新型双向流量计磁导率和几何参数对流量输出电压信号的影响*

李华志 梁前超 崔汉国

(海军工程大学动力工程学院，武汉 430033)

0 引言

新型双向流量传感器如图1所示，由等径圆形测量管、导磁体小球(环形限位导轨)、检测装置(内为永磁体及线圈)和对称导流翼和旋流发生翼组成，其与涡轮流量计、电磁流量计等常见流量计[1]最大的不同在于其流量传感器的结构和流量信号获取方式不同，其流量信号由导磁体小球转动切割管外磁线圈产生的电脉冲信号频率表征，二次信号处理部件对电脉冲信号进行分析、积算就可得到流体体积流量信号。

图1 双向流量计结构图

影响流量测量精度的问题存在两个方面：一是信号处理方法的研究[2,3]；二是基于传感器本身的结构优化和介质特性，这些问题同样存在于电磁流量计[4，5]和涡街流量计[6,7]中。在新型双向流量传感器中，由于其特殊的流量信号激发方式，其流量传感器部件的几何参数和磁特性对磁线圈产生的电脉冲信号有较大影响，为了优化其设计参数，改善信号输出质量，本文将基于新型双向流量传感器的结构采用Ansoft Maxwell对其中轴、测量管、小球、磁线圈等部件的磁导率和几何参数对检测装置内磁线圈输出电压信号的影响进行仿真分析。

1 理论分析与仿真模型

1.1 理论分析

根据图1所示结构及上述说明，设检测装置中线圈的匝数为N，则根据电磁感应定律，线圈中的感应电动势e决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即：

(1)

e=NBlv=NBlwballrsin(wballt)

(2)

式中：B为定子等效磁感应强度，与测量管材质、导磁体参数有关；l为小球切割磁场的有效长度，与小球的半径等几何参数有关；v为小球与磁场的相对运动速度；r为转动区域等效半径，与测量管内径、小球距中心位置有关；t为运行时间。

由式(2)可以看出，线圈中输出的电压信号与线圈匝数、永磁体磁感应强度、小球半径大小、小球转动速度、测量管材料和内径、小球距中心位置等均有关。在实际对流体流量信号的提取过程中，并不要求得到线圈输出电压信号的准确值，只须对该脉冲信号进行有效计数，而要对该感应电压信号进行有效计数，脉冲信号必须能有效析出，其最基本、最经济的方法是使有效信号与扰动杂波的幅值、频率等有明显区别。下面将建立二维仿真模型，研究影响线圈输出电压信号的各种影响，得到新型双向流量传感器内部部件几何参数和材料参数的设计准则。

1.2 仿真模型及仿真参数

针对图1中的结构，建立图2所示的二维研究模型。仿真基本参数为：测量管外径Rpipe为52mm，测量管内径rpipe为46mm，其厚度Tpipe=6mm；中轴的半径rshaft=8mm；小球半径为rball为10mm；管内运动场与管外静止场之间分界面bond的半径为45.5mm；外部空气层半径Router为70mm；线圈绕在永磁体上与中轴中心的距离D为49mm，即测量管最薄处厚度dpipe只有3mm；永磁体宽度w为8mm。从Ansoft材料库中选择部件材料，线圈为Copper，小球为Iron，测量管为Bronze，中轴为Steel_1008，内部被测介质为Water-sea，其它默认为空气。在Ansoft中选择永磁体材料且赋值Br=1.2581T，Hcj=47100A/m，磁化方向为Y轴正向。采用瞬态分析方法仿真分析小球以M=100r/min旋转时在管外磁线圈中产生的电压信号。在下面的仿真中，所有材料的磁导率均为相对磁导率，符号为μrx，下标X设置为pipe、ball、shaft、outer、mediu分别表示测量管、小球、中轴、测量管外部及被测介质的磁导率。

图2 仿真模型示意图

2 特性参数仿真及结果分析

在下面某一项特性参数的变化仿真过程中，均以上述参数基本值，在参数变化过程中，除非另有说明，不改变材料的其它值(如密度、导电率等)，只改变目标参数值。

2.1 中轴参数变化影响

1)磁导率变化产生的影响

编辑新材料改变中轴材料特性使其磁导率分别为1000、10和1时，磁线圈输出的感应电压信号如图3所示。

图3 中轴磁导率μshaft变化后线圈输出电压信号

由图3可以看出，中轴的磁导率越大，外部磁线圈中输出的感应电压信号越大，但磁导率为10和为1000其输出脉冲波幅值差别不到5mV。

2)中轴半径变化产生的影响

半径缩小为原来0.8倍、0.64倍后线圈输出脉冲信号如图4所示。

图4 中轴半径rshaft变化后磁线圈输出电压信号

图5 测量管磁导率μpipe变化后磁线圈输出电压信号

从图4中可以看出，中轴半径越大，其输出电压信号电压脉冲幅值越大。

2.2 测量管参数变化影响

1)磁导率变化产生的影响

bronze的磁导率为0.999991，更改材料磁导率分别为100和10，线圈输出电压信号见图5。

图5中可以看出，当测量管选用磁导率为100的材料后，磁线圈输出电压脉冲信号幅值不到1.5mV,而当μpipe=10时，其幅值不到30mV。将图5与图3、图4对比，知测量管不能选用磁导率较大的材料制造。

2)测量管厚度的影响

恢复测量管磁导率为1，测量管内径为46mm保持不变，将外径由原来的52mm增至53mm和55mm，线圈输出电压信号见图6。

图6 增加测量管厚度Tpipe后磁线圈输出电压信号

从图6中可以看出，随着测量管厚度Tpipe的增加，磁线圈输出电压信号幅值越小，但是将图6和图3、图4和图5相比，可以发现其波形变平滑。鉴于测量管厚度7mm和9mm两者输出图形几乎相同，但从两者材料加工及经济性比较显然越薄越好，因此在下面的仿真中将更改基本参数，即中轴为steel_stainless材料，测量管为bronze，其磁导率均为1，测量管厚度Tpipe为7mm。

2.3 永磁体参数变化的影响

永磁体参数变化与其它部件参数变化不同，此时仿真在测量管外径变为53mm的情形下进行；并且只考虑两种情况：1)永磁体向上移动使测量管最薄处厚度dpipe=4mm，此时永磁体距小球距离增加1mm；2)永磁体宽度增加，将永磁体关于Y轴两侧各增加1mm，即其宽度wPM变为10mm，此时线圈输出电压信号见图7。

图7 永磁体参数变化后线圈输出电压信号

从图7可以看出：最薄厚度越大其输出电压信号幅值越小；永磁体宽度越大其输出电压信号幅值越大。

2.4 小球参数变化影响

本双向流量计系统最显著的特点就是一种新的流量信号获取方式，即采用导磁体小球切割场外磁线圈以产生流量表征信号，因此小球是整个流量传感器正常工作的核心部件。根据上面三节的研究，下面的仿真模型基于2.3中的模型上进行。同时，为了方便后续信号处理电路对扰动信号的处理，有必要对小球内全为空气时产生的基波信号进行研究，此时产生的信号可定义为原理性扰动信号。

1)小球半径变化的影响

图8为小球的半径变为原来0.80倍和0.64倍后磁线圈输出电压信号。从图8中可以看出，随着小球半径的变小，磁线圈输出电压信号幅值也变小。

图8 小球半径rball变化时导磁线圈输出电压信号

图9 不同小球磁导率μball时线圈输出电压信号

2)小球磁导率变化的影响

小球磁导率分别为1000和100时，磁线圈输出的感应电压信号如图9所示。从图中可以看出，二者几乎没有变化。

3 结论

本文对新型双向流量计的测量原理进行了理论研究，得到以下结论：

1)中轴的半径越大，磁导率越大，外部磁线圈输出感生电压信号越大；

2)测量管的磁导率和管壁厚度均对外部线圈输出电压信号的幅值有较大影响，当测量管磁导率越大，磁线圈输出电压信号幅值越小；测量管管壁厚度越大，磁线圈输出电压信号幅值越小，同时通过研究发现，增加管壁厚度对抑制扰动信号具有较明显的作用，当管壁厚度由6mm增加为7mm时外部磁线圈输出电压信号扰动脉动量明显减小，输出电压信号平滑；

3)永磁铁体积越大，外部磁线圈输出感生电压信号越大；永磁体安装位置距小球越远，外部磁线圈输出感生电压信号越小；

4)导磁体小球的半径越大，小球导磁性能越强，外部磁线圈输出感生电压信号越大。

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