摘要:為了提高插入式電磁流量計的精度和穩(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、制造及裝配中對插入式電磁流量計的影響，指出了插入式電磁流量計在設(shè)計時的注意事項。
插人式電磁流量計因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，致使其抗干擾能力較弱、精度偏低以及瞬時流量波動過大等不良現(xiàn)象，但便于安裝、造價低、普遍應(yīng)用于大管道等特點而存在。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)進行優(yōu)化設(shè)計，從而使其精度能夠達到+1%FS,使抗干擾能力得到極大地增強。主要通過優(yōu)化設(shè)計、選擇材料和試驗，使插人式電磁流量計的穩(wěn)定性和精度大幅度提高，并提出解決措施，對實際應(yīng)用具有參考價值。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動時，對導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(Es)的分布進行分析，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、瞬時流量波動范圍小的前提下，尋求寬范圍流量測量時插人式電磁流量計。
插人式電磁流量計測量液體的流量時，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與一般的法蘭管道式電磁流量計有很大的不同，插入式電磁流量計的傳感器外側(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,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)電動勢信號被兩個與流體相接觸的電極檢測出來,在轉(zhuǎn)換器中顯示瞬時流量和累計流量，并通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出到上位機，即4mA~20mADC,如圖2所示。
插入式電磁流量計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，在外徑為:φ47mm(因為需要使用2”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)進行布置各個相關(guān)零、部件(兩個電極、兩個電極加長桿，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)強度充分發(fā)揮,達到高精度、高可靠性、寬范圍的流體測量，同時采用新材料、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，對探頭端部外型結(jié)構(gòu)亦采用特殊設(shè)計，從而消除兩個電極之間的擾流現(xiàn)象，同時亦消除因通電產(chǎn)生磁場，導(dǎo)致兩個電極吸附介質(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，使用壽命更長，插入式電磁流量計探頭局部，如圖3所示。
2實踐當(dāng)中遇到的實際難題
在生產(chǎn)實踐中，發(fā)現(xiàn)剛剛纏繞完畢的勵磁線圈，由于摩擦生熱的原因，直接進行測量阻值時，阻值往往大于理論計算值(10~20)。當(dāng)勵磁線圈在自然環(huán)境中失效幾個小時后，勵磁線圈的阻值恢復(fù)到理論設(shè)計值。從而推論,含有勵磁線圈的插入式電磁流量計受現(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)下進行設(shè)計的，而含有勵磁線圈的插入式電磁流量計經(jīng)常是高于常溫狀態(tài)下進行安裝、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測量時的精度大為降低，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)場實際情況的試驗，并結(jié)合轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)要求,得出一個完善的勵磁線圈各種技術(shù)參數(shù)。
模擬現(xiàn)場試驗裝置如圖4所示。
試驗方法:首先，把插入式電磁流量計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，記錄直至水溫達到100℃時的阻值。
試驗數(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)，按照理論計算值進行纏繞，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)溫度進行試驗，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)進行第一次試驗，升溫試驗時間共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，勵磁線圈阻值：R=60.2Ω
水溫：20°C時，勵磁線圈阻值：R=61.3Ω阻值升高1.1Ω
水溫：25°C時，勵磁線圈阻值：R=62.5Ω阻值升高1.2Ω
水溫：30°C時，勵磁線圈阻值：R=63.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：35°C時，勵磁線圈阻值：R=64.9Ω阻值升高1.1Ω
水溫：40°C時，勵磁線圈阻值：R=66.4Ω阻值升高1.5Ω
水溫：45°C時，勵磁線圈阻值：R=67.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：50°C時，勵磁線圈阻值：R=68.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：55°C時，勵磁線圈阻值：R=70.0Ω阻值升高1.2Ω
水溫：60°C時，勵磁線圈阻值：R=71.1Ω阻值升高1.1Ω
水溫：65°C時，勵磁線圈阻值：R=72.2Ω阻值升高1.1Ω
水溫：70°C時，勵磁線圈阻值：R=73.4Ω阻值升高1.2Ω
水溫：75°C時，勵磁線圈阻值：R=74.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：80°C時，勵磁線圈阻值：R=75.4Ω阻值升高0.9Ω
水溫：85°C時，勵磁線圈阻值：R=76.6Ω阻值升高1.2Ω
水溫：90°C時，勵磁線圈阻值：R=77.9Ω阻值升高1.3Ω
水溫：95°C時，勵磁線圈阻值：R=78.9Ω阻值升高1.0Ω
水溫：100°C時，勵磁線圈阻值R=81.4Ω阻值升高2.5Ω
第一次試驗結(jié)論：水溫從15°C升到100°C時，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后進行第二次試驗，升溫試驗時間共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，勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫：10°C時，勵磁線圈阻值：R=59.8Ω阻值升高1.0Ω
水溫：15°C時，勵磁線圈阻值：R=60.2Ω阻值升高0.4Ω
水溫：20°C時，勵磁線圈阻值：R=61.5Ω阻值升高1.3Ω
水溫：25°C時，勵磁線圈阻值：R=62.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：30°C時，勵磁線圈阻值：R=63.8Ω阻值升高1.0Ω
水溫：35°C時，勵磁線圈阻值：R=65.0Ω阻值升高1.2Ω
水溫：40°C時，勵磁線圈阻值：R=66.2Ω阻值升高1.2Ω
水溫：45°C時，勵磁線圈阻值：R=67.0Ω阻值升高0.8Ω
水溫：50°C時，勵磁線圈阻值：R=68.7Ω阻值升高1.7Ω
水溫：55°C時，勵磁線圈阻值：R=69.9Ω阻值升高1.2Ω
水溫：60°C時，勵磁線圈阻值：R=71.2Ω阻值升高1.3Ω
水溫：65°C時，勵磁線圈阻值：R=72.3Ω阻值升高1.1Ω
水溫：70°C時，勵磁線圈阻值：R=73.2Ω阻值升高0.9Ω
水溫：75°C時，勵磁線圈阻值：R=74.7Ω阻值升高1.5Ω
水溫：80°C時，勵磁線圈阻值：R=75.8Ω阻值升高1.1Ω
水溫：85°C時，勵磁線圈阻值：R=76.7Ω阻值升高0.9Ω
水溫：90°C時，勵磁線圈阻值：R=77.9Ω阻值升高1.2Ω
水溫：95°C時，勵磁線圈阻值：R=79.1Ω阻值升高1.2Ω
水溫：100°C時，勵磁線圈阻值：R=81.2Ω阻值升高2.1Ω
第二次試驗結(jié)論：水溫從15°C升到100°C時，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)多次進行試驗，試驗結(jié)果大體相似。
3）2019年7月12日星期四上午8：15開始試驗，試驗室溫：25°C～30°C內(nèi)進行第三次試驗，升溫試驗時間共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，勵磁線圈阻值：R=61.4Ω
水溫：25°C時，勵磁線圈阻值：R=62.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：30°C時，勵磁線圈阻值：R=63.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：35°C時，勵磁線圈阻值：R=64.9Ω阻值升高1.1Ω
水溫：40°C時，勵磁線圈阻值：R=66.4Ω阻值升高1.5Ω
水溫：45°C時，勵磁線圈阻值：R=67.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：50°C時，勵磁線圈阻值：R=68.8Ω阻值升高1.3Ω
水溫：55°C時，勵磁線圈阻值：R=70.0Ω阻值升高1.2Ω
水溫：60°C時，勵磁線圈阻值：R=71.1Ω阻值升高1.1Ω
水溫：65°C時，勵磁線圈阻值R=72.2Ω阻值升高1.1Ω
水溫：70°C時，勵磁線圈阻值：R=73.4Ω阻值升高1.2Ω
水溫：75°C時，勵磁線圈阻值：R=74.5Ω阻值升高1.1Ω
水溫：80°C時，勵磁線圈阻值：R=75.4Ω阻值升高0.9Ω
水溫：85°C時，勵磁線圈阻值：R=76.6Ω阻值升高1.2Ω
水溫：90°C時，勵磁線圈阻值：R=77.9Ω阻值升高1.3Ω
水溫：95°C時，勵磁線圈阻值：R=78.9Ω阻值升高1.0Ω
水溫：100°C時，勵磁線圈阻值：R=80.1Ω阻值升高1.1Ω
水溫：100°C時，連續(xù)進行8小時高溫度（100°C）水進行試驗，此時的勵磁線圈阻值：R=80.1Ω～81.4Ω范圍內(nèi)波動。
這次夏季試驗結(jié)論：水溫從20°C升到100°C時，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)多次進行試驗，試驗結(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，其試驗的結(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)過理論計算和試驗，電感值：L=390mH為宜），從而產(chǎn)生連綿不斷的、強大、穩(wěn)定的磁場信號，在實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，可正確、穩(wěn)定地測量），同時使插入式電磁流量計在標(biāo)校時的標(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，更容易進行標(biāo)校，極大地減輕了標(biāo)校人員的工作強度，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插入式電磁流量計優(yōu)化設(shè)計
通過在不同季節(jié)進行的數(shù)十次試驗結(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傳感器的有限空間內(nèi)，進行技術(shù)參數(shù)、新材料和新工藝的優(yōu)化設(shè)計。
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、制造和特性參數(shù)試驗。為了增大導(dǎo)磁率，極大地改善封閉性磁力線強度，故此選擇實心勵磁線圈，使磁感應(yīng)強度大幅增加。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，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行計算與確定，但一定要結(jié)合轉(zhuǎn)換器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進行選擇。
選擇方法：如插入式電磁流量計所選擇的轉(zhuǎn)換器匹配的阻值為：（X～Y）Ω時，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，勵磁線圈阻值必然降低，但不影響轉(zhuǎn)換器的正常工作，同時亦能滿足介質(zhì)溫度高于常溫時，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基準(zhǔn)線上，在現(xiàn)有的磁場強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在實際應(yīng)用過程中，勵磁線圈經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計、磁芯材料的選擇和探頭結(jié)構(gòu)等方面的改進，提高其在現(xiàn)場運行過程中的穩(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自有優(yōu)勢，對該產(chǎn)品質(zhì)量的提升具有實質(zhì)性作用。
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