摘要:為了提高插入式電磁流量計(jì)的精度和穩(wěn)定性，簡述了勵磁線圈的結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝;討論了勵磁線圈在設(shè)計(jì)、制造及裝配中對插入式電磁流量計(jì)的影響，指出了插入式電磁流量計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。
插人式電磁流量計(jì)因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，致使其抗干擾能力較弱、精度偏低以及瞬時(shí)流量波動過大等不良現(xiàn)象，但便于安裝、造價(jià)低、普遍應(yīng)用于大管道等特點(diǎn)而存在。為了發(fā)揮其優(yōu)勢,消除其不利因素，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其精度能夠達(dá)到+1%FS,使抗干擾能力得到極大地增強(qiáng)。主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇材料和試驗(yàn)，使插人式電磁流量計(jì)的穩(wěn)定性和精度大幅度提高，并提出解決措施，對實(shí)際應(yīng)用具有參考價(jià)值。分析與研究程序圖如圖1所示。
1測量原理
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理，也就是液態(tài)導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動時(shí)，對導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(Es)的分布進(jìn)行分析，研究磁場分布的影響規(guī)律，在保證高精度、高可靠性和抗干擾能力強(qiáng)、瞬時(shí)流量波動范圍小的前提下，尋求寬范圍流量測量時(shí)插人式電磁流量計(jì)。
插人式電磁流量計(jì)測量液體的流量時(shí)，液體為導(dǎo)電液體，電導(dǎo)率應(yīng)大于5μs/em，流體流過垂直于流動方向的磁場導(dǎo)電液體的流動感應(yīng)出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應(yīng)電動勢(Es),感應(yīng)電動勢方程為:
Es=BDV×10-4
式中：Es---電動勢，伏特（V）
B----磁感應(yīng)強(qiáng)度，特斯拉（T）
D----測量管內(nèi)徑，厘米（cm）
V----被測液體平均流速，米/秒（m/s）
因插入式電磁流量計(jì)與一般的法蘭管道式電磁流量計(jì)有很大的不同，插入式電磁流量計(jì)的傳感器外側(cè)形成發(fā)射磁場，測量電極在傳感器的端部，故此根據(jù)尼庫接磁(NIKURADS)原理，測量導(dǎo)電液體流量時(shí),導(dǎo)電流體流過垂直于流動方向的磁場導(dǎo)電液體的流動感應(yīng)出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢信號被兩個(gè)與流體相接觸的電極檢測出來,在轉(zhuǎn)換器中顯示瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，并通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出到上位機(jī)，即4mA~20mADC,如圖2所示。
插入式電磁流量計(jì)的測量探頭測得管道內(nèi)部特定位置(管道內(nèi)徑的1/8處)的局部流速，以確定管道流速，插人式電磁流量計(jì)的傳感器是在測量探頭外側(cè)形成外發(fā)射磁場，測量電極在傳感器的端部。
基于以上目的，為了降低外發(fā)射磁場的電磁流速傳感器所產(chǎn)生的感應(yīng)信號受信號流體和磁場的邊界層厚度影響,會降低測量的線性度，通過一體化的特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)，在外徑為:φ47mm(因?yàn)樾枰褂?”螺紋球閥，球閥通孔直徑為:50mm的緣故)，內(nèi)徑為:φ40mm，長度為:77mm的空間內(nèi)進(jìn)行布置各個(gè)相關(guān)零、部件(兩個(gè)電極、兩個(gè)電極加長桿，勵磁線圈部件)，應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律和尼庫接磁(NIKURADS)原理，將磁感應(yīng)強(qiáng)度充分發(fā)揮,達(dá)到高精度、高可靠性、寬范圍的流體測量，同時(shí)采用新材料、新工藝，該結(jié)構(gòu)還具有耐高溫，并且適用于大口徑管道的流體測量等特性。
通過大量的試驗(yàn)，對探頭端部外型結(jié)構(gòu)亦采用特殊設(shè)計(jì)，從而消除兩個(gè)電極之間的擾流現(xiàn)象，同時(shí)亦消除因通電產(chǎn)生磁場，導(dǎo)致兩個(gè)電極吸附介質(zhì)中的鐵屑而影響測量精度和死區(qū)效應(yīng)，增強(qiáng)了輸出信號的穩(wěn)定性，從而提高傳感器精度和抗干擾性。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用壽命更長，插入式電磁流量計(jì)探頭局部，如圖3所示。
2實(shí)踐當(dāng)中遇到的實(shí)際難題
在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)剛剛纏繞完畢的勵磁線圈，由于摩擦生熱的原因，直接進(jìn)行測量阻值時(shí)，阻值往往大于理論計(jì)算值(10~20)。當(dāng)勵磁線圈在自然環(huán)境中失效幾個(gè)小時(shí)后，勵磁線圈的阻值恢復(fù)到理論設(shè)計(jì)值。從而推論,含有勵磁線圈的插入式電磁流量計(jì)受現(xiàn)場管道介質(zhì)溫度的影響非常大，致使插入式電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器內(nèi)的技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化，影響其過程控制的精度，而且瞬時(shí)流量波動過大。
其原因是:勵磁線圈的阻值及匝數(shù)是按照常溫狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而含有勵磁線圈的插入式電磁流量計(jì)經(jīng)常是高于常溫狀態(tài)下進(jìn)行安裝、使用(如:高爐回水、供熱管道等)，勵磁線圈的阻值隨使用環(huán)境溫度的變化而變化,致使插入式電磁流量計(jì)測量時(shí)的精度大為降低，性能的不確定性大為增加，為了保證儀表的高精度和穩(wěn)定性，在不同的季節(jié)(主要是環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度)，經(jīng)過大量模擬現(xiàn)場實(shí)際情況的試驗(yàn)，并結(jié)合轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)要求,得出一個(gè)完善的勵磁線圈各種技術(shù)參數(shù)。
模擬現(xiàn)場試驗(yàn)裝置如圖4所示。
試驗(yàn)方法:首先，把插入式電磁流量計(jì)和溫度傳感器按照圖中所示固定在自動加熱箱體中;其次，把插人式電磁流量計(jì)的勵磁線圈的引線(聚四氟乙烯屏蔽線)與萬用表測量阻值端鈕相連接,并把檔位定格在200刻度線.上;同時(shí)把溫度傳感器(PT100鉑電阻)的引線與溫度顯示器相連接。
經(jīng)檢查無誤后，經(jīng)過大約10min,記錄此時(shí)水箱中水的溫度，然后接通220VAC電源，自動電加熱箱體內(nèi)的水進(jìn)行升溫，以水每升高5C，記錄一次萬用表顯示的阻值，記錄直至水溫達(dá)到100℃時(shí)的阻值。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:
為了滿足現(xiàn)場管道高溫介質(zhì)對插入式電磁流量計(jì)測量精度的影響，探頭勵磁線圈的阻值在環(huán)境溫度(T=15℃時(shí))，按照理論計(jì)算值進(jìn)行纏繞，為60n+0.50，漆包圓繞組線直徑:φ=0.21mm,經(jīng)過多次升高介質(zhì)(自來水)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下:
1）2018年12月份北方的冬季，室溫：15°C～20°C內(nèi)進(jìn)行第一次試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)時(shí)間共75min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
水溫：15°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=60.2Ω
水溫：20°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=61.3Ω阻值升高1.1Ω
水溫：25°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=62.5Ω阻值升高1.2Ω
水溫：30°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=63.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：35°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=64.9Ω阻值升高1.1Ω
水溫：40°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=66.4Ω阻值升高1.5Ω
水溫：45°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=67.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：50°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=68.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：55°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=70.0Ω阻值升高1.2Ω
水溫：60°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=71.1Ω阻值升高1.1Ω
水溫：65°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=72.2Ω阻值升高1.1Ω
水溫：70°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=73.4Ω阻值升高1.2Ω
水溫：75°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=74.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：80°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=75.4Ω阻值升高0.9Ω
水溫：85°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=76.6Ω阻值升高1.2Ω
水溫：90°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=77.9Ω阻值升高1.3Ω
水溫：95°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=78.9Ω阻值升高1.0Ω
水溫：100°C時(shí)，勵磁線圈阻值R=81.4Ω阻值升高2.5Ω
第一次試驗(yàn)結(jié)論：水溫從15°C升到100°C時(shí)，每升高5°C，勵磁線圈的電阻值平均增大1.247Ω。
2）勵磁線圈完全處于室溫：15°C～20°C狀態(tài)下，24h后進(jìn)行第二次試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)時(shí)間共80min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
水溫：6°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫：10°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=59.8Ω阻值升高1.0Ω
水溫：15°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=60.2Ω阻值升高0.4Ω
水溫：20°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=61.5Ω阻值升高1.3Ω
水溫：25°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=62.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：30°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=63.8Ω阻值升高1.0Ω
水溫：35°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=65.0Ω阻值升高1.2Ω
水溫：40°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=66.2Ω阻值升高1.2Ω
水溫：45°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=67.0Ω阻值升高0.8Ω
水溫：50°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=68.7Ω阻值升高1.7Ω
水溫：55°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=69.9Ω阻值升高1.2Ω
水溫：60°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=71.2Ω阻值升高1.3Ω
水溫：65°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=72.3Ω阻值升高1.1Ω
水溫：70°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=73.2Ω阻值升高0.9Ω
水溫：75°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=74.7Ω阻值升高1.5Ω
水溫：80°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=75.8Ω阻值升高1.1Ω
水溫：85°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=76.7Ω阻值升高0.9Ω
水溫：90°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=77.9Ω阻值升高1.2Ω
水溫：95°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=79.1Ω阻值升高1.2Ω
水溫：100°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=81.2Ω阻值升高2.1Ω
第二次試驗(yàn)結(jié)論：水溫從15°C升到100°C時(shí)，每升高5°C，勵磁線圈的電阻值平均增大1.179Ω。后又在本季節(jié)多次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果大體相似。
3）2019年7月12日星期四上午8：15開始試驗(yàn)，試驗(yàn)室溫：25°C～30°C內(nèi)進(jìn)行第三次試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)時(shí)間共30min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
水溫：20°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=61.4Ω
水溫：25°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=62.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：30°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=63.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：35°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=64.9Ω阻值升高1.1Ω
水溫：40°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=66.4Ω阻值升高1.5Ω
水溫：45°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=67.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：50°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=68.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：55°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=70.0Ω阻值升高1.2Ω
水溫：60°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=71.1Ω阻值升高1.1Ω
水溫：65°C時(shí)，勵磁線圈阻值R=72.2Ω阻值升高1.1Ω
水溫：70°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=73.4Ω阻值升高1.2Ω
水溫：75°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=74.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：80°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=75.4Ω阻值升高0.9Ω
水溫：85°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=76.6Ω阻值升高1.2Ω
水溫：90°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=77.9Ω阻值升高1.3Ω
水溫：95°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=78.9Ω阻值升高1.0Ω
水溫：100°C時(shí)，勵磁線圈阻值：R=80.1Ω阻值升高1.1Ω
水溫：100°C時(shí)，連續(xù)進(jìn)行8小時(shí)高溫度（100°C）水進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)的勵磁線圈阻值：R=80.1Ω～81.4Ω范圍內(nèi)波動。
這次夏季試驗(yàn)結(jié)論：水溫從20°C升到100°C時(shí)，每升高5°C，勵磁線圈的電阻值平均增大1.1625Ω。后又在本季節(jié)多次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果大體相似。
通過北方寒冷的冬季及夏季的數(shù)十次試驗(yàn)，其試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。
為了使勵磁線圈產(chǎn)生的磁力線均勻、完整地包裹電極，勵磁線圈的磁芯要盡量與電極端部相接近，使電極整體充分地切割磁力線，同時(shí)兼顧電感值的大小，在電感值適中的情況下（后面論述，經(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)，電感值：L=390mH為宜），從而產(chǎn)生連綿不斷的、強(qiáng)大、穩(wěn)定的磁場信號，在實(shí)踐中起到了大大降低過程控制流量的波動性，并且增加了流速的穩(wěn)定性（最小流速為0.2m/s時(shí)，可正確、穩(wěn)定地測量），同時(shí)使插入式電磁流量計(jì)在標(biāo)校時(shí)的標(biāo)校系數(shù)大為降低（如轉(zhuǎn)換器的標(biāo)校系數(shù)：1～5.9999，則實(shí)際標(biāo)校過程中，標(biāo)校系數(shù)只為1.3左右），使標(biāo)校過程簡易化，更容易進(jìn)行標(biāo)校，極大地減輕了標(biāo)校人員的工作強(qiáng)度，儀表的精度更高。勵磁線圈部件與端部電極的相對位置如圖5所示。
3插入式電磁流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過在不同季節(jié)進(jìn)行的數(shù)十次試驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合轉(zhuǎn)換器本身的技術(shù)參數(shù)的要求，以及在插入式電磁流量計(jì)傳感器的有限空間內(nèi)，進(jìn)行技術(shù)參數(shù)、新材料和新工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1）根據(jù)閉合回路的屬性---電感原理及公式：L=μQ×μr×Ae×N2/l式中：
L—電感，單位：亨（H）μ
Q—自由空間的導(dǎo)磁率：4д×10-7H/m
μr—磁芯材料相對的導(dǎo)磁率，單位：亨/米（H/m）
Ae—磁芯的截面積，單位：平方米（m2）
N----勵磁線圈的匝數(shù)
l----勵磁線圈纏繞長度，單位：米（m）
2）精選勵磁線圈磁芯的材質(zhì)以及尺寸的選擇
根據(jù)尼庫接磁（NIKURADS）原理，設(shè)計(jì)、制造和特性參數(shù)試驗(yàn)。為了增大導(dǎo)磁率，極大地改善封閉性磁力線強(qiáng)度，故此選擇實(shí)心勵磁線圈，使磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅增加。磁芯采用磁性等級：超級；牌號：電工純鐵（型號：DT4C）；矯頑力：≤32，矯頑力時(shí)效增值：≤4，最大導(dǎo)磁率：≥0.0151
工業(yè)純鐵質(zhì)地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。工業(yè)純鐵熔點(diǎn)比鐵高，在潮濕的空氣中比鐵難以生銹，在冷的濃硫酸中可以鈍化；同時(shí)電磁性能好。矯頑力（Hc）低，導(dǎo)磁率μ高，飽和磁感（Bs）高，磁性穩(wěn)定又無磁時(shí)效。鋼質(zhì)純凈度高，電工純鐵系列鋼質(zhì)均為鎮(zhèn)靜鋼，又采用了精練，所以內(nèi)部組織致密，均勻，優(yōu)良，氣體含量少，成品含碳量≤0.004%，冷、熱加工性能好。冷加工如車、墩、沖、彎、拉等都無問題，具有良好的加工性能，加工表面質(zhì)量好。
3）勵磁線圈的漆包圓繞組線的選擇
根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6109.1—2008《漆包圓繞組線第一部分：一般規(guī)定》[2]和GB/T6109.2—2008《漆包圓繞組線第二部分：155級聚酯漆包銅圓線》[3]的相關(guān)規(guī)定，并且結(jié)合插入式電磁流量計(jì)的具體使用情況及使用范圍的安全裕度，選擇型號：QZY=XY-2/200，線徑：φ0.21mm。
型號：QZY+XY-2/150的含義
系列代號Q—漆包圓繞組線
漆膜代號Z—聚酯類漆
Y—聚酰亞胺類漆
非自粘性漆包線2—二級漆膜
耐溫溫度150—攝氏度：150°C
插入式電磁流量計(jì)勵磁線圈的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。
根據(jù)以上不同季節(jié)的數(shù)10次試驗(yàn)，勵磁線圈得出相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)如下：
a）從勵磁線圈的漆包圓繞組線的選擇（如：勵磁線圈的型號、線徑等）如上所述。
b）關(guān)于勵磁線圈的阻值通常情況下的理論值均在常溫下進(jìn)行計(jì)算與確定，但一定要結(jié)合轉(zhuǎn)換器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選擇。
選擇方法：如插入式電磁流量計(jì)所選擇的轉(zhuǎn)換器匹配的阻值為：（X～Y）Ω時(shí)，則勵磁線圈的阻值大于或等于1.5X即可。這樣既能滿足流動介質(zhì)溫度低于常溫時(shí)，勵磁線圈阻值必然降低，但不影響轉(zhuǎn)換器的正常工作，同時(shí)亦能滿足介質(zhì)溫度高于常溫時(shí)，勵磁線圈阻值升高，也不影響轉(zhuǎn)換器的正常工作。
c）從結(jié)構(gòu)上講，勵磁線圈的磁芯必須長于線圈部件為好。其磁芯長出部分應(yīng)與采集信號的電極基本在一個(gè)基準(zhǔn)線上，在現(xiàn)有的磁場強(qiáng)度下增加磁力線最大程度上包裹電極，使之電極采集信號的最大化，由此增加插入式電磁流量計(jì)的精度和穩(wěn)定性。
4結(jié)論
一種基于插入式電磁型流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過程中，勵磁線圈經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)、磁芯材料的選擇和探頭結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)，提高其在現(xiàn)場運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、精度等級和抗干擾能力，充分發(fā)揮插入式電磁流量計(jì)自有優(yōu)勢，對該產(chǎn)品質(zhì)量的提升具有實(shí)質(zhì)性作用。
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