摘要:爲了(le)實現電磁流(liú)量計 的低功(gong)耗，提出一種(zhǒng)具有異徑測(cè)量管道的電(diàn)磁流量傳感(gan)器方🏃🏻‍♂️案。基于(yú)FLUENT軟件對異徑(jing)測量管道内(nei)部流場進行(hang)了分析，該新(xin)型電磁流量(liàng)傳感器的勵(li)磁效率和輸(shu)出靈敏度相(xiàng)比🚶‍♀️于傳統設(she)計有㊙️顯著提(tí)高。
　　電磁流量(liang)計廣泛應用(yòng)于導電流體(ti)的體積流量(liàng)測量。随着🚩電(dian)磁流量測量(liang)理論的成熟(shu)和電子技術(shu)不⛷️斷發展， 低(di)功耗電磁流(liu)量計 的設計(ji)成爲該領域(yù)的研究熱點(dian)之一。國外廠(chang)家率先推🥰出(chu)🐪了⭐電池供電(dian)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(jin)行了有益的(de)探🐆索。國内儀(yi)表廠家生産(chan)的電磁流量(liang)計🌂仍然具有(yǒu)技術水平🐉低(dī)、功耗較大等(deng)缺點。鑒于國(guo)内市場對電(diàn)池供電電磁(ci)流量計産品(pǐn)需求迫切，加(jiā)強相♋關領域(yu)的研究、促進(jin)國内電磁流(liu)量測🌈量技術(shu)的進步意義(yi)重大。
　　電磁流(liu)量計由電磁(cí)流量傳感器(qi)和轉換器兩(liǎng)部分組♋成。轉(zhuǎn)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(shì)信号⭕進行放(fàng)大、濾波、數字(zì)化從而得到(dao)瞬時流速或(huo)體積流量值(zhi)。電㊙️磁流量計(ji)的功耗包括(kuo)勵磁電路功(gong)耗和信号處(chù)理電路功耗(hao)，數值上前者(zhě)遠大于後者(zhě)。電磁流量轉(zhuan)換器低功耗(hao)設計的主要(yao)技術措施包(bao)括選🍓用低功(gong)耗的電子元(yuan)件和測量電(diàn)路間歇性地(dì)工作，在測量(liang)間隙進入微(wēi)功耗休眠狀(zhuàng)态。電磁🏃‍♂️流量(liang)傳感器的低(di)功耗設計問(wen)題相對複雜(zá)，必須保證在(zài)勵磁電流顯(xiǎn)著減小時其(qi)輸出靈敏度(dù)與常規電磁(ci)流量傳感器(qì)的靈敏度相(xiang)當或🤩更高，做(zuò)到這一點隻(zhī)能通過優化(hua)傳感器結構(gou)來實⛹🏻‍♀️現。
　　一種(zhong)新型 電池供(gong)電電磁流量(liàng)計 方案，其電(diàn)磁流量傳感(gǎn)器的測量管(guan)道爲從圓形(xíng)截面逐🈲漸收(shōu)縮成矩形截(jié)面的異徑管(guan)。相比于測量(liang)管爲均勻圓(yuan)管的常規🛀🏻電(dian)磁👅流量傳感(gan)器，具有異徑(jing)測量管的傳(chuan)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(qì)與微功耗的(de)測量電路相(xiàng)結合實現了(le)電磁流量計(ji)的低功耗設(shè)計。
1電磁流量(liàng)傳感器工作(zuò)原理
　　電磁流(liu)量傳感器把(bǎ)流速(流量)信(xin)号線性地變(biàn)換成感應電(diàn)📧動勢信号。理(lǐ)想情況下，可(ke)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(ci)感應定律可(kě)知感生📐電動(dòng)勢Ei的大小可(kě)表述爲：

　　式中(zhōng):B爲磁感應強(qiáng)度;A爲磁通量(liàng)變化的面積(ji);D爲導體長✉️度(dù)(兩測量電極(jí)之間的距離(li)，對于圓形管(guan)道D爲測量管(guǎn)内徑);dl爲運動(dong)的📧距離;`V爲運(yùn)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(liú)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(gǎi)寫爲:

　　上述電(diàn)磁流量測量(liàng)基本方程隐(yǐn)含以下假設(shè)條件［9］:①流體磁(cí)導率μ均勻并(bing)且其數值等(děng)于真空中磁(cí)導率，即流體(ti)是非磁性的(de)✔️;②流體具有均(jun)勻的電導率(lü)，并滿足歐姆(mu)定律;③流體中(zhong)的位移電流(liu)可忽❄️略不計(jì);④磁場在無限(xian)大空間範圍(wéi)内均勻分⁉️布(bu);⑤被測流體流(liu)動狀🥰态爲充(chōng)分發展流，對(duì)圓管而言流(liu)速呈軸對稱(cheng)分布。
　　式(1)表明(ming)感應電動勢(shì)正比于流體(tǐ)平均流速。當(dāng)流速很低時(shi)感應電動勢(shi)很小，在噪聲(sheng)電平基本相(xiang)同的條件💘下(xià)測量誤差會(hui)增大，因此限(xiàn)制了電磁流(liu)量計的測量(liang)下限。異💯徑測(ce)量㊙️管道的設(shè)計要求是在(zài)不改變流場(chǎng)特性的條件(jiàn)🔴下，局部減小(xiǎo)管道橫截面(miàn)積以⛹🏻‍♀️增加流(liú)速來提高測(ce)量靈✏️敏度。在(zai)測量電極形(xing)狀爲🚩矩形時(shí)，矩形截面管(guan)道的測量電(diàn)極取出的感(gan)應電動勢信(xìn)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(yong)矩形截面設(she)計。
電磁流量(liang)傳感器勵磁(cí)回路中線圈(quān)匝數N、勵磁電(diàn)流I和磁通勢(shi)F的關系爲：

　　式(shì)中:Rm爲磁阻，μ爲(wèi)磁導率，S爲磁(ci)路的橫截面(miàn)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(liàng)Φ的大小爲:

　　由(yóu)式(7)可知，磁感(gan)應強度B與勵(lì)磁電流成正(zheng)比，與磁路的(de)🛀平均長♻️度L成(chéng)反比。在測量(liàng)電極間距D相(xiang)同時，橫截面(miàn)積相同的圓(yuan)管和矩形管(guǎn)，矩形管的高(gāo)度h小于圓管(guan)直徑🏃‍♂️D。假設磁(cí)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(ci)路✊平均長度(dù)L分别爲h+2hw和D+2hw。因(yīn)此，勵磁電流(liu)相同時矩形(xíng)管道磁感應(yīng)強度大于⁉️圓(yuan)形管道的磁(cí)🔞感應強度。若(ruo)需要得到相(xiàng)同磁感應強(qiáng)度B，采用矩形(xing)截面測量管(guǎn)道的電磁流(liu)量傳感器💃🏻所(suǒ)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(diàn)動勢信号采(cai)用矩形截🥵面(miàn)測量管的傳(chuan)感器所需勵(li)磁電流較🤟小(xiǎo)，比圓形截💯面(mian)♌測量管道的(de)傳感器功耗(hao)低。
2異徑測量(liang)管道流場仿(páng)真
2.1仿真模型(xíng)建立與仿真(zhen)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(xíng)進行網格劃(hua)分，得到模型(xing)如圖1所示。測(ce)量管道👣由大(da)🌈口徑50mm圓管🔅縮(suō)徑爲小口徑(jing)寬38mm，高20mm的矩形(xíng)管道，矩形截(jie)面部分長度(dù)爲🐕80mm。入口邊界(jiè)設定爲速🌈度(du)入口，出口邊(bian)界設置爲充(chōng)分發展流，其(qí)他所有面☎️爲(wei)壁面邊界🐉。

　　FLUENT中的工(gong)作條件設置(zhì)爲:模型求解(jie)方法選擇非(fei)耦合求解方(fāng)法✍️;定義流體(tǐ)物理性質爲(wèi)水;選用k－ε湍流(liú)模型，初始流(liu)速0.1m/s和5m/s，水力直(zhi)徑50mm，湍流強度(du)分别爲5.5%和3.38%。
2.2仿(páng)真結果
(1)異徑(jìng)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(xing)截面部分長(zhǎng)度80mm，寬度38mm，高度(dù)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(dao)初始流速分(fèn)别爲0.1m/s低流速(su)♊和5m/s最大流速(su)。其✏️壓損和中(zhōng)心截面平均(jun)☎️速度如表1所(suǒ)示。

　　從表1可知(zhi)，入口流速爲(wèi)0.1m/s時管道收縮(suo)段的流速增(zēng)加到入口流(liú)速的2.58倍，提高(gāo)了測量靈敏(min)度。入口流速(sù)5m/s時，其壓💁力損(sun)失符合冷水(shuǐ)水表的檢定(dìng)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(néng)使收縮段流(liú)速🏃超出測量(liang)範圍，因此應(yīng)根據使用條(tiáo)件合理設💃計(jì)管道尺寸。
　　圖(tu)2、圖3(其中X、Y軸坐(zuo)标單位均爲(wei)m;速度單位爲(wei)m/s)和圖4表明異(yì)徑測量管内(nèi)流場特性穩(wěn)定，設計異徑(jìng)管道電磁流(liu)量傳感⛷️器是(shì)可行🤞的。



(2)異徑管(guǎn)道流場畸變(biàn)
　　對入口處爲(wèi)直徑50mm圓形截(jie)面逐漸收縮(suō)爲矩形橫截(jié)面☂️的異❗徑管(guan)道，在矩形截(jié)面部分長度(dù)80mm，寬度20mm，高度5mm，管(guan)道總長度爲(wei)200mm的設定條件(jiàn)下采用FLUENT軟件(jian)進行流場仿(pang)真，管道初始(shi)流速0.1m/s。進出口(kǒu)壓力損失爲(wèi)1903.801Pa，中心截面平(píng)📐均速度爲2.453m/s，增(zeng)大爲入口流(liu)速的24.5倍。根據(jù)圖5、圖6可知，如(ru)🤟果矩形截面(miàn)部分的高度(du)🌂和寬度壓縮(suō)太大會導緻(zhi)🌈回流現象，同(tóng)時進出口壓(ya)力損失較大(dà)，漸擴管部分(fen)出現嚴重的(de)湍流現象，流(liu)場變化較🏒大(da)。


(3)異徑管道橫(héng)截面積收縮(suo)部分不同長(zhang)度的影響
　　對(duì)入口處爲直(zhí)徑50mm圓形截面(mian)逐漸收縮爲(wèi)矩形橫截面(mian)的異徑管道(dao)，在矩形截面(miàn)部分寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度爲40mm～100mm以(yi)步長10mm變化，管(guǎn)道總長200mm的條(tiáo)件下采用FLUENT軟(ruan)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(suo)示。異徑⭕管長(zhang)度方向上的(de)壓力損失由(yóu)沿程壓力❤️損(sǔn)失引起，差别(bie)較小，中心✏️截(jié)面平均速度(du)基本保持不(bú)變。

(4)異徑管道(dào)橫截面積收(shou)縮部分不同(tóng)寬度的影響(xiǎng)
　　對入口處爲(wei)直徑50mm圓形截(jié)面逐漸收縮(suo)爲矩形橫截(jie)🤞面的異徑管(guan)道，在矩形截(jie)面部分長度(du)80mm，高度20mm，寬度爲(wei)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(liu)場仿真✨。管道(dao)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(rú)圖7所示。寬度(du)越小壓力損(sun)失越大，但中(zhōng)心截面平均(jun1)速度也越大(da)，随着寬度的(de)減小，壓力損(sun)失⭕和中心截(jie)面平🏃‍♀️均速度(du)增幅變大。

　　異(yì)徑管道橫截(jie)面積收縮部(bu)分寬度和長(zhǎng)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(jié)論
　　通過對橫(heng)截面由圓形(xíng)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(jie)面部分流速(su)增加且流速(su)在管道橫截(jié)面上分布均(jun)勻，有利于低(dī)流速小流量(liang)的精确測量(liàng)。矩形截面的(de)寬度和高度(dù)對進出口壓(yā)力損失和🌈中(zhong)心截面平均(jun1)速度影響較(jiao)大🙇‍♀️。異徑測量(liàng)管感應電動(dong)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(chéng)反比，在勵磁(ci)電流一定時(shi)高度h越小傳(chuan)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(dà)時，漸擴管中(zhōng)會🍓出現明顯(xian)的湍流和空(kōng)穴現象，因此(ci)收縮比例不(bú)能太大。除此(ci)之外，收縮比(bǐ)例主要受到(dào)最🔅大壓損允(yǔn)許值和最大(da)瞬時流量的(de)限制，還與測(ce)量管道材質(zhi)、測量電極形(xing)狀等因素有(yǒu)關，管道尺寸(cùn)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(liàng)測量範圍和(hé)壓🔞力損失要(yao)求等來決定(ding)。在被測介質(zhi)類型、最大壓(yā)損、最大瞬時(shí)流量、測量管(guan)道材質、測量(liang)電極形狀尺(chǐ)寸等條👄件确(què)定的前提下(xià)，可通過數值(zhí)仿真和樣機(ji)試驗相結合(he)來優化确定(ding)收縮部分的(de)形狀尺🍉寸。采(cǎi)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(chuán)感器的勵磁(cí)效率和靈敏(min)度，并且使電(dian)磁流量傳感(gan)器具有磁場(chang)均勻、與流速(sù)分布無關、低(di)功耗等優點(dian)。
3樣機和實驗(yàn)結果
　　根據異(yi)徑測量管道(dao)流場仿真結(jie)果，制做了電(diàn)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(wèi)高15mm、寬45mm的矩形(xing)，測量管道總(zǒng)長度200mm，收縮部(bù)分長度50mm。以微(wei)功耗單片機(jī)MSP430F449爲核心組🔴成(cheng)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(xiao)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(liàng)一次。樣機平(píng)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(cai)用6節高能锂(lǐ)電池供電，單(dan)節電池容量(liàng)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(shàng)對原型樣機(jī)采用稱重法(fa)進行☎️了測試(shi)，标☎️定系統精(jing)度爲0.1%，測量對(dui)象爲普通工(gong)業用🔴水，設⛹🏻‍♀️定(ding)流速測☎️量範(fan)圍0.1m/s～5m/s，實驗數據(ju)如表3所示。實(shí)驗數據表明(míng)，樣機精度優(you)于±0.5%，滿足設計(jì)要求。

4結論
　　采(cǎi)用橫截面局(ju)部收縮的異(yi)徑測量管道(dào)可提高電磁(ci)🤟流量⛹🏻‍♀️傳感器(qì)的勵磁效率(lǜ)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(dào)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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