Study on the Magnetic Excitation Subsystem of Electromagnetic Transducer with Locally Shrunk Measurement Pipe

LIU Tiejun，GONG Tongsheng，CHEN Yinjia

(College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Study on the Magnetic Excitation Subsystem of Electromagnetic Transducer with Locally Shrunk Measurement Pipe

LIU Tiejun*，GONG Tongsheng，CHEN Yinjia

(College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

To optimize the design of the electromagnetic flow transducer with a locally shrunk pipe，experimental study was carried out to verify how the property of the transducer is affected by the turn numbers of the excitation coil and the dimensions of the electrodes.General guidelines was given on the design of the excitation coil and the electrodes.A prototype flow meter was developed and tested.The experiment result shows that the prototype has the precision better than 0.5%over the specified measurement range.Powered with a set of lithium battery，the prototype can work continuously for more than 3 years.The feasibility of the proposed design was proved.

electromagnetic flowmeter;locally shrunk pipe;velocity distribution;power-consumption

电磁流量计广泛应用于导电流体的体积流量测量。近期与之相关的研究工作主要集中于电磁流量计的低功耗设计与低电导率流体和多相流的测量等方面。电池供电的低功耗电磁流量计是研究热点之一［1－5］。

电磁流量计的功耗主要包括励磁电路功耗和信号处理电路功耗，在数值上前者远大于后者。信号处理电路低功耗设计的主要技术措施是选用低电压、微功耗的电子元件并使测量电路间歇性地工作，在测量间隙进入微功耗休眠状态［5－8］。电磁流量计励磁电路的低功耗设计问题比较复杂，要保证在励磁电流显著减小时其输出灵敏度与常规电磁流量传感器的灵敏度相当甚至更高，必须对传感器的结构和材料方面进行优化设计［7－9］。

本文针对励磁线圈匝数及采样电极形状尺寸对异径管电磁流量传感器输出灵敏度和测量精度的影响进行了实验研究。根据实验数据提出了励磁线圈和采样电极设计的一般性指导原则，进而得到了异径管电磁流量传感器的优化设计方案。制作了电磁流量传感器与微功耗的信号处理电路相结合的电池供电电磁流量计样机。对电磁流量计样机进行了测试，测试结果验证了新型低功耗电磁流量计设计方案的可行性。

1 异径管电磁流量传感器工作原理

电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律工作的，均匀圆管电磁流量计的测量原理可以表示为［10］:

式中:Ei为测量电极上的感应电动势;B为磁感应强度;D为两测量电极之间的距离(测量管内径); Vav为管道横截面上的平均流速。

电磁流量传感器的异径测量管在入口和出口横截面积一定的情况下，在测量电极附近的管段收缩为具有较小横截面积的细管从而提高电极附近的局部流速，以一定的压力损失为代价达到提高传感器测量灵敏度的目的［7］。异径管道的测量段采用矩形截面设计时，在均匀励磁磁场作用下从矩形平板电极对上取出的感应电动势与管道横截面上的流速分布无关［11－12］，这会给励磁线圈设计、加工带来诸多便利并有利于提高流量计的测量精度。图1所示为具有局部矩形截面的测量管的三维模型。

图1 异径测量管三维模型

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:

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［8］，磁感应强度B的大小为:

由式(4)可知，磁感应强度B与励磁电流成正比，与磁路的平均长度L成反比。

设测量管入口直径为D，收缩为矩形截面的测量段宽度为D，若收缩段的截面积是入口处的0.25倍，可得矩形截面的高度为:

对于水一类非压缩流体收缩段的平均流速是入口流速的4倍，即:

假设磁路与管道内壁间的距离为hw，则缩径方管和均匀圆管其磁路平均长度L分别为h+2hw和D+2hw。在励磁线圈匝数同为N，励磁电流同为I时，可粗略估计得到在缩径管矩形截面部位的励磁磁场强度约为:

以入口处内径50 mm的测量管为例，D为50 mm，h为12.5 mm，hw的典型值为8 mm，将上述数据代入式(9)可知，异径管传感器与测量管为均匀圆管的传统设计相比，传感器测量灵敏度可提高8倍以上，为减小励磁电流来降低流量计功耗提供了可能性。

2 取样电极尺寸和励磁线圈匝数的影响

为了优化异径管电磁流量传感器的设计，制做了局部管段具有矩形截面的异径测量管传感器样机。测量管入口为内径50 mm圆管，总长度200 mm;缩径部分截面为高15 mm、宽37 mm的矩形，缩径部分长度为60 mm。1号电极为直径6.5mm的圆形点电极，2号到6号电极为矩形平板电极，电极材质为不锈钢。2号电极长15mm，高13mm;3号电极长25 mm，高13 mm;4号电极长32 mm，高13 mm;5号电极长60 mm，高13 mm。励磁线圈是一对矩形线圈，一对E形铁芯使外围磁路闭合并达到提高测量管内磁场强度的目的。线圈骨架长52 mm、宽46 mm、厚22 mm，内孔为长32 mm、宽26 mm的矩形。Ⅰ型线圈用直径0.6 mm漆包线绕120匝;Ⅱ型线圈用直径0.4 mm漆包线绕250匝。励磁线圈在电极对附近区域可生成一个近似均匀分布的励磁磁场。线圈、铁芯、平板电极在管道上的相对位置关系如图2所示。

图2 电极与线圈铁芯的位置关系

首先在水流量标定装置上基于标准表对比法对某厂生产的50 mm口径均匀圆管点电极电磁流量计商品样机进行测试，标准表为德国Krohne公司生产的精度0.2%的电磁流量计。测试结果表明商品样机精度为0.5%，转换器仪表系数为0.952 2。

异径测量管配合不同规格的励磁线圈和采样电极构成电磁流量传感器，与商品样机的信号转换器组合为流量计样机。对这些样机采用标准表对比法在水流量标定装置上进行测试，标准表仍为德国Krohne公司生产的精度0.2%的电磁流量计，测试结果如表1和表2所示。

表1 基于1号线圈的样机数据

表1中的实验数据表明，采用异径测量管的电磁流量传感器的灵敏度普遍高于商品样机中传感器的灵敏度(仪表系数越小表明传感器输出灵敏度越高)。在励磁线圈形状尺寸一定时，异径管电磁流量传感器选用平板电极比选用点电极时测量输出的稳定性更好，反映在样机测量精度更高。平板电极的尺寸越大传感器输出灵敏度越低，这是因为励磁磁场不是绝对均匀的，线圈铁芯的聚集作用使得电极中心对应的位置磁场更强些。电极长度增加，平板电极包围的空间内平均磁场强度反而降低了。而且电极尺寸加大后，磁场分布的均匀性越差，流量测量误差也变大。综合考虑传感器灵敏度和测量误差，采用2号电极时测量效果更好一些。

表2中的实验数据表明，在电极型号一定时，异径管电磁流量传感器选用匝数较多的Ⅱ型线圈可获得更高的输出灵敏度和流量测量精度。

表2 基于2号线圈的样机数据

励磁线圈的形状尺寸受异径测量管的形状尺寸及传感器整体尺寸等设计要求的限制。励磁线圈形状尺寸确定后，应在满足励磁电流、线圈内阻等条件下尽可能增加线圈匝数。励磁线圈采用E形铁芯时磁场分布主要集中于磁芯中部面向管道的开口部位，平板电极在沿流体运动方向上应近似铁芯尺寸的二分之一。

3 样机和实验结果

基于以上分析，由前述异径测量管配合2号平板电极和Ⅱ型励磁线圈组成优化的电磁流量传感器样机，如图3所示。

图3 异径管电磁流量传感器样机

为与异径管电磁流量传感器配合使用开发了微功耗的测量电路。测量电路包括电源模块、励磁电路模块、A/D采样模块、时钟模块、空管检测模块、液晶显示模块、脉冲输出模块、按键输入模块、存储电路等。测量电路主以微功耗微处理器MSP430F5418A和微功耗A/D转换芯片AD7193为核心，外围电路全部由低电压微功耗器件构成。MSP430F5418A通过控制桥式芯片ZXMHC3A01N8实现正反向励磁，读取A/D转换结果，实现流量积算，并协调各外围模块的工作时序。从锂电池输出的3.6 V电源由高效率DCDC开关变换电路生成7.5 V为励磁部分供电，由微功耗低压差稳压器变换出3.0 V为其余电路供电。各模块不工作时切断电源进入待机模式。

测量电路工作电流(不包含励磁电流)小于10 mA，静态电流小于20 μA。励磁电流波形为峰值50 mA的方波，每次测量正反向励磁各50 ms，每3 s测量一次。样机平均工作电流和一年的能耗为:

样机采用6节高能锂电池供电，单节电池容量8 500 mAh，更换电池后样机可连续工作三年以上。

在水流量标定装置上对原型样机采用称重法进行了测试，标定装置精度为0.1%，测量对象为普通工业用水，设定流速测量范围0.1 m/s～5 m/s，实验数据如表3所示。实验数据表明，样机精度优于±0.5%，满足设计要求。

表3 样机实验数据

采用ROSEMOUNT公司的差压变送器3051CD对电磁流量计样机的压力损失进行了在线测量。差压变送器量程设定为100 kPa，精度0.065%。压力损失实验数据如表4所示。从实验数据可知，在达到流量上限时样机的压力损失仍远远小于冷水水表检定规程GB/T 778.1—2007所规定的0.063 MPa压力损失上限［13］。

表4 压力损失实验数据

4 结论

采用局部为矩形截面的异径测量管可提高电磁流量传感器的灵敏度，在测量电路灵敏度一定的条件下可显著降低电磁流量计的功耗。异径管电磁流量传感器采用矩形励磁线圈和矩形平板电极时性能较好。一般而言增加励磁线圈匝数有利于提高传感器的灵敏度。但线圈匝数的确定应兼顾传感器总体尺寸的要求，线圈漆包线的电流容量和线圈工作时的散热要求等因素。电极尺寸应以不超出线圈磁场近似均匀部分的分布范围为原则。根据这些原则制作了电磁流量传感器和流量计样机并进行了实验分析，样机测量精度和功耗均满足电池供电电磁流量计的设计要求，验证了所提设计方案的可行性。

［1］Katutis R，Vaikasas R，Virbalis J A.The Battery-Driven Electromagnetic Flow Converter with Reduced Power Consumption［J］.E-lectronics and Electrical Engineering，2010(1):53－56.

［2］Padegimas R，Virbalis J A，Vaikasas R.Selection of the Magnetic Circuit Design for Electromagnetic Fluid Flow Converter with Rectangular Channel［J］.Electronics and Electrical Engineering，2006 (3):41－46.

［3］Steven Bruce Rogers.Velocity-Enhanced Flow Measurement［P］.US Patent No.20090326839A1.

［4］Colin J B，Roger B T.Fluid Flow Studies Associated with a New E-lectromagnetic Flow Meter［J］.Measurement，2003(33):85－94.

［5］靳笑宇，苏兆棠，莫德举.便携式低功耗电磁流量计测量电路设计［J］.仪器仪表用户，2005(1):23－25.

［6］丁立申，吴国玢.微流量智能电磁流量计研究［J］.上海理工大学学报，200，22(1):29－34.

［7］刘铁军，宫通胜，陈寅佳.具有异径测量管的低功耗电磁流量计研究［J］.传感技术学报，2013，26(3):348－352.

［8］李长奇，张亚先，孙丽梅，等.电磁流量计的电池供电励磁技术［J］.数字技术与应用，2009(8):11－12.

［9］Li Bin，Yao Jun，Li Xia.The Analysis and Application of the RectangularElectromagneticFlowmeter［C］//Proceedingsof IMTC2003-Instru-Mentation and Measurement Technology Con-ference.Vail Co USA，20－23 May 2003:490－494.

［10］蔡武昌.电磁流量计［M］.北京:中国石化出版社，2004.

［11］Bevir M K.The Theory of Induced Voltage Electromagnetic Flow Meter［J］.Fluid Mechanics，1970，43(3):577－590.

［12］Smyth C C.Derivation of Weight Functions for the Circular and Rectangular Channel Magnetic Flowmeters by Means of Green’s Theorem and Conformal Mapping［J］.Physics E:Scientific，Instrument，1971(4):47－52.

［13］GB/T 778.1—2007封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表第1部分:规范［S］.北京:中国标准出版社，2007.

刘铁军(1967－)，男，2006年毕业于浙江大学信息学院控制科学与工程系，获工学博士学位。现为中国计量学院讲师，研究领域为流量测量技术及传感器信号处理，tjliu@cjlu.edu.cn。

异径管电磁流量传感器励磁系统研究

刘铁军*，宫通胜，陈寅佳
(中国计量学院计量测试工程学院，杭州310018)

为优化具有异径测量管的电磁流量传感器的设计方案，对传感器励磁线圈匝数和采样电极的形状尺寸与传感器特性的关系进行了实验研究。根据实验结果给出了异径管电磁流量传感器励磁部分设计的一般性指导原则。设计制作了电池供电的电磁流量计原型样机并对样机进行了测试.测试结果表明样机测量精度在全量程范围内优于±0.5%，采用高能锂电池组供电可连续工作三年以上，验证了本文所提设计方案的可行性。

电磁流量计;异径管道;流速分布;功耗

TH814.93

A

1004－1699(2014)04－0495－05

2013－12－26修改日期:2014－03－31

C:5140;7320W

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.014