摘要:爲了實(shí)現電磁流量計 的(de)低功耗，提出一種(zhong)具有異徑測量管(guan)道的電磁流量傳(chuan)💛感💜器方案。基于FLUENT軟(ruǎn)件對異徑測量管(guǎn)道内部流場進行(hang)了分析，該新型電(dian)磁流量傳感器的(de)勵磁效率和輸🌐出(chu)靈敏度相比于傳(chuán)統設計有顯著提(ti)高。
　　電磁流量計廣(guǎng)泛應用于導電流(liú)體的體積流量測(ce)量。随着電磁流量(liang)測量理論的成熟(shú)和電子技術不斷(duàn)發展， 低功耗電磁(ci)流量計 的設計成(cheng)爲該領域的研究(jiu)熱點之一。國外廠(chang)家率先推出了電(diàn)池供電的電磁流(liu)量計，極大地拓寬(kuan)了電磁🥰流量計的(de)應用範圍。國内科(kē)研人員也在相關(guan)領域進行了有益(yì)的探索。國内儀表(biao)廠家生産的電磁(ci)流量計仍然具有(yǒu)技術水平低、功耗(hào)較大等缺點。鑒于(yu)國内市🌍場對電池(chi)供電電磁流量計(ji)産品需求迫切，加(jia)強相關✉️領域的研(yan)究、促進國内電磁(ci)流量測🏃🏻‍♂️量技術的(de)進步意義重大。
　　電(dian)磁流量計由電磁(cí)流量傳感器和轉(zhuan)換器兩部分組♍成(cheng)。轉換器爲電磁流(liu)量傳感器提供産(chǎn)生工作磁場的勵(lì)磁電流，對傳感器(qì)輸出的感應電動(dong)勢信号進行放大(dà)、濾波、數字化從而(er)得到瞬時流速或(huò)體積流量值。電磁(ci)流量計的功耗包(bao)括勵磁電路功耗(hào)和信号處理電路(lù)功耗，數值上前者(zhě)遠大于後者。電磁(cí)🔅流量轉換器低功(gōng)耗設計的主要技(ji)術措施包括選用(yong)低功耗的電子元(yuán)件和測量電路間(jian)歇性地工作，在測(cè)量間隙進入微功(gong)耗休眠狀态。電磁(cí)流量傳感器的低(dī)功耗設計問題相(xiang)對複雜，必須保證(zheng)在勵磁😄電流顯著(zhe)減小時其輸出靈(líng)敏度與常規🤞電磁(ci)流量傳感器的靈(líng)敏度相當或更高(gāo)，做到這一點隻能(néng)通過優👅化傳感器(qi)結構來實現。
　　一種(zhǒng)新型 電池供電電(diàn)磁流量計 方案，其(qi)電磁流量傳感器(qì)的測量管道爲從(cong)圓形截面逐💰漸🌈收(shōu)縮🔴成矩形截面的(de)異徑管。相比于測(ce)量管爲均勻圓管(guǎn)的常規電磁🏃🏻‍♂️流量(liàng)傳感器，具有異徑(jìng)測🌐量管的傳感器(qi)🏃🏻在勵磁效率、輸出(chū)靈敏度等方面具(jù)有顯著優勢。新型(xíng)電磁流量傳感器(qì)與微功耗的測量(liàng)電路相結合實現(xiàn)了電🔞磁流量計的(de)低功耗設計。
1電磁(cí)流量傳感器工作(zuo)原理
　　電磁流量傳(chuán)感器把流速(流量(liang))信号線性地變換(huan)成感✏️應電動勢信(xin)号。理想情況下，可(kě)将被測流體視爲(wèi)🍓做切割磁力線運(yun)動的導體，根據法(fǎ)拉第電磁感應定(dìng)律可知感生⁉️電動(dong)勢Ei的大小可表述(shù)爲：

　　式中:B爲磁感應(yīng)強度;A爲磁通量變(bian)化的面積;D爲導體(ti)長💋度(兩測量電極(ji)之間的距離，對于(yú)圓形管道D爲測量(liang)管内徑);dl爲運動的(de)距離;`V爲運動速度(du);Ei爲感應電動勢。
假(jiǎ)設管道的橫截面(miàn)積爲A，流量爲q，則式(shì)(1)可改寫爲:

　　對于高(gāo)爲h，寬爲D的橫截面(miàn)爲矩形的測量管(guǎn)道，則式(2)可改寫⛱️爲(wèi):

　　上述電磁流量測(cè)量基本方程隐含(hán)以下假設條件［9］:①流(liú)體磁導率μ均勻并(bìng)且其數值等于真(zhēn)空中磁導率，即流(liú)體是非磁性的;②流(liu)體🛀🏻具有均勻的電(dian)導率，并滿足歐姆(mǔ)定律;③流體中的位(wei)移電流可忽略不(bu)計;④磁場在無限大(dà)空間範圍内均勻(yún)分🌈布;⑤被測流體流(liú)動狀态爲充分發(fa)🐉展流，對圓管而言(yán)流速呈💞軸對稱分(fèn)布⛱️。
　　式(1)表明感應電(diàn)動勢正比于流體(ti)平均流速。當流速(sù)很低時感應電動(dong)勢很小，在噪聲電(diàn)平基本相同的條(tiáo)件下測量誤差會(hui)增大，因此限制了(le)電磁流量計的測(cè)量下限。異徑測量(liang)管道的設計要🐇求(qiú)是在不改變流場(chǎng)特性的條件下，局(ju)部減小管道橫🥵截(jié)面積以增加流速(su)來提高測量靈敏(min)度。在測量電極形(xíng)狀爲矩形時，矩形(xíng)截面管道的測量(liàng)電極取出的感應(yīng)電動勢信号基本(běn)上不依賴于管道(dao)橫截面的流速分(fèn)布🙇‍♀️，因而異徑管道(dào)的⭕測量段采用矩(jǔ)形♌截面設計。
電磁(ci)流量傳感器勵磁(cí)回路中線圈匝數(shu)N、勵磁電流I和磁✂️通(tong)✉️勢F的關系爲：

　　式中(zhōng):Rm爲磁阻，μ爲磁導率(lü)，S爲磁路的橫截面(miàn)積，L爲磁路平✨均長(zhang)度。根據磁場的歐(ōu)姆定律［12］，磁通量Φ的(de)大小爲:

　　由式(7)可知(zhī)，磁感應強度B與勵(li)磁電流成正比，與(yu)磁路🔴的平均長度(dù)L成反比。在測量電(dian)極間距D相同時，橫(heng)截面積相同🈲的圓(yuán)管和矩形管，矩形(xing)管的高度h小于圓(yuan)管直徑D。假設磁❗路(lu)與管🌏道之間的距(jù)離爲hw，則橫截面爲(wei)圓形和矩形的管(guan)道其磁路平均長(zhǎng)度🛀🏻L分别爲h+2hw和D+2hw。因此(ci)，勵磁電流相同時(shi)矩形管道磁感應(ying)強度大于圓形管(guan)道的磁💰感應強度(du)。若需要得到相同(tóng)磁感應強度B，采用(yòng)矩形截面測量管(guǎn)道的電磁流量傳(chuan)感器所需勵磁電(dian)流較小。在測量管(guan)道入口🎯瞬時流量(liang)相同、測量電極間(jiān)距D相同時，爲得到(dào)相同大小的輸出(chu)電動勢信号采用(yòng)矩形截面測量管(guan)的傳⚽感器所需勵(li)磁電流較小，比圓(yuan)形截面測量管道(dào)的傳感器功耗低(di)。
2異徑測量管道流(liu)場仿真
2.1仿真模型(xíng)建立與仿真條件(jian)設置
　　使用SolidWorks軟件生(shēng)成三維模型，将其(qí)導入FLUENT軟件的前處(chù)理程🔴序Gambit中對模型(xing)進行網格劃分，得(de)到模型如圖1所示(shì)。測量管道✂️由大口(kou)徑🚶50mm圓管縮徑爲小(xiao)口徑寬38mm，高20mm的矩⚽形(xíng)管道，矩形截面部(bù)分長度爲80mm。入口邊(bian)界設定爲速度入(ru)口，出口邊界設🧑🏽‍🤝‍🧑🏻置(zhì)爲充分✏️發展流，其(qi)他所有面🙇‍♀️爲壁面(miàn)邊界🏃‍♂️。

　　FLUENT中的工作條件(jiàn)設置爲:模型求解(jiě)方法選擇非耦合(hé)求☁️解方法;定義流(liu)體物理性質爲水(shui);選用k－ε湍流模型，初(chu)始♍流速0.1m/s和5m/s，水力直(zhi)徑50mm，湍流強度分别(bie)爲5.5%和3.38%。
2.2仿真結果
(1)異(yi)徑管道流場分布(bù)
　　對入口處爲直徑(jing)50mm圓形截面逐漸收(shōu)縮爲矩形橫截✌️面(miàn)的😄異徑管道，在矩(jǔ)形截面部分長度(du)80mm，寬度38mm，高度20mm，管道總(zǒng)❗長200mm的🌈條件下采用(yòng)FLUENT軟件進行流場仿(pang)真，管道初始流速(sù)分别爲0.1m/s低流速和(hé)5m/s最大流速。其壓損(sun)和中心📧截面平均(jun)速度如表1所示。

　　從(cong)表1可知，入口流速(sù)爲0.1m/s時管道收縮段(duan)的流速增加到❌入(rù)口流💯速的2.58倍，提高(gao)了測量靈敏度。入(ru)口流速5m/s時，其壓力(lì)損⛱️失符合冷♍水水(shui)表的檢定規程，即(jí)額定工🐇作條件下(xia)的最大壓力損失(shi)應不超0.063MPa。收縮段流(liú)速也增加爲入口(kǒu)流速的2.58倍，即12.9m/s，仍在(zai)傳統電磁流量計(jì)的測量範圍内。更(geng)大的入口流速可(kě)能使🔅收縮段流速(sù)超出測量範👌圍，因(yin)此應根據使用條(tiao)件合理設計管道(dào)尺寸。
　　圖2、圖3(其中X、Y軸(zhóu)坐标單位均爲m;速(sù)度單位爲m/s)和圖4表(biao)明異徑測量管内(nèi)流場特性穩定，設(shè)計異徑管道電磁(cí)流量傳感♈器是可(ke)行🙇🏻的。



(2)異(yì)徑管道流場畸變(biàn)
　　對入口處爲直徑(jìng)50mm圓形截面逐漸收(shou)縮爲矩形橫截面(mian)的♌異徑管道，在矩(ju)形截面部分長度(du)80mm，寬度20mm，高度5mm，管道總(zǒng)長度爲200mm的😘設定條(tiáo)件下采用FLUENT軟件進(jin)行流場仿真，管道(dào)初始流速0.1m/s。進出口(kou)壓力損失爲1903.801Pa，中心(xīn)截面平均速度爲(wèi)2.453m/s，增大爲入口流速(su)的🌐24.5倍。根據圖5、圖6可(kě)知，如💋果矩形截面(mian)部分的高度和寬(kuān)度壓縮太大會導(dǎo)緻回流現象，同時(shí)進出口壓力損失(shi)較大，漸擴管部分(fèn)出現嚴重的湍流(liú)現象，流場變化較(jiào)大。


(3)異徑管道橫截(jie)面積收縮部分不(bu)同長度的影響
　　對(dui)入口處爲直徑50mm圓(yuán)形截面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截面的(de)異徑管道，在矩形(xing)截面部分寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度爲☂️40mm～100mm以步長(zhang)10mm變☁️化，管❄️道總長200mm的(de)條件下采用FLUENT軟件(jiàn)進行流場仿真。管(guǎn)道入口初始流速(su)設定爲0.1m/s。仿真結果(guǒ)如表㊙️2所示。異徑管(guǎn)長度方向上的壓(yā)力損失由沿程壓(yā)力⚽損失引起，差别(bié)較小，中心截面平(píng)均速度基本保持(chi)不變。

(4)異徑管道橫(héng)截面積收縮部分(fen)不同寬度的影響(xiǎng)
　　對入口處爲直徑(jing)50mm圓形截面逐漸收(shōu)縮爲矩形橫截面(mian)的異徑管道，在矩(ju)形截面部分長度(du)80mm，高度20mm，寬度爲20mm～48mm以步(bu)長2mm變⭐化，管道總長(zhang)200mm的條件下采用FLUENT軟(ruǎn)件進行流場仿真(zhen)。管道入口初始流(liu)速設定爲0.1m/s。壓✔️力損(sun)失和中心截面平(ping)🛀🏻均速度分🔞布如圖(tú)7所示。寬度越小壓(ya)力損🛀失越大，但中(zhong)心截面平均👈速度(du)也越大，随着寬度(du)的減小，壓力損失(shī)和中心截面平均(jun1)速度增幅變🌈大。

　　異(yì)徑管道橫截面積(jī)收縮部分寬度和(he)長度保持不變，高(gāo)度變化時的情況(kuàng)與此類似。
2.3仿真結(jié)論
　　通過對橫截面(mian)由圓形收縮爲矩(jǔ)形的異徑測量管(guan)道進行流✨場仿真(zhen)可知，縮徑矩形截(jie)面部分流速增加(jia)且流速在管道橫(heng)截面📐上分布均勻(yún)，有利于低流速小(xiǎo)流量的精确測量(liàng)🏃。矩形截面的寬度(du)和高度對進出口(kou)壓力損失和中心(xīn)截面平均速度🐇影(yǐng)響較大。異徑測量(liang)管感應電動勢與(yǔ)磁感應強度B成正(zhèng)比，與⁉️矩形橫截面(mian)的高度h成反比，在(zài)勵磁電流一定時(shí)高度h越小傳感器(qì)靈敏度越高。但當(dāng)高度相對于圓形(xing)入🧑🏽‍🤝‍🧑🏻口的通徑D收縮(suō)較大時，漸擴管中(zhōng)會出現明顯的湍(tuan)流和空穴現象，因(yin)此收縮比例不能(neng)太大。除此之外，收(shōu)縮比例主要受到(dào)最大壓損允許值(zhí)☀️和最大瞬💜時流量(liàng)的限制，還與測量(liàng)管道材質、測量電(diàn)極形狀等因素有(you)關，管道尺寸的具(jù)體數值應在不顯(xiǎn)著改變原流場🔆特(te)性的前提下根據(jù)流量測量範圍和(hé)壓力損失要求等(deng)來決定。在被測介(jie)質類型、最大壓損(sun)、最大瞬時流量、測(cè)量管道材質、測量(liàng)電⚽極形狀尺寸等(deng)條件确定的前提(tí)下，可🔞通過數值仿(páng)真🙇‍♀️和樣機試驗相(xiàng)結合來優化确定(ding)收縮部分的形狀(zhuàng)尺寸。采用☀️具有局(ju)部收縮的矩🈲形截(jié)面的測量管道可(kě)提高電磁流量傳(chuan)感器的勵磁效率(lǜ)和靈敏度，并且使(shi)電磁💯流量傳感器(qì)具有磁⚽場均勻、與(yǔ)流速分布無關、低(di)功耗等優點。
3樣機(jī)和實驗結果
　　根據(jù)異徑測量管道流(liú)場仿真結果，制做(zuo)了電磁流🔞量計原(yuan)型樣機。測量管入(ru)口爲内徑50mm圓管，收(shōu)縮部分截面爲高(gao)15mm、寬45mm的矩形🥵，測量管(guan)道總長度200mm，收縮部(bu)分長度50mm。以微功耗(hao)單🧑🏾‍🤝‍🧑🏼片機MSP430F449爲核心組(zu)成測量電路，測量(liàng)時工作電流👉(不包(bao)含勵磁電流)小于(yu)10mA，靜态電流小于20μA。勵(li)磁電流波形爲峰(feng)值50mA的方波，每次測(cè)量正向勵磁及反(fan)向勵磁各50ms，每✔️3s測量(liang)一次。樣機平均工(gong)作電流和一年的(de)能耗㊙️爲:
I=［(50+10)×50］÷3000+0.02=1.02mA　　(8)
E=1.02×24×30×12=8812.8mAH　　(9)
　　樣機采用(yong)6節高能锂電池供(gong)電，單節電池容量(liang)4800mAH或8500mAH，更換電池後樣(yang)機可連續工作三(san)年以上。
在流量标(biāo)定裝置上對原型(xing)樣機采用稱重法(fǎ)進行💜了測試，标定(dìng)系統精度爲0.1%，測量(liang)對象爲普通工業(yè)用水，設定流速測(ce)🔴量範圍0.1m/s～5m/s，實驗數據(jù)如表3所示。實驗數(shu)據表明，樣機精度(du)優于±0.5%，滿足設⭐計要(yao)求。

4結論
　　采用橫截(jié)面局部收縮的異(yì)徑測量管道可提(tí)高電磁流量傳✏️感(gan)⭐器的勵磁效率和(he)靈敏度，降低電磁(ci)流量計的功耗。使(shi)用FLUENT軟件對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻異徑測(cè)量管道進行了流(liú)場仿真，得到了異(yi)徑測❤️量管道設計(ji)的一般原則。

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