摘要:爲了(le)實現電磁流量(liang)計 的低功耗，提(ti)出一種具有異(yì)徑測量管道的(de)電磁流量傳感(gan)器方案。基于FLUENT軟(ruǎn)件對異徑測量(liàng)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(cí)效率和輸🏃🏻‍♂️出靈(ling)敏度相比于傳(chuan)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(tǐ)積流量測量。随(sui)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(ling)域的研究熱點(diǎn)之一。國外廠家(jia)率先推出了電(dian)池供電的電磁(cí)流量計，極大地(di)拓寬了電磁流(liú)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(yì)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(pò)切，加強相🌈關領(ling)域的研究、促🔞進(jin)國内電磁流量(liàng)測量技術的進(jin)步意⁉️義重大。
　　電(diàn)磁流量計由電(dian)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(shù)字化從而得到(dao)瞬時流速或體(ti)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(chù)理電🐇路功耗，數(shu)值上前者遠大(da)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(kuò)選用低功耗🛀🏻的(de)電子元件和測(cè)量電路間歇性(xìng)地工作，在測量(liang)間隙進入微功(gong)耗休眠狀态。電(dian)磁流量傳感🈲器(qi)的低功耗設計(jì)問題相對複💋雜(zá)，必須保證在勵(li)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(dāng)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(zhong)新型 電池供電(diàn)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(xíng)截面逐漸收縮(suo)成矩形截面的(de)異徑管。相比于(yu)測量管爲均勻(yun)圓管的常規電(dian)磁流量傳感器(qì)，具有異徑測量(liàng)管的傳感器🈲在(zài)勵磁效率、輸出(chū)靈敏🔞度等方面(mian)具有顯著優☂️勢(shì)。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(qì)工作原理
　　電磁(ci)流量傳感器把(bǎ)流速(流量)信号(hào)線性地變換成(chéng)感應電動勢信(xin)号。理想情況下(xia)，可将被測流體(tǐ)視爲做切割磁(ci)力線運動的導(dǎo)體，根據法拉第(dì)電磁感應定律(lü)可知感生電動(dòng)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(ce)量管内徑);dl爲運(yun)動的距離;`V爲運(yùn)動速度;Ei爲感應(yīng)電動勢。
假設管(guǎn)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(shi)(2)可改寫爲:

　　上述(shu)電磁流量測量(liang)基本方程隐含(han)以下假設條件(jian)［9］:①流🌈體磁導率🥵μ均(jun)勻并且其數值(zhí)等于真空中磁(ci)導率，即流體是(shì)非磁性的;②流體(ti)具有均勻的電(diàn)導率，并滿足歐(ōu)姆定律;③流✨體中(zhong)的位移電流可(kě)忽略不計;④磁場(chang)在無限大空間(jiān)範圍内均勻分(fen)布;⑤被測流體流(liú)動狀态爲充分(fèn)發展流，對圓管(guǎn)而言流速呈軸(zhou)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(sù)很低時感💘應📧電(diàn)動勢很小，在噪(zao)聲電平基本相(xiang)同的條件下測(cè)量誤差會增大(da)，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(gai)變流場特性的(de)條件下，局部減(jian)小管道橫截面(mian)積以🌈增加流速(sù)來提高測量靈(ling)敏度。在測量電(dian)極形狀爲矩形(xíng)時，矩形截面管(guan)道的測量電極(ji)取出的感🌂應電(dian)動勢信号基本(běn)上✂️不依賴于管(guǎn)道橫截面的流(liu)速分布，因而異(yì)徑管道的👉測量(liang)段采用矩形截(jié)面設計。
電磁流(liu)量傳感器勵磁(ci)回路中線圈匝(za)數N、勵磁電流I和(he)💰磁通勢F的關系(xi)爲：

　　式中:Rm爲磁阻(zu)，μ爲磁導率，S爲磁(cí)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(tong)量Φ的大小爲📐:

　　由(you)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(xiang)同🙇‍♀️的圓💃🏻管和💋矩(ju)形💯管，矩形管的(de)高度h小于圓管(guǎn)直徑D。假設磁路(lu)與管道之間的(de)距離爲hw，則橫截(jie)面❤️爲圓形和矩(jǔ)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(lì)磁電流相同時(shi)矩形管道磁感(gǎn)應強度大于圓(yuán)形管道的🏃‍♀️磁感(gan)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(lì)磁電流較小💃。在(zài)測量管道入口(kǒu)瞬㊙️時流量相同(tong)、測量電極間距(jù)D相同時，爲得到(dào)相同大小的輸(shu)出電動勢信号(hao)采用矩形截面(mian)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(dào)的傳感器功耗(hao)低。
2異徑測量管(guan)道流場仿真
2.1仿(páng)真模型建立與(yu)仿真條件設置(zhi)
　　使用SolidWorks軟件生成(chéng)三維模型，将其(qí)導入FLUENT軟件的前(qián)處理程序Gambit中對(dui)模型進行網格(ge)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(xiao)口徑寬38mm，高20mm的矩(jǔ)形管道，矩形截(jié)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻面部分長度爲(wei)80mm。入口邊💯界設定(dìng)爲速度入口，出(chū)口邊界設置爲(wèi)充分發展流，其(qí)他所有面☁️爲壁(bi)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(he)⛹🏻‍♀️求解方法;定義(yì)流體物理性質(zhì)爲水;選用k－ε湍流(liú)模型，初始流速(sù)0.1m/s和5m/s，水力直徑50mm，湍(tuān)流強度分别爲(wei)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(xíng)截面部分長度(du)80mm，寬度38mm，高度20mm，管道(dao)總長200mm的條件下(xià)采用FLUENT軟件進行(háng)流場仿真，管道(dao)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(ru)口流速爲0.1m/s時管(guan)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(du)。入口流速5m/s時，其(qí)壓🤩力損💔失符⛹🏻‍♀️合(he)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(wèi)入口流速的2.58倍(bèi)，即12.9m/s，仍在☔傳統電(dian)磁流量計的測(cè)量範圍内。更大(dà)的入口流速可(ke)能使收縮段流(liú)速❄️超出測量範(fan)圍，因此應根據(jù)使用條件合理(lǐ)設計管道尺寸(cun)。
　　圖2、圖3(其中X、Y軸坐(zuò)标單位均爲m;速(sù)度單位爲m/s)和圖(tu)4表明異徑測量(liàng)管⚽内流場特性(xing)穩定，設計異徑(jing)管道電磁流量(liang)傳感器是可行(hang)❗的。



(2)異徑(jìng)管道流場畸變(biàn)
　　對入口處爲直(zhí)徑50mm圓形截面逐(zhu)漸收縮爲矩形(xíng)橫截面的🎯異徑(jing)管道，在矩形截(jie)面部分長度80mm，寬(kuān)度20mm，高度5mm，管道總(zǒng)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(tú)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(zhì)回流現象，同時(shí)進出口壓力損(sun)失較大，漸擴管(guan)💘部分出現嚴重(zhòng)的湍流現象，流(liú)場變化較大。


(3)異(yi)徑管道橫截面(mian)積收縮部分不(bú)同長度的影響(xiang)
　　對入口處爲直(zhí)徑50mm圓形截面逐(zhu)漸收縮爲矩形(xíng)橫截面的異徑(jing)🎯管道，在矩形截(jié)面部分寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度爲☎️40mm～100mm以步(bu)🌈長10mm變化，管道總(zong)長200mm的👌條件下采(cai)用FLUENT軟件進行流(liú)場仿真。管道入(rù)👣口初始👈流速設(she)♍定爲0.1m/s。仿真結果(guǒ)如表🌈2所示。異徑(jing)管長度方向上(shàng)的壓力損失由(you)沿程壓力損失(shī)引起，差别較小(xiao)，中心截面平均(jun1)速度基本保持(chi)✔️不變。

(4)異徑管道(dao)橫截面積收縮(suo)部分不同寬度(du)的影響
　　對入口(kǒu)處爲直徑50mm圓形(xíng)截面逐漸收縮(suo)爲矩形橫截面(miàn)的異徑管道，在(zai)矩形截面部分(fen)長度80mm，高度20mm，寬度(dù)爲20mm～48mm以步長2mm變化(huà)，管道總長200mm的條(tiao)件下采用FLUENT軟件(jiàn)進行流場仿真(zhen)。管道入口初始(shǐ)☀️流速設定爲0.1m/s。壓(yā)力損失和中心(xin)截面平均速度(du)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(su)度也越大，随着(zhe)寬度的減小，壓(yā)力損失和中心(xīn)截面平均速度(dù)增幅變大。

　　異徑(jing)管道橫截面積(jī)收縮部分寬度(du)和長度保持不(bu)變，高度🏃‍♀️變化時(shi)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(fèn)流速增加且🍉流(liú)速♍在管道橫截(jie)面上分布均勻(yun)，有利于低流🆚速(sù)小流量的精确(que)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(jié)面平均速度影(ying)響較大。異徑測(ce)量管⛱️感應電動(dòng)勢與磁感應強(qiáng)🌂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(shi)高度h越小傳感(gan)器靈😄敏度越高(gāo)。但當高度相對(dui)于圓形入口的(de)通徑D收縮較📧大(dà)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(lì)主要受到最大(da)壓損允許值和(he)最大瞬🛀時流量(liàng)的限💃制，還與測(cè)量管🌈道材質、測(ce)量電極形狀等(deng)因素有關，管道(dao)尺寸的具體數(shu)值應在不顯著(zhe)改變原流場🈲特(tè)性的前提下根(gen)據流量測量範(fan)圍和壓力損失(shi)要求等來決定(ding)。在被測介質類(lèi)型、最大壓損、最(zui)大瞬時流量、測(ce)量管道材質🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、測(ce)量電極形狀尺(chǐ)寸等條件确定(dìng)的前提下，可通(tong)過數值仿真和(hé)樣機試驗相結(jie)合來優化确定(ding)收縮部💜分的形(xíng)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(gao)電磁流量傳感(gǎn)器的勵磁效率(lǜ)和靈敏度，并且(qiě)使電磁🚶‍♀️流量傳(chuan)感器具有磁場(chang)均勻、與流速分(fèn)布無關✂️、低功耗(hao)等優點。
3樣機和(he)實驗結果
　　根據(ju)異徑測量管道(dao)流場仿真結果(guǒ)，制做了電磁流(liú)量計原型💋樣機(ji)。測量管入口爲(wèi)内徑50mm圓管，收縮(suo)部分截面爲高(gao)15mm、寬45mm的矩形，測量(liàng)♻️管道總長度200mm，收(shōu)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(shí)工作電流(不包(bāo)含勵磁電流)小(xiao)于10mA，靜态電流小(xiao)于20μA。勵💜磁電流波(bo)形爲峰值50mA的方(fāng)波，每次測量正(zhèng)向勵磁及🧡反向(xiàng)勵磁各50ms，每3s測量(liàng)一次。樣機平均(jun)工作電流和一(yī)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(yàng)機采用6節高能(neng)锂電池供電，單(dan)節電池容量4800mAH或(huò)8500mAH，更換電池後樣(yàng)機可連續工作(zuo)三年以上。
在流(liú)量标定裝置上(shàng)對原型樣機采(cai)用稱重法進行(hang)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(liu)速測量範圍0.1m/s～5m/s，實(shí)驗數據如表3所(suǒ)示。實驗數據表(biao)明，樣機精度優(yōu)于±0.5%，滿足設計要(yào)求。

4結論
　　采用橫(héng)截面局部收縮(suo)的異徑測量管(guǎn)道可提高電磁(cí)流☂️量⛹🏻‍♀️傳感🈚器的(de)勵磁效率和靈(líng)敏度，降低電磁(ci)流量計的功耗(hao)。使用FLUENT軟件對異(yi)徑測量管道進(jìn)行了流場仿真(zhen)，得到了㊙️異徑測(ce)量管道設計的(de)一般原則。

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