關(guān)于濃硫酸用流量計傳感器測量過程中靈敏度研究
濃硫酸用流量計是根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。由于其具有無壓損、可測流量范圍寬、被測液體溫度范圍寬、成本低等特點，已被廣泛應(yīng)用于水和廢水處理、礦業(yè)和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業(yè)領(lǐng)域中，用來測量自來水、污水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各種酸、堿、鹽溶液’。濃硫酸用流量計由傳感器和變送器組成，傳感器將管道中流體的流速轉(zhuǎn)換為電信號，通過電極把電信號引人變送器，變送器對電信號進行放大調(diào)理并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。傳感器主要由磁路系統(tǒng)和電極等組成，磁路系統(tǒng)產(chǎn)生磁場，流體流過磁場切割磁力線產(chǎn)生電動勢，電極將產(chǎn)生的電動勢引人變送器。該電動勢極其微弱，一般在o. 2一0.4 mV/( m/s)的范圍之間，無法直接測量。對于不同尺寸的傳感器要求得到相同的靈敏度，或者已知要求的靈敏度如何設(shè)計傳感器就成了,待解決的問題。
本文針對于濃硫酸用流量計的測量原理以及磁路歐姆定律，分別對影響傳感器靈敏度的線圈匝數(shù)、磁導(dǎo)率、線圈寬度和傳感器長度等因素進行了分析、仿真和標(biāo)定。通過本試驗結(jié)果顯示，傳感器靈敏度與線圈匝數(shù)和線圈寬度成正比;導(dǎo)磁材料硅鋼片能有效增強磁感應(yīng)強度。Maxwell仿真表明，增加了硅鋼片之后磁感應(yīng)強度沿電極連線增強約12% ,沿管道內(nèi)壁增強約20，傳感器增益標(biāo)定值提高12.7%;對于6英寸傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)線圈。當(dāng)傳感器長度為6. 1一9. 1英寸時，既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場，又實現(xiàn)了*經(jīng)濟設(shè)計。
1測量原理
根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動且切割磁力線時，在導(dǎo)體兩端便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
濃硫酸用流量計工作原理如圖1所示。
設(shè)在磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，內(nèi)表面加絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電的液體在管道中流動時，導(dǎo)電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內(nèi)流速:為軸對稱分布，兩極之間就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢:
E=BxDxv(1)
由此可得管道的體積流量為:
口=二刀2v /4(2)
綜合式(1)、式(2)，得:(3) 門吸 K一一沖一D塑側(cè)一一 E
式中:K為儀表常數(shù)，在管道直徑D已確定并維持磁感應(yīng)強度B恒定時，K是一個常數(shù)。此時感應(yīng)電動勢與體積具有線性關(guān)系2。2傳感器勵磁理論基礎(chǔ)電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝數(shù)N、勵磁電流1和磁通勢F的關(guān)系為: !!4 工f !!=Nxl L},S
式中:凡為磁阻;拜為磁導(dǎo)率;S為磁路的橫截面積;L為磁路平均長度。
根據(jù)磁場的歐姆定律，磁感應(yīng)強度B的大小為: FR S
(6)由式(6)可知，磁感應(yīng)強度B與線圈匝數(shù)N、勵磁電流1成正比，與磁路的平均長度L、磁導(dǎo)率料成反比3一認(rèn)
3影響濃硫酸用流量計傳感器信號強度因素
根據(jù)式(1)，在傳感器尺寸一定的情況下，其靈敏度只與磁感應(yīng)強度B有關(guān)。一般來說，同一系列的傳感器將采用同一種驅(qū)動電流，根據(jù)式(6)，想要改變磁感應(yīng)強度B，只能改變線圈匝數(shù)N和磁導(dǎo)率拜。磁場的覆蓋范圍(即線圈寬度)也會直接影響傳感器的靈敏度5。
電磁流量傳感器電極電壓與流體流速成正比，當(dāng)標(biāo)定傳感器時確定傳感器增益和偏移量，從而確定電極電壓跟流體流速之間的正比關(guān)系。傳感器增益是反映傳感器靈敏度的一個物理量，在相同的流速下增益越大，則靈敏度越高。
3.1線圈匝數(shù)
對于一臺日徑為8英寸(1英寸=25.4 mm)的傳感器，將線圈匝數(shù)從288匝改為230匝，其他參數(shù)不變，分別進行了Maxwell仿真和標(biāo)定。仿真結(jié)果表明，288匝的磁力線明顯比230匝的磁力線密，磁感應(yīng)強度沿徑向減少了約20% ,沿管道內(nèi)壁磁感應(yīng)強度也減少了約20 %。線圈匝數(shù)變化時傳感器增益標(biāo)定值對比如表1所示。傳感器增益從98.00下降到78. 99，也相應(yīng)減少了19.4%。
仿真和試驗結(jié)果表明，線圈匝數(shù)與磁感應(yīng)強度成正比，改變線圈匝數(shù)會相應(yīng)改變磁感應(yīng)強度。也就是說，增加線圈匝數(shù)可以相應(yīng)成比例地提高傳感器靈敏度。當(dāng)然，隨著線圈匝數(shù)的增加，其電阻值、電感量、體積、質(zhì)量以及成本也會相應(yīng)增加。電阻值的增加會提高傳感器的功耗，電感量的增加也會限制線圈的驅(qū)動頻率叭因此，選擇線圈匝數(shù)，需要結(jié)合功耗、驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、分體式安裝時的*長距離和成本等參數(shù)進行綜合考慮。
3. 2磁導(dǎo)率
加人磁導(dǎo)率高的導(dǎo)磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有效利用馬鞍型線圈產(chǎn)生的磁場，提高管道內(nèi)磁感應(yīng)強度7。本文采用了硅鋼片作為導(dǎo)磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈包圍，進行Maxwell仿真和試驗室流量標(biāo)定。Maxwell仿真表明，加了硅鋼片以后，硅鋼片內(nèi)部磁力線明顯更加密集，硅鋼片外部只存在少量磁力線，沿電極連線磁感應(yīng)強度平均增加約12% ,沿管道內(nèi)壁磁感應(yīng)強度平均增加約20 % o
增益標(biāo)定值如表2所示，傳感器增益由78. 99增加到89. 00，提高了12.7 %。
3. 3線圈寬度
線圈寬度決定著磁場沿軸向分布范圍，線圈越寬，磁場分布越寬;線圈越窄，磁場分布越窄。標(biāo)準(zhǔn)線圈參數(shù)如表3所示。
線圈寬度與傳感器增益關(guān)系圖如圖3所示。對于6英寸傳感器，當(dāng)線圈寬度為標(biāo)準(zhǔn)值3. 32英寸時，傳感器增益為82. 62;當(dāng)線圈寬度下降至2. 49英寸(標(biāo)準(zhǔn)值的0.75倍)時，傳感器增益下降至70.94;當(dāng)線圈寬度下降至1.66英寸(標(biāo)準(zhǔn)值的0. 5倍)時，傳感器增益下降至55. 62;當(dāng)線圈寬度下降至0. 83英寸(標(biāo)準(zhǔn)值的0. 25倍)時，傳感器增益下降至37. 48?？梢钥闯觯瑐鞲衅髟鲆媾c線圈寬度成正比。
4傳感器長度
理論上，在線圈參數(shù)不變的前提下，傳感器長度越長，有效磁場越大;但加長傳感器長度會增加成本。為了既有效利用線圈產(chǎn)生的磁場，又要使傳感器較短、設(shè)計較為經(jīng)濟，需為傳感器選擇合適的長度8。
采用一臺日徑為6英寸、標(biāo)準(zhǔn)線圈的傳感器，改變傳感器長度，依次進行試驗室標(biāo)定試驗。傳感器長度與增益的關(guān)系圖如圖4所示。當(dāng)傳感器長度為9. 1英寸時，其增益為61. 03;但當(dāng)其長度繼續(xù)增加時，增益變化較小;當(dāng)其長度6. 1英寸減小到0時，增益從59. 33開始下降。也就是說，當(dāng)傳感器長度為6. 1-9. 1英寸時，既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場，又可使傳感器長度較短。
需要注意的是，同樣一組線圈安裝在不同日徑的管道上，由于兩個線圈之間的距離不同，其磁場分布大日徑要比小日徑窄9。如果采用正常的傳感器設(shè)計，不可能實現(xiàn)傳感器長度小于線圈寬度，所以本文采用塑料管道作為主管道、金屬薄管從兩頭內(nèi)插人的設(shè)計進行試驗io。
5結(jié)束語
通過以上分析、仿真和試驗室標(biāo)定，證明了傳感器靈敏度跟線圈匝數(shù)和線圈寬度成正比導(dǎo)磁材料硅鋼片能有效增強磁感應(yīng)強度;對于6英寸傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)線圈，其寬度為4.76英寸，當(dāng)傳感器長度為6.1一9.1英寸時，增益較大，此時既有效利用了線圈產(chǎn)生的磁場，又實現(xiàn)了經(jīng)濟設(shè)計的目標(biāo)。在給定傳感器日徑和線圈驅(qū)動電流的情況下，本文研究為傳感器靈敏度設(shè)計提供參考。
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