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(bian)界設置爲充(chong)分發展流，其(qí)他所有面💰爲(wei)壁面邊界。

　　FLUENT中的工(gōng)作條件設置(zhì)爲:模型求解(jie)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(liu)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(jing)管道流場分(fen)布
　　對入口處(chù)爲直徑50mm圓形(xing)截面逐漸收(shōu)縮爲矩形橫(héng)截面的異🎯徑(jìng)🤟管道，在矩形(xíng)截面部分長(zhang)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(liu)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(zhōng)心截面平均(jun1)速度如表1所(suǒ)示。

　　從表1可知(zhī)，入口流速爲(wèi)0.1m/s時管道收縮(suō)段的流速增(zēng)加到入口流(liu)速的2.58倍，提高(gao)了測量靈敏(mǐn)度。入口流速(su)5m/s時，其壓力損(sun)失符合冷水(shuǐ)水表的檢定(ding)規程，即額定(ding)工作條件💘下(xià)的最大壓力(lì)損失應不超(chao)0.063MPa。收縮段流速(sù)也增加爲入(rù)口流速的🔅2.58倍(bei)，即12.9m/s，仍在傳統(tong)電磁流量計(jì)的測量範圍(wei)内。更大的入(rù)口🈲流速可能(neng)使收縮段流(liu)速㊙️超出測量(liàng)範圍，因此應(yīng)根據使用條(tiao)件合理設計(jì)管道尺寸。
　　圖(tu)2、圖3(其中X、Y軸坐(zuò)标單位均爲(wei)m;速度單位爲(wèi)m/s)和圖4表明異(yi)✊徑測🔞量管内(nèi)流場特性穩(wěn)定，設計異徑(jìng)管道電磁流(liú)量傳感器是(shi)可行的。



(2)異徑管(guan)道流場畸變(bian)
　　對入口處爲(wei)直徑50mm圓形截(jié)面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截(jie)面的異徑管(guan)道，在矩形截(jie)面部分長度(dù)80mm，寬度20mm，高度5mm，管(guǎn)道總長度爲(wèi)200mm的🥵設定條件(jian)下采用FLUENT軟件(jian)進行流場仿(páng)真，管道初始(shǐ)流速0.1m/s。進出口(kǒu)壓力損失爲(wei)🏃1903.801Pa，中心截面平(ping)💃均速度爲2.453m/s，增(zēng)大爲入口流(liu)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(du)⛱️和寬度壓縮(suo)太大會導緻(zhì)回流現象，同(tóng)時進出口壓(ya)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(da)。


(3)異徑管道橫(heng)截面積收縮(suō)部分不同長(zhǎng)度的影響
　　對(dui)入口處爲直(zhí)徑50mm圓形截面(miàn)逐漸收縮爲(wei)矩形橫截面(mian)🏃的🔴異徑管道(dao)，在矩形截面(miàn)部分寬度38mm，高(gao)度20mm，長度爲40mm～100mm以(yi)步長10mm變化，管(guan)道總長200mm的條(tiao)件下采用FLUENT軟(ruǎn)件進行流場(chǎng)仿真。管道入(ru)口初始流速(su)設定爲0.1m/s。仿真(zhēn)結果如表2所(suǒ)示。異徑管長(zhang)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(jie)面平均速✂️度(dù)基本保持不(bu)變。

(4)異徑管道(dao)橫截面積收(shōu)縮部分不同(tong)寬度的影響(xiǎng)
　　對入口處爲(wei)直徑50mm圓形截(jie)面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截(jie)面🌍的異徑管(guǎn)道，在矩形截(jié)面部分長度(dù)80mm，高度20mm，寬度爲(wèi)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(liú)場仿真。管道(dào)入口初始流(liú)速設👉定爲0.1m/s。壓(yā)力損失和中(zhong)心截面平💚均(jun1)速度分布如(ru)圖7所示。寬度(dù)越小壓力損(sǔn)❄️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(sǔn)失和中心截(jié)面平均速度(du)增幅變大。

　　異(yi)徑管道橫截(jié)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(ci)類似。
2.3仿真結(jie)論
　　通過對橫(heng)截面由圓形(xing)收縮爲矩形(xíng)的異徑測量(liàng)管道進行🏃流(liu)場仿真可知(zhi)，縮徑矩形截(jié)面部分流速(su)增♍加且流速(sù)在管道橫截(jie)面上分布均(jun1)勻，有利于低(di)流速小流量(liàng)的精确測量(liàng)🌏。矩形截面的(de)寬度和高度(dù)對進出口壓(ya)力損失和中(zhōng)心截面平均(jun)速度影響較(jiào)大☁️。異徑測量(liang)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(shí)高度h越小傳(chuán)感器靈敏度(dù)越高。但當高(gao)度相對于圓(yuán)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(kōng)💋穴現象，因此(ci)收縮比👈例不(bu)能太大。除此(cǐ)之🔞外，收縮比(bǐ)例主要受到(dao)最大壓損允(yun)許值和最大(dà)瞬🈲時流量的(de)限制，還與測(cè)量管道材質(zhì)、測量電極形(xíng)狀等因素有(yǒu)關，管道尺寸(cun)的具體數值(zhí)應在不顯著(zhe)改變原流場(chang)✔️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(dìng)。在被測介質(zhì)類型、最大壓(ya)損、最大瞬時(shi)流量、測量管(guǎn)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(zhi)仿真♋和樣機(jī)試驗相結合(hé)來📱優化确定(dìng)收縮部💚分的(de)形狀尺寸。采(cai)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(cí)效率和靈敏(mǐn)度，并且使電(diàn)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(diǎn)。
3樣機和實驗(yan)結果
　　根據異(yi)徑測量管道(dào)流場仿真結(jie)果，制做了電(dian)磁流量計☁️原(yuan)型樣機。測量(liang)管入口爲内(nei)徑50mm圓管，收縮(suo)部分截面爲(wei)高15mm、寬45mm的矩形(xíng)，測量管道總(zǒng)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(cè)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(liu)波形爲峰值(zhi)50mA的方波，每次(cì)測量正向勵(li)磁及反向勵(li)磁各50ms，每3s測量(liang)一次。樣機平(ping)均工作電流(liu)和一年的能(neng)耗🙇🏻爲:
I=［(50+10)×50］÷3000+0.02=1.02mA　　(8)
E=1.02×24×30×12=8812.8mAH　　(9)
　　樣機采(cǎi)用6節高能锂(li)電池供電，單(dān)節電池容量(liang)4800mAH或8500mAH，更🙇🏻換電🔴池(chí)㊙️後樣🙇🏻機可連(lián)續工作三年(nián)以上。
在流量(liàng)标定裝置上(shang)對原型樣機(jī)采用稱重法(fǎ)進行了測試(shì)，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(fan)圍0.1m/s～5m/s，實🈲驗數據(ju)如表3所示。實(shi)驗數據表明(ming)，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(jú)部收縮的異(yi)徑測量管道(dao)可提高電磁(ci)流量傳🈲感器(qi)的勵磁效率(lü)和靈敏度，降(jiàng)低電磁流量(liang)計的功耗。使(shi)用FLUENT軟件對異(yi)徑測量管道(dao)進行了流場(chǎng)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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