摘要:爲了(le)實現電磁流量(liàng)計 的低功耗，提(tí)出一種具有異(yì)徑測量管道的(de)電磁流🔅量傳感(gǎn)器方案。基于FLUENT軟(ruǎn)件對異徑測量(liang)管道内部流場(chǎng)進行了分析⛷️，該(gai)新型電磁流量(liàng)傳感器的勵磁(ci)效💯率和輸出靈(líng)敏度相比于傳(chuán)統設計有顯著(zhe)提高。
　　電磁流量(liang)計廣泛應用于(yú)導電流體的體(ti)積流量測💞量。随(suí)❗着電磁流量測(cè)量理論的成熟(shú)和電子技術不(bú)斷發🐇展， 低功耗(hào)電磁流量計 的(de)設計成爲該領(lǐng)域的研究熱點(dian)之一。國外廠家(jiā)率先推出了電(diàn)池供電的電磁(ci)流量計，極大地(di)拓寬了電磁🌈流(liu)量計的應用㊙️範(fàn)圍。國内科研人(rén)員也在相關💃領(ling)域進行了有😍益(yi)的探💜索。國内儀(yí)表廠家生産的(de)電磁流量計仍(réng)然具有🧡技術水(shui)平低、功耗較大(dà)等缺點🐉。鑒于國(guó)内市場對電池(chí)供電電磁流量(liàng)🧡計産品需求⚽迫(po)切，加強相關領(lǐng)域的研究、促💋進(jìn)國内電磁流量(liang)測量技術的⛱️進(jìn)步意義重大。
　　電(dian)磁流量計由電(diàn)磁流量傳感器(qi)和轉換器兩部(bù)分✊組成。轉換器(qì)🌈爲電磁流量傳(chuán)感器提供産生(shēng)工作磁場的✌️勵(lì)磁電流，對傳💛感(gǎn)器輸出的感應(yīng)電動勢信号進(jìn)行放大、濾波、數(shu)字化🎯從而得到(dao)瞬時💋流速或體(tǐ)積流量值。電磁(ci)流量計的功耗(hao)包括勵磁電⛹🏻‍♀️路(lù)功耗和🔱信号處(chu)理電路功耗，數(shu)值上前者遠大(dà)于後者。電磁🔞流(liú)量轉換器低功(gōng)耗設計的主♊要(yao)技術措施包括(kuo)選用低功耗的(de)電子❓元件和測(cè)量電路間歇性(xing)地工作，在測量(liàng)間隙進入微👅功(gōng)耗休眠狀态。電(dian)磁流量傳感器(qì)的低功耗設計(jì)問題相對複雜(za)，必須保證在勵(lì)磁電流顯著減(jiǎn)小時其輸出靈(líng)敏度與常規電(diàn)磁流量傳感器(qì)的靈敏度相當(dang)或更高，做到這(zhe)一點隻能通💛過(guò)優化傳感器結(jié)構來實現。
　　一種(zhǒng)新型 電池供電(dian)電磁流量計 方(fāng)案，其電磁流量(liàng)傳感器的測量(liang)管道爲從圓形(xing)截面逐❌漸收縮(suō)💛成矩形截面的(de)異徑管。相比于(yu)測量管⛱️爲均勻(yún)圓管的常規電(dian)磁🐇流量傳感器(qi)，具有異徑測量(liàng)管的傳感器在(zài)勵磁效率、輸出(chu)靈敏度等方面(miàn)具有顯著優勢(shi)。新型電磁流量(liàng)傳感器與微功(gong)耗的測量電路(lù)相結合實現了(le)電磁流量計的(de)低功耗設計。
1電(diàn)磁流量傳感器(qi)工作原理
　　電磁(ci)流量傳感器把(ba)流速(流量)信号(hao)線性地變換成(chéng)感應電動🔞勢信(xìn)号。理想情況下(xia)，可将被測流體(ti)視爲🔞做切割磁(cí)力線運動✍️的導(dǎo)體，根據法拉第(di)電磁感應🌈定律(lǜ)可知感生電動(dong)勢Ei的大小可表(biǎo)述爲：

　　式中:B爲磁(cí)感應強度;A爲磁(cí)通量變化的面(mian)積;D爲導體長度(du)(兩🛀測量電極之(zhī)間的距離，對于(yú)圓形管道D爲測(cè)☀️量管内徑);dl爲運(yùn)❗動的距離;`V爲運(yùn)動速度;Ei爲感應(ying)電動勢。
假設管(guan)道的橫截面積(jī)爲A，流量爲q，則式(shì)(1)可改寫爲:

　　對于(yú)高爲h，寬爲D的橫(heng)截面爲矩形的(de)測量管道，則式(shì)(2)可♊改🈲寫爲:

　　上述(shu)電磁流量測量(liàng)基本方程隐含(hán)以下假設條件(jiàn)［9］:①流🏃體磁🤩導率μ均(jun)勻并且其數值(zhí)等于真空中磁(cí)導率，即流體是(shì)非磁👌性的;②流體(ti)具有均勻的電(dian)導率，并滿足歐(ōu)姆😄定律;③流體中(zhōng)的位移電🐆流可(ke)忽略不計;④磁場(chang)在無限大空間(jian)範圍📱内均勻分(fèn)布;⑤被測流體流(liú)動狀🌏态爲充分(fen)發展流，對圓管(guǎn)而言流速呈軸(zhóu)對稱分布。
　　式(1)表(biao)明感應電動勢(shi)正比于流體平(píng)均流速。當流速(su)很低時感應🛀電(dian)動勢很小，在噪(zào)聲電平基本相(xiàng)同的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻條件下測(ce)量誤差會增大(dà)，因此限制了電(diàn)磁流量計的測(ce)量🍉下限。異徑測(ce)量管道的設計(jì)要🤩求是在不改(gǎi)變流場特性的(de)條件下，局部減(jian)小管道橫截面(miàn)積以增加流速(sù)來提高測量靈(ling)敏度。在測量電(diàn)極形狀爲♉矩形(xíng)時，矩形㊙️截💋面管(guan)道的測量🤩電極(jí)取出的感應電(dian)✂️動勢信号基本(ben)上不依賴于管(guan)道橫🏒截面的流(liu)速分布，因而異(yi)徑管道的測量(liàng)段采用矩形截(jie)👈面設計。
電磁流(liu)量傳感器勵磁(cí)回路中線圈匝(za)數N、勵磁電流I和(hé)磁✍️通勢F的關系(xì)爲：

　　式中:Rm爲磁阻(zǔ)，μ爲磁導率，S爲磁(ci)路的橫截面積(ji)，L爲磁路平均長(zhǎng)度。根據磁場的(de)歐姆定律［12］，磁通(tōng)量Φ的大小爲:

　　由(yóu)式(7)可知，磁感應(yīng)強度B與勵磁電(dian)流成正比，與磁(ci)路😍的🤟平均長度(dù)L成反比。在測量(liang)電極間距D相同(tóng)時，橫截🏒面積相(xiàng)同的圓管和矩(jǔ)形管，矩形管的(de)高度h小于圓管(guan)直徑D。假設磁🐪路(lu)與管道之間的(de)距離爲hw，則橫截(jié)面爲圓形和矩(ju)形的管🤟道其磁(ci)路平均長度L分(fèn)别爲h+2hw和⛱️D+2hw。因此，勵(li)磁電流相同時(shí)矩🧑🏾‍🤝‍🧑🏼形管道磁感(gan)🚩應強度大于圓(yuan)形管道的磁感(gǎn)應強度。若需要(yào)得到相同磁感(gan)應強度B，采用矩(ju)形截🐪面測量管(guan)道的電磁流量(liang)傳感器所🤩需勵(li)磁電流較小。在(zài)測量管道入口(kǒu)瞬時流量相同(tóng)、測量電極間距(jù)D相同🤞時，爲得🌂到(dào)相同大小的💛輸(shū)出✔️電動勢信号(hao)采用矩形截面(miàn)測量管的傳感(gǎn)器所需勵磁電(dian)流較♈小，比圓形(xíng)截面🌍測量管道(dao)的傳感器功耗(hào)低㊙️。
2異徑測量管(guan)道流場仿真
2.1仿(pang)真模型建立與(yu)仿真條件設置(zhì)
　　使用SolidWorks軟件生成(cheng)三維模型，将其(qí)導入FLUENT軟件的前(qian)處理程序Gambit中對(dui)🏃模♈型進行網格(gé)劃分，得到模型(xing)如圖1所示。測量(liàng)管道由大口徑(jìng)50mm圓管縮徑爲小(xiǎo)口徑寬38mm，高20mm的矩(ju)形管道，矩形截(jie)✌️面部分長度爲(wèi)80mm。入口邊界設定(dìng)爲速度入口，出(chu)口邊界設置爲(wèi)充分發展流，其(qí)他所有面爲壁(bì)面邊界。

　　FLUENT中的(de)工作條件設置(zhì)爲:模型求解方(fang)法選擇非耦合(hé)求解☀️方法;定義(yi)流體物理性質(zhì)爲水;選用k－ε湍流(liú)模型，初始流速(su)💋0.1m/s和5m/s，水力直徑50mm，湍(tuān)流強度分别爲(wèi)5.5%和3.38%。
2.2仿真結果
(1)異(yì)徑管道流場分(fèn)布
　　對入口處爲(wèi)直徑50mm圓形截面(mian)逐漸收縮爲矩(ju)形橫截面♍的異(yi)徑管㊙️道，在矩形(xing)截面部分長度(du)80mm，寬度38mm，高度20mm，管道(dao)總長200mm的條件下(xia)采用FLUENT軟件進行(háng)流場仿真，管道(dào)初始流速分别(bié)爲0.1m/s低流速和5m/s最(zui)大流速。其壓損(sun)和中心截面平(ping)均速度如表1所(suǒ)示。

　　從表1可知，入(rù)口流速爲0.1m/s時管(guǎn)道收縮段的流(liu)速增加到入口(kou)流速的2.58倍，提高(gao)了測量靈敏度(dù)。入口流速5m/s時，其(qi)壓力損失符合(hé)冷🙇🏻水水表的檢(jiǎn)定規程，即額定(ding)工作條件下的(de)最大壓力損失(shī)應不超0.063MPa。收縮段(duàn)流速也增加爲(wei)入口流速的💞2.58倍(bèi)，即12.9m/s，仍在🧡傳統電(diàn)磁💘流量計的測(ce)量範圍内。更大(da)的入口流速可(ke)能使✍️收縮段流(liu)速超出測量範(fàn)圍，因此應根據(jù)使❄️用條件合理(lǐ)設🌐計管道尺寸(cùn)。
　　圖2、圖3(其中X、Y軸坐(zuo)标單位均爲m;速(sù)度單位爲m/s)和圖(tú)4表明異徑🌈測量(liàng)管💞内流場特性(xìng)穩定，設計異徑(jing)管道電磁流量(liang)傳感器是可行(háng)的。



(2)異徑(jìng)管道流場畸變(bian)
　　對入口處爲直(zhi)徑50mm圓形截面逐(zhú)漸收縮爲矩形(xing)橫截面的異徑(jìng)管🏒道，在矩形截(jie)面部分長度80mm，寬(kuān)度20mm，高度5mm，管道總(zong)長度爲200mm的設定(ding)條件下采用FLUENT軟(ruan)件進行流場仿(páng)真，管道初始流(liu)速0.1m/s。進出口壓力(lì)損失爲1903.801Pa，中心截(jie)面平⛹🏻‍♀️均速度爲(wèi)⭕2.453m/s，增大爲入口流(liú)速的💰24.5倍。根據圖(tu)5、圖6可知，如💞果矩(ju)形截面部分的(de)高度和寬度壓(yā)縮太大會導緻(zhi)回流現象，同時(shi)進出口壓力損(sun)失較大，漸擴管(guǎn)部分出現嚴重(zhong)的湍流現象，流(liú)場變化較大。


(3)異(yì)徑管道橫截面(miàn)積收縮部分不(bú)同長度的影響(xiǎng)
　　對入口處爲直(zhí)徑50mm圓形截面逐(zhú)漸收縮爲矩形(xíng)橫截💔面的異徑(jing)管道，在矩形截(jie)面部分寬度38mm，高(gao)度20mm，長度爲40mm～100mm以步(bù)✍️長10mm變🐕化，管道總(zǒng)長200mm的條件下采(cai)用FLUENT軟件進行流(liu)場仿真。管道入(rù)口初始💰流速設(shè)定爲0.1m/s。仿真結果(guo)如表🛀2所示。異徑(jing)管長度方向上(shang)的壓👌力損失由(you)沿程壓力損失(shi)引起，差😍别較小(xiao)，中心截面平均(jun)速度基本保持(chí)⁉️不變。

(4)異徑管道(dào)橫截面積收縮(suō)部分不同寬度(dù)的影響
　　對入口(kou)處爲直徑50mm圓形(xíng)截面逐漸收縮(suo)爲矩形橫截🧑🏾‍🤝‍🧑🏼面(mian)的異徑管道，在(zài)矩形截面部分(fèn)長度80mm，高度20mm，寬度(du)爲20mm～48mm以步長2mm變化(huà)，管道總長200mm的條(tiáo)件下采用FLUENT軟件(jian)進行流場仿真(zhēn)。管道入👄口初始(shi)流速設定爲0.1m/s。壓(yā)力損失和中💛心(xīn)截面平均速度(dù)分布如圖7所示(shì)。寬度越小壓力(li)損❤️失越大，但中(zhong)心截面平均速(sù)度也越大，随着(zhe)寬度的減小，壓(ya)力損失和中心(xin)截面平均速度(du)增幅變大。

　　異徑(jìng)管道橫截面積(ji)收縮部分寬度(dù)和長度保持不(bú)變，高度⚽變化😄時(shí)的情況與此類(lei)似。
2.3仿真結論
　　通(tōng)過對橫截面由(yóu)圓形收縮爲矩(ju)形的異徑測量(liàng)管道進行流場(chǎng)仿真可知，縮徑(jìng)矩形截面部分(fen)流速增加且流(liu)速在管道橫截(jie)面上分布均勻(yún)，有利于低流速(su)小流量的精确(què)測量。矩形截面(mian)的寬度和高度(dù)對進出口壓㊙️力(lì)損失和中心截(jie)面平均速度影(yǐng)響較大🌍。異徑測(ce)量管感應電動(dòng)勢與磁感應強(qiang)度B成正比，與矩(ju)形橫截面的高(gao)度h成反比，在勵(li)磁電流一定時(shí)高度h越小傳感(gǎn)器靈敏度越高(gao)。但當高度相對(duì)于圓形入口的(de)通徑D收縮較🍓大(da)時，漸擴管中會(huì)出現明顯的湍(tuān)流和空穴現象(xiang)，因此收縮比例(li)不能太大。除此(cǐ)之外，收縮比例(li)主要受到最大(da)壓損允許值和(hé)最大瞬時流量(liang)的限制，還與測(cè)量管🐅道材質、測(ce)量電極形狀☔等(děng)因素有關，管道(dao)尺寸的具體數(shù)值應在不顯著(zhe)改變原流場特(te)性的前提下根(gēn)據流量測量🍓範(fàn)圍和壓力損失(shi)要求等🧑🏾‍🤝‍🧑🏼來決❄️定(dìng)。在被測介質類(lèi)型、最大壓損、最(zui)大瞬時流量、測(cè)量管道材質、測(cè)量電極形狀尺(chi)寸⭐等條☂️件确定(ding)的前提下，可通(tōng)過數值仿真❌和(hé)樣機試驗相結(jié)合來優化确定(ding)收縮部分的形(xing)狀尺🌂寸。采用具(jù)有局部收縮的(de)矩形截面的測(ce)量管道可提高(gāo)電磁流量傳感(gan)器的勵磁效率(lü)和靈敏度，并且(qiě)使電磁流量傳(chuan)感器具有磁☂️場(chǎng)均勻、與流速分(fèn)布無關、低功耗(hao)等優點。
3樣機和(hé)實驗結果
　　根據(ju)異徑測量管道(dao)流場仿真結果(guo)，制做了電磁流(liú)🐆量📞計原型樣機(ji)。測量管入口爲(wei)内徑50mm圓管，收縮(suo)部分截面爲高(gāo)15mm、寬45mm的矩形，測量(liang)👨‍❤️‍👨管道總長度200mm，收(shou)縮部分長度50mm。以(yi)微⭐功耗單片機(ji)MSP430F449爲核心組成測(ce)量電路，測量時(shi)工作電流(不包(bāo)含勵磁電流)小(xiao)于10mA，靜态電流小(xiǎo)于20μA。勵磁電流波(bo)形爲峰值50mA的方(fang)波，每次測量正(zheng)向勵磁及❗反向(xiàng)勵磁各50ms，每👅3s測量(liàng)一次。樣機平均(jun1)工作電流和一(yi)🚶‍♀️年的能耗爲:
I=［(50+10)×50］÷3000+0.02=1.02mA　　(8)
E=1.02×24×30×12=8812.8mAH　　(9)
　　樣(yang)機采用6節高能(neng)锂電池供電，單(dan)節電池容量4800mAH或(huo)8500mAH，更換電池後樣(yang)機可連續工作(zuo)三年以上。
在流(liu)量标定裝置上(shang)對原型樣機采(cǎi)用稱重法進行(háng)了測試，标定系(xì)統精度爲0.1%，測量(liàng)對象爲普通工(gōng)業用水，設定流(liú)🈲速測量範圍0.1m/s～5m/s，實(shí)㊙️驗數據如表3所(suo)示。實驗數據表(biao)明，樣機精度優(yōu)于±0.5%，滿足設計要(yao)求。

4結論
　　采用橫(héng)截面局部收縮(suo)的異徑測量管(guan)道可提高電磁(cí)流量傳感器的(de)勵磁效率和靈(ling)敏度，降低電磁(ci)流量計的功耗(hào)。使用FLUENT軟件對異(yi)徑測量管道進(jìn)行了流場仿真(zhēn)，得到了異徑測(cè)量管道設計的(de)一般原則。

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