电磁流量传感器灵敏度研究

史晓春，杨慧佳，黄有军

(艾默生过程控制流量技术有限公司，江苏 南京 211100)

电磁流量传感器灵敏度研究

史晓春，杨慧佳，黄有军

(艾默生过程控制流量技术有限公司，江苏 南京 211100)

根据电磁流量计的测量原理以及磁路欧姆定律，分别对影响传感器灵敏度的线圈匝数、磁导率、线圈宽度和传感器长度等因素进行了分析、仿真和标定。试验结果表明，传感器灵敏度与线圈匝数和线圈宽度成正比；导磁材料硅钢片能有效增强磁感应强度。Maxwell仿真表明，增加了硅钢片之后磁感应强度沿电极连线增强约12%，沿管道内壁增强约20%，传感器增益标定值提高12.7%；对于6英寸传感器，采用标准线圈。当传感器长度为6.1～9.1英寸时，既有效利用了线圈产生的磁场，又实现了最经济设计。

电磁流量计； 变送器； 传感器； 灵敏度； 励磁； 磁感应强度

0 引言

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流量的仪表。由于其具有无压损、可测流量范围宽、被测液体温度范围宽、成本低等特点，已被广泛应用于水和废水处理、矿业和冶金、食品和饮料、造纸、电力等工业领域中，用来测量自来水、污水、矿浆、啤酒、果汁、纸浆、泥浆等各种酸、碱、盐溶液[1]。电磁流量计由传感器和变送器组成，传感器将管道中流体的流速转换为电信号，通过电极把电信号引入变送器，变送器对电信号进行放大调理并转换成标准电信号输出。传感器主要由磁路系统和电极等组成，磁路系统产生磁场，流体流过磁场切割磁力线产生电动势，电极将产生的电动势引入变送器。该电动势极其微弱，一般在0.2～0.4 mV/(m/s)的范围之间，无法直接测量。对于不同尺寸的传感器要求得到相同的灵敏度，或者已知要求的灵敏度如何设计传感器就成了亟待解决的问题。

1 测量原理

根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动且切割磁力线时，在导体两端便会产生感应电动势。电磁流量计工作原理如图1所示。

图1 电磁流量计工作原理示意图

设在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，内表面加绝缘衬里。当导电的液体在管道中流动时，导电液体就切割磁力线，因而在和磁场及流动方向垂直的方向上将产生感应电动势E。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，可以证明，只要管道内流速v为轴对称分布，两极之间就会产生感应电动势：

E=B×D×v

(1)

由此可得管道的体积流量为：

Q=πD2v/4

(2)

综合式(1)、式(2)，得：

(3)

式中：K为仪表常数，在管道直径D已确定并维持磁感应强度B恒定时，K是一个常数。此时感应电动势与体积具有线性关系[2]。

2 传感器励磁理论基础

电磁流量传感器励磁回路中线圈匝数N、励磁电流I和磁通势F的关系为：

F=N×I

(4)

(5)

式中：Rm为磁阻;μ为磁导率;S为磁路的横截面积;L为磁路平均长度。

根据磁场的欧姆定律，磁感应强度B的大小为：

(6)

由式(6)可知，磁感应强度B与线圈匝数N、励磁电流I成正比，与磁路的平均长度L、磁导率μ成反比[3-4]。

3 影响电磁流量传感器信号强度因素

根据式(1)，在传感器尺寸一定的情况下，其灵敏度只与磁感应强度B有关。一般来说，同一系列的传感器将采用同一种驱动电流，根据式(6)，想要改变磁感应强度B，只能改变线圈匝数N和磁导率μ。磁场的覆盖范围(即线圈宽度)也会直接影响传感器的灵敏度[5]。

电磁流量传感器电极电压与流体流速成正比，当标定传感器时确定传感器增益和偏移量，从而确定电极电压跟流体流速之间的正比关系。传感器增益是反映传感器灵敏度的一个物理量，在相同的流速下增益越大，则灵敏度越高。

3.1 线圈匝数

对于一台口径为8英寸(1英寸=25.4 mm)的传感器，将线圈匝数从288匝改为230匝，其他参数不变，分别进行了Maxwell仿真和标定。仿真结果表明，288匝的磁力线明显比230匝的磁力线密，磁感应强度沿径向减少了约20%，沿管道内壁磁感应强度也减少了约20%。线圈匝数变化时传感器增益标定值对比如表 1所示。传感器增益从98.00下降到78.99，也相应减少了19.4%。

表1 线圈匝数变化时传感器增益标定值对比

仿真和试验结果表明，线圈匝数与磁感应强度成正比，改变线圈匝数会相应改变磁感应强度。也就是说，增加线圈匝数可以相应成比例地提高传感器灵敏度。当然，随着线圈匝数的增加，其电阻值、电感量、体积、质量以及成本也会相应增加。电阻值的增加会提高传感器的功耗，电感量的增加也会限制线圈的驱动频率[6]。因此，选择线圈匝数，需要结合功耗、驱动电压、驱动频率、分体式安装时的最长距离和成本等参数进行综合考虑。

3.2 磁导率

加入磁导率高的导磁材料会改变线圈的磁力线分布，能有效利用马鞍型线圈产生的磁场，提高管道内磁感应强度[7]。本文采用了硅钢片作为导磁材料，其紧贴线圈和管道外壁，将线圈包围，进行Maxwell仿真和试验室流量标定。Maxwell仿真表明，加了硅钢片以后，硅钢片内部磁力线明显更加密集，硅钢片外部只存在少量磁力线，沿电极连线磁感应强度平均增加约12%，沿管道内壁磁感应强度平均增加约20%。

增益标定值如表2所示，传感器增益由78.99增加到89.00，提高了12.7%。

表2 增益标定值

3.3 线圈宽度

线圈宽度决定着磁场沿轴向分布范围，线圈越宽，磁场分布越宽；线圈越窄，磁场分布越窄。标准线圈参数如表3所示。

表3 标准线圈参数

传感器装配如图2所示。

图2 传感器装配示意图

线圈宽度与传感器增益关系图如图3所示。对于6英寸传感器，当线圈宽度为标准值3.32英寸时，传感器增益为82.62；当线圈宽度下降至2.49英寸(标准值的0.75倍)时，传感器增益下降至70.94；当线圈宽度下降至1.66英寸(标准值的0.5倍)时，传感器增益下降至55.62；当线圈宽度下降至0.83英寸(标准值的0.25倍)时，传感器增益下降至37.48。可以看出，传感器增益与线圈宽度成正比。

图3 线圈宽度与传感器增益关系图

4 传感器长度

理论上，在线圈参数不变的前提下，传感器长度越长，有效磁场越大；但加长传感器长度会增加成本。为了既有效利用线圈产生的磁场，又要使传感器较短、设计较为经济，需为传感器选择合适的长度[8]。

采用一台口径为6英寸、标准线圈的传感器，改变传感器长度，依次进行试验室标定试验。传感器长度与增益的关系图如图4所示。当传感器长度为9.1英寸时，其增益为61.03；但当其长度继续增加时，增益变化较小；当其长度6.1英寸减小到0时，增益从59.33开始下降。也就是说，当传感器长度为6.1～9.1英寸时，既有效利用了线圈产生的磁场，又可使传感器长度较短。

图4 传感器长度与增益关系图

需要注意的是，同样一组线圈安装在不同口径的管道上，由于两个线圈之间的距离不同，其磁场分布大口径要比小口径窄[9]。如果采用正常的传感器设计，不可能实现传感器长度小于线圈宽度，所以本文采用塑料管道作为主管道、金属薄管从两头内插入的设计进行试验[10]。

5 结束语

通过以上分析、仿真和试验室标定，证明了传感器灵敏度跟线圈匝数和线圈宽度成正比；导磁材料硅钢片能有效增强磁感应强度；对于6英寸传感器，采用标准线圈，其宽度为4.76英寸，当传感器长度为6.1～9.1英寸时，增益较大，此时既有效利用了线圈产生的磁场，又实现了经济设计的目标。在给定传感器口径和线圈驱动电流的情况下，本文研究为传感器灵敏度设计提供参考。

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[10]贠书文,赵亮,张俊武.整流器和传感器一体化的电磁流量计[J].中国仪器仪表,2010(4):61-63.

Research on the Sensitivity of Electromagnetic Flow Sensor

SHI Xiaochun,YANG Huijia,HUANG Youjun

(Emerson Process Management Flow Technologies Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China)

According to the measuring principle of electromagnetic flowmeter and the magnetic Ohm's Law, the factors that affect the sensitivity of sensor are analyzed, simulated and calibrated; these include the number of coil turns, magnetic permeability, coil width and length of the sensor. The results show that the sensitivity of sensor is proportional with the number of coil turns and coil width; the permeable material silicon steel sheet can effectively enhance the magnetic induction intensity. The Maxwell simulation shows that after silicon steel sheet being added, the magnetic induction intensity is strengthened by about 12% along the connection of electrodes, and by about 20% along the pipe inner wall, and the calibrated gain value increases 12.7%. For a 6 inches sensor with standard coil, when the sensor length is between 6.1 to 9.1 inches, the magnetic field generated by the coil is effectively utilized, and the most economical design is also realized.

Electromagnetic flowmeter;Transmitter;Sensor;Sensitivity;Excitation;Magnetic induction instensity

史晓春(1979—)，男，硕士，工程师,主要从事电磁、涡街流量检测技术的研究。E-mail:shi-xc@163.com。

TH814;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703027

修改稿收到日期:2016-08-12