用霍尔传感器测量磁力搅拌器转速的方法探索

吴郅俊，冯涵，闫菁，崔娜

（云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228）

磁力搅拌器是一种利用磁力线的相互作用产生高速旋转的流体，由于其结构简单、能耗低、结构紧凑、性能稳定可靠、使用维修方便等特点成为目前工业上必不可少的一种搅拌设备。在对磁流变液进行研究时，需要测量出不同工况下磁场分布情况和磁场强度大小，为进一步设计提供依据。而现有的测量方法大多采用接触式测量方式，精度不高并且不能满足工程应用要求。因此，研制非接触检测系统具有重要意义。通过对磁致伸缩效应原理的分析以及磁性液体工作特性的研究，可以得出磁通量与温度之间存在线性关系。基于此，提出了磁流密度测量法，以达到快速准确测量的目的。

1 磁力搅拌器转速测量概述

磁力搅拌器是一种简单、经济、可靠和安全的方法，用于在流体中形成流体对流。可以将两个不同的磁力相互混合，以产生有意义的流体接触，这是许多不同流体的混合之一。当它们相互混合时，它们之间的相互作用力在磁场中产生了动力。这样，在流体流动中，通过磁力搅拌器使物体产生了动能。由于磁力搅拌器在流体的流动中产生了巨大的作用，因此可以用于测量流体中产生动能的能力。我们可以测量液体中动能或磁场中动能，这些能量可以通过选择合适的测量传感器和使用合适且可靠的测量方法得到。磁力搅拌器测量原理和特点：磁性搅拌器用于测量流体中动能和磁场中能量对流体运动的影响。当磁性搅拌器轴与容器或壳体产生磁力作用时也会产生动能。

磁力搅拌器是一种通过磁滞原理在搅拌过程中，流体在静止时受到强大的压力，使水分子相互碰撞而产生一股强大力，这就是我们常说的推动力。这种推动力使得液体和空气或者液体，都能通过不同的介质形成旋转。在搅拌器工作过程中由于搅拌介质的不同而产生了不一样的状态。可以形成两种压力差，达到流体之间的动压差，从而实现自控的目的。而这些动压差可以用来测量流体之间的动力距离和时间以及转速。

2 霍尔传感器测量磁力搅拌器转速研究现状

磁力搅拌器内磁场分布会影响搅拌时流体对外界压力及流体内阻等参数，进而影响磁力搅拌速度。若磁场分布不尽合理，流体就不能传递热量。对电流信号，可通过改变磁力搅拌器中电流的分布来调整；而对于磁力搅拌器来说，电流通过的位置以及磁场分布都会影响磁力搅拌的过程。按照磁力搅拌器的内阻值，可以将磁力搅拌器划分为三类：第一，是金属磁流体内阻；第二，固体磁力搅拌器的内阻；第三，磁场的感应强度。金属的磁化强度为0、0.01、0.06 和0.09 单位次级感应强度。按照这一分类体系，磁感应强度可以分为“弱磁”与“强磁”两大类型。在强磁场中，磁力搅拌器永磁体在磁场中起着巨大作用：当磁场较强时，磁力作用空间区域会使磁场扩散，进而形成强磁场，使磁场方向发生变化，导致磁力旋转叶片与流体之间互相运动，产生旋转搅拌；同时，磁场与磁力作用对流动介质有一定影响，使流动介质转动，引起磁场分布不均匀（即磁感应强度），即磁场作用下产生的电动势，对磁力搅拌器的速度也有影响；磁场分布主要受磁场分布特性影响并控制磁力搅拌器转速的测量精度和准确度，对不同磁力搅拌器在不同转速下存在较大差别，并由此确定磁场测量过程及结果的精度等诸多内容。因而就需要通过磁场分布来控制磁力搅拌器电流及磁场分布特征从而决定磁力搅拌转速。这些方法对磁力搅拌器技术将起到重要的作用，但也会产生较大的误差。为确保磁场强度能够满足搅拌转速精确测量仪表的稳定性与可靠性等要求，一般需研究磁场分布在磁力分布影响下磁场方向与磁场强度之间的关系以及其他一些影响因素，如磁场方向、磁场的分布状态等，例如，磁力搅拌器的速度及其磁力的大小是如何组合的，进而影响测量的精度都有很大的意义。

霍尔传感器是由两套磁极组成的固定器，霍尔元件镶嵌在陶瓷内部来获取磁场信息。测量时，磁极不动而感应器感应发出信号至电源，由此产生电信号M1 和M1，经A/D 变换输出电压。若被测量设备接收到的信号，输出信号与被测信号不一致，则说明该信号不正常。霍尔元件为硅材料。磁场改变时，即发生位移。霍尔传感器通过一定电流与磁场互相作用产生电流信号，其变化能够反映磁场的大小。霍尔传感器内的磁场可由霍尔元件表面磁极坐标的变化来决定霍尔转轴两端磁极旋转方向与速度。其中，磁场方向和速度传感器测得的速度快慢，以及速度和磁场的相对位置是相关的。在液体含杂质的情况下，磁场有磁场辐射；并且磁场强度也可用磁力线表示。按照磁场强度的不同，可以将其划分为磁场强度测量型与感应磁场强度测定型两种形式。

3 霍尔传感器测量磁力搅拌器转速工作流程

3.1 磁力搅拌器配置

磁力搅拌器是一种用于物料混合的液体搅拌器。它是一种具有旋转叶片与两个相同磁场的磁体的混合体。由于磁力搅拌器能有效地增加旋转转速，因此，在许多领域中被广泛使用。常见的磁力搅拌器有螺旋叶片和直管式两种。螺旋叶片主要用于对气体、液体、粉体的混合。（1）使用前的准备。将霍尔传感器安装在被测介质后，确保仪表处于静止状态，使仪表与被测介质处于相同的介质状态下，才能保证霍尔传感器不会出现被污损的现象。当霍尔传感器处于静止状态时，要确保仪表处于静态，否则，仪表内温度过高，会使霍尔传感器无法工作。（2）注意事项。当测量装置和霍尔传感器连接时，如果测量装置和霍尔传感器不连接，或者在霍尔传感器不工作时测量装置与霍尔传感器不连接时，要确保测量装置处于静止状态，然后把霍尔传感器接入测量装置中。当霍尔传感器工作时，测量装置发出的信号将被霍尔传感器接收，从而使测量装置与传感器的连接方式得以改变。如果霍尔传感器损坏或者在传感器安装位置有异物影响，要将其断开，以避免外部杂质对测量装置的影响。

3.2 混合液体控制

由于搅拌器转子转动时的惯性力，液体在转子中的运动速度与转子轴平行，即转子速度的大小和方向直接影响液体的运动速率。因此，为了提高搅拌器转子转速的控制精度和速度特性要求，对转子轴和磁力线进行了研究。基于转子轴的磁力线在混合搅拌器内流运动特性，采用有限元法对转子轴与磁力线进行了三维有限元分析，并对磁场、搅拌桨叶角、搅拌叶旋转方向及转速等参数进行了优化，以实现对磁力场参数的优化。（1）模型简化。对搅拌器转子模型进行简化，将其简化为平面，并对其进行网格划分，采用节点插值的方法将转子模型划分为两个区域；（2）建立有限元分析环境。以轴系为基本单元，并采用有限元分析软件ANSYS 的 LM 技术建立模拟搅拌器转子的三维实体模型；在ANSYS 中利用节点的插值方法设置步长，采用Floating进行步长处理，并定义步长；计算得到搅拌器转子的三维实体参数与搅拌桨叶直径、桨叶角、旋转方向等参数之间的关系式。考虑到磁力线对混合搅拌器的影响，将转子转速、搅拌叶转速及搅拌叶与搅拌轴的夹角均为45°，磁场为非高斯磁场，并进行了有限元分析。对搅拌叶与转子转速进行有限元分析。由于转子轴与磁力线在空间上成一定夹角，且两者之间存在接触。基于搅拌器转子和磁力线的三维有限元分析，可以得到以下结论：①随着搅拌叶旋转，磁场强度、流体速度场和搅拌叶转速均随之变化。②当转速增加时，转子磁场强度也随之增加。③磁场的存在可以提高转子的转速控制精度，即磁力线在不同位置时，转子速度的变化率不同。④对磁力线而言，当磁力线从中心位置向两侧扩展的过程中，磁场强度随深度增加而增大。⑤对搅拌器转子系统而言，搅拌叶旋转方向应与搅拌叶旋转方向相反。⑥在转子系统中加入轴向搅拌器，可以提高转子轴和磁力线速度场。

3.3 测量精度控制

传统磁力搅拌器存在很大的测量误差，这主要体现在两个方面：一方面,由于测量装置的不准确或者其他原因导致的误差；另一方面，使用环境条件不适宜所造成。如果传感器自身质量过大或设计不尽合理，就会造成测量误差越来越大。测量时，磁力搅拌器内腔应始终保持流动不变。若这时将液体温度降至一定水平，可减少混合过程中因混合而形成的黏性引起流体流动，进而形成涡流。

磁力搅拌器速度测量准确性受到多种因素影响，其中包括：（1）传感器材料对速度测量准确性的影响：霍尔传感器所处环境对于传感器电感质量和传感元件存在不同程度谐波振荡均造成了影响。若谐波不严重，会造成霍尔转速测量准确度下降，并且在测量时需要把电磁信号转换为电信号才能达到霍尔传感器的输出。但若磁场强度小，则信号不稳定，同样影响测量精度。（2）安装误差，如传感器在测量过程中的安装位置和产生的误差。影响磁力搅拌器转速的最主要因素就是测量精度，所以，通常推荐10ms 内误差保持0.5ms。但对传感器误差进行控制，应从安装方面着手，以提高测量精度。

4 实验结果分析讨论

根据磁力搅拌器转速检测系统的测量过程，可以看出，霍尔传感器的测量性能主要包括位移响应时间、磁场强度与转速成正比。在测量过程中，位移响应时间越小，磁力搅拌器转速检测精度越高，反之，位移响应时间越长，磁力搅拌器转速检测精度越低。对于磁力泵转子磁场的研究和计算，认为这种磁力搅拌器的转速与磁场强度呈线性关系，不同类型的磁场对于磁力矩密度及涡旋方向有明显的作用，涡旋的速度正比于磁矩，涡速磁场随着温度的升高而升高。所以，温度作为其中的一个影响因素，就是磁力特性，涡旋旋转引起的磁通量的大小与其所占比例之间的关系，磁力转速和磁力作用等因素的变化规律还和转速有关：转速越高，磁力生成越多，不同磁力比下的磁能密度越大，磁极数越多，与电流密度具有正相关性，和流体速度负相关，和磁头的中心距呈正比关系，磁力搅拌器的转速随磁场强度的提高而提高。

5 结语

综上所示，磁力搅拌器是一种在磁力作用下，能够产生涡流和流体流动，从而实现流体的剪切和搅拌等多种作用的装置。流体经过磁力搅拌器后，通过流体压力和内阻进行混合并达到一定平衡。搅拌是将流体与外界机械力之间产生作用，使流体运动或液体产生涡流和湍流等一系列物理现象。搅拌是在磁力作用和搅拌作用中产生各种物理现象。如果磁力搅拌器转速不准确或测得不准，就会造成实际应用上的困难和事故。因此，对磁力搅拌器转速进行测量是一个非常重要并且十分重要的一环。