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异径测量管低功耗电磁流量计探讨
发布时间:2019-01-14

摘要:为了实现电磁流量计的低功耗设计,提出一种具有异径测量管道的电磁流量传感器设计方案。基于FLUENT软件对异径测量管道内部流场进行了仿真分析,证明了该新型电磁流量传感器的励磁效率和输出灵敏度相比于传统设计有显著提高。根据所提出的设计方案研制了电磁流量计原型样机,实验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。
  电磁流量计广泛应用于导电流体的体积流量测量。随着电磁流量测量理论的成熟和电子技术不断发展,低功耗电磁流量计的设计成为该领域的研究热点之一。国外厂家率先推出了电池供电的电磁流量计,极大地拓宽了电磁流量计的应用范围。国内科研人员也在相关领域进行了有益的探索。国内仪表厂家生产的电磁流量计仍然具有技术水平低、功耗较大等缺点。鉴于国内市场对电池供电电磁流量计产品需求迫切,加强相关领域的研究、促进国内电磁流量测量技术的进步意义重大。
  电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。转换器为电磁流量传感器提供产生工作磁场的励磁电流,对传感器输出的感应电动势信号进行放大、滤波、数字化从而得到瞬时流速或体积流量值。电磁流量计的功耗包括励磁电路功耗和信号处理电路功耗,数值上前者远大于后者。电磁流量转换器低功耗设计的主要技术措施包括选用低功耗的电子元件和测量电路间歇性地工作,在测量间隙进入微功耗休眠状态。电磁流量传感器的低功耗设计问题相对复杂,必须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或更高,做到这一点只能通过优化传感器结构来实现。
  本文提出一种新型电池供电电磁流量计设计方案,其电磁流量传感器的测量管道为从圆形截面逐渐收缩成矩形截面的异径管。相比于测量管为均匀圆管的常规电磁流量传感器,具有异径测量管的传感器在励磁效率、输出灵敏度等方面具有显著优势。新型电磁流量传感器与微功耗的测量电路相结合实现了电磁流量计的低功耗设计。根据所提出的设计方案研制了原型样机并对样机进行了测试,样机实验结果验证了新型低功耗电磁流量计设计方案的可行性。
1电磁流量传感器工作原理
  电磁流量传感器把流速(流量)信号线性地变换成感应电动势信号。理想情况下,可将被测流体视为做切割磁力线运动的导体,根据法拉第电磁感应定律可知感生电动势Ei的大小可表述为:

  式中:B为磁感应强度;A为磁通量变化的面积;D为导体长度(两测量电极之间的距离,对于圆形管道D为测量管内径);dl为运动的距离;`V为运动速度;Ei为感应电动势。
假设管道的横截面积为A,流量为q,则式(1)可改写为:

  对于高为h,宽为D的横截面为矩形的测量管道,则式(2)可改写为:

  上述电磁流量测量基本方程隐含以下假设条件[9]:①流体磁导率μ均匀并且其数值等于真空中磁导率,即流体是非磁性的;②流体具有均匀的电导率,并满足欧姆定律;③流体中的位移电流可忽略不计;④磁场在无限大空间范围内均匀分布;⑤被测流体流动状态为充分发展流,对圆管而言流速呈轴对称分布。
  式(1)表明感应电动势正比于流体平均流速。当流速很低时感应电动势很小,在噪声电平基本相同的条件下测量误差会增大,因此限制了电磁流量计的测量下限。异径测量管道的设计要求是在不改变流场特性的条件下,局部减小管道横截面积以增加流速来提高测量灵敏度。在测量电极形状为矩形时,矩形截面管道的测量电极取出的感应电动势信号基本上不依赖于管道横截面的流速分布,因而异径管道的测量段采用矩形截面设计。
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[12],磁通量Φ的大小为:

  由式(7)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。在测量电极间距D相同时,横截面积相同的圆管和矩形管,矩形管的高度h小于圆管直径D。假设磁路与管道之间的距离为hw,则横截面为圆形和矩形的管道其磁路平均长度L分别为h+2hw和D+2hw。因此,励磁电流相同时矩形管道磁感应强度大于圆形管道的磁感应强度。若需要得到相同磁感应强度B,采用矩形截面测量管道的电磁流量传感器所需励磁电流较小。在测量管道入口瞬时流量相同、测量电极间距D相同时,为得到相同大小的输出电动势信号采用矩形截面测量管的传感器所需励磁电流较小,比圆形截面测量管道的传感器功耗低。
2异径测量管道流场仿真
2.1仿真模型建立与仿真条件设置
  使用SolidWorks软件生成三维模型,将其导入FLUENT软件的前处理程序Gambit中对模型进行网格划分,得到模型如图1所示。测量管道由大口径50mm圆管缩径为小口径宽38mm,高20mm的矩形管道,矩形截面部分长度为80mm。入口边界设定为速度入口,出口边界设置为充分发展流,其他所有面为壁面边界。
电磁流量计异径管网格模型图
  FLUENT中的工作条件设置为:模型求解方法选择非耦合求解方法;定义流体物理性质为水;选用k-ε湍流模型,初始流速0.1m/s和5m/s,水力直径50mm,湍流强度分别为5.5%和3.38%。
2.2仿真结果
(1)异径管道流场分布
  对入口处为直径50mm圆形截面逐渐收缩为矩形横截面的异径管道,在矩形截面部分长度80mm,宽度38mm,高度20mm,管道总长200mm的条件下采用FLUENT软件进行流场仿真,管道初始流速分别为0.1m/s低流速和5m/s最大流速。其压损和中心截面平均速度如表1所示。

  从表1可知,入口流速为0.1m/s时管道收缩段的流速增加到入口流速的2.58倍,提高了测量灵敏度。入口流速5m/s时,其压力损失符合冷水水表的检定规程,即额定工作条件下的最大压力损失应不超0.063MPa。收缩段流速也增加为入口流速的2.58倍,即12.9m/s,仍在传统电磁流量计的测量范围内。更大的入口流速可能使收缩段流速超出测量范围,因此应根据使用条件合理设计管道尺寸。
  图2、图3(其中X、Y轴坐标单位均为m;速度单位为m/s)和图4表明异径测量管内流场特性稳定,设计异径管道电磁流量传感器是可行的。
电磁流量计异径管迹线图示
电磁流量计速度云图
电磁流量计异径管Y轴长度方向速度分布图
(2)异径管道流场畸变
  对入口处为直径50mm圆形截面逐渐收缩为矩形横截面的异径管道,在矩形截面部分长度80mm,宽度20mm,高度5mm,管道总长度为200mm的设定条件下采用FLUENT软件进行流场仿真,管道初始流速0.1m/s。进出口压力损失为1903.801Pa,中心截面平均速度为2.453m/s,增大为入口流速的24.5倍。根据图5、图6可知,如果矩形截面部分的高度和宽度压缩太大会导致回流现象,同时进出口压力损失较大,渐扩管部分出现严重的湍流现象,流场变化较大。


(3)异径管道横截面积收缩部分不同长度的影响
  对入口处为直径50mm圆形截面逐渐收缩为矩形横截面的异径管道,在矩形截面部分宽度38mm,高度20mm,长度为40mm~100mm以步长10mm变化,管道总长200mm的条件下采用FLUENT软件进行流场仿真。管道入口初始流速设定为0.1m/s。仿真结果如表2所示。异径管长度方向上的压力损失由沿程压力损失引起,差别较小,中心截面平均速度基本保持不变。

(4)异径管道横截面积收缩部分不同宽度的影响
  对入口处为直径50mm圆形截面逐渐收缩为矩形横截面的异径管道,在矩形截面部分长度80mm,高度20mm,宽度为20mm~48mm以步长2mm变化,管道总长200mm的条件下采用FLUENT软件进行流场仿真。管道入口初始流速设定为0.1m/s。压力损失和中心截面平均速度分布如图7所示。宽度越小压力损失越大,但中心截面平均速度也越大,随着宽度的减小,压力损失和中心截面平均速度增幅变大。

  异径管道横截面积收缩部分宽度和长度保持不变,高度变化时的情况与此类似。
2.3仿真结论
  通过对横截面由圆形收缩为矩形的异径测量管道进行流场仿真可知,缩径矩形截面部分流速增加且流速在管道横截面上分布均匀,有利于低流速小流量的精确测量。矩形截面的宽度和高度对进出口压力损失和中心截面平均速度影响较大。异径测量管感应电动势与磁感应强度B成正比,与矩形横截面的高度h成反比,在励磁电流一定时高度h越小传感器灵敏度越高。但当高度相对于圆形入口的通径D收缩较大时,渐扩管中会出现明显的湍流和空穴现象,因此收缩比例不能太大。除此之外,收缩比例主要受到最大压损允许值和最大瞬时流量的限制,还与测量管道材质、测量电极形状等因素有关,管道尺寸的具体数值应在不显著改变原流场特性的前提下根据流量测量范围和压力损失要求等来决定。在被测介质类型、最大压损、最大瞬时流量、测量管道材质、测量电极形状尺寸等条件确定的前提下,可通过数值仿真和样机试验相结合来优化确定收缩部分的形状尺寸。采用具有局部收缩的矩形截面的测量管道可提高电磁流量传感器的励磁效率和灵敏度,并且使电磁流量传感器具有磁场均匀、与流速分布无关、低功耗等优点。
3样机和实验结果
  根据异径测量管道流场仿真结果,制做了电磁流量计原型样机。测量管入口为内径50mm圆管,收缩部分截面为高15mm、宽45mm的矩形,测量管道总长度200mm,收缩部分长度50mm。以微功耗单片机MSP430F449为核心组成测量电路,测量时工作电流(不包含励磁电流)小于10mA,静态电流小于20μA。励磁电流波形为峰值50mA的方波,每次测量正向励磁及反向励磁各50ms,每3s测量一次。样机平均工作电流和一年的能耗为:
I=[(50+10)×50]÷3000+0.02=1.02mA  (8)
E=1.02×24×30×12=8812.8mAH  (9)
  样机采用6节高能锂电池供电,单节电池容量4800mAH或8500mAH,更换电池后样机可连续工作三年以上。
在流量标定装置上对原型样机采用称重法进行了测试,标定系统精度为0.1%,测量对象为普通工业用水,设定流速测量范围0.1m/s~5m/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。

4结论
  采用横截面局部收缩的异径测量管道可提高电磁流量传感器的励磁效率和灵敏度,降低电磁流量计的功耗。使用FLUENT软件对异径测量管道进行了流场仿真,得到了异径测量管道设计的一般原则,并依据仿真结果设计了电磁流量计原型样机。试验结果表明,样机的测量精度和功耗均满足设计要求,验证了所提设计方案的可行性。

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