測水流量計的測量原理及實(shí)踐當中遇到的難題與優(yōu)化

摘要：為了提高測水流量計的準確度和穩定性，簡(jiǎn)述了勵磁線(xiàn)圈的結構、新材料和新工藝 ；討論了勵磁線(xiàn)圈在設計、制造及裝配中對測水流量計的影響，指出了測水流量計在設計時(shí)的注意事項。
測水流量計因其特殊的結構形式，致使其抗干擾能力較弱、準確度偏低以及瞬時(shí)流量波動(dòng)過(guò)大等不良現象，但便于安裝、造價(jià)低廉、普遍應用于大管道等特點(diǎn)而存在。為了發(fā)揮其優(yōu)勢，消除其不利因素，對其內部結構及其相關(guān)技術(shù)參數進(jìn)行優(yōu)化設計，從而使其準確度能夠達到 ±1% FS，使抗干擾能力得到極大地增強。本文主要通過(guò)優(yōu)化設計、選擇材料和試驗，使測水流量計的穩定性和準確度大幅度提高，并提出解決措施，對實(shí)際應用具有參考價(jià)值。分析與研究程序圖如圖 1 所示。

1 測量原理
根據法拉第電磁感應定律的工作原理，也就是液態(tài)導體在磁場(chǎng)中做切割磁力線(xiàn)運動(dòng)時(shí)，對導體內產(chǎn)生感應電動(dòng)勢（Es）的分布進(jìn)行分析，研究磁場(chǎng)分布的影響規律，在保證高準確度、高可靠性和抗干擾能力強、瞬時(shí)流量波動(dòng)范圍小的前提下，尋求寬范圍流量測量時(shí)最優(yōu)的測水流量計。
測水流量計測量液體的流量時(shí)，液體為導電液體，電導率應大于 5μs/cm，流體流過(guò)垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng)導電液體的流動(dòng)感應出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應電動(dòng)勢（Es），感應電動(dòng)勢方程為：
Es=BDV×10 -4
式中：Es--- 電動(dòng)勢，伏特（V）
B---- 磁感應強度，特斯拉（T）
D---- 測量管內徑，厘米（cm）
V---- 被測液體平均流速，米 / 秒（m/s）
因測水流量計與一般的法蘭管道式電磁流量計有很大的不同，測水流量計的傳感器外側形成發(fā)射磁場(chǎng)，測量電極在傳感器的端部，故此根據尼庫接磁（NIKURADS）原理，測量導電液體流量時(shí)，導電流體流過(guò)垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng)導電液體的流動(dòng)感應出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應電動(dòng)勢，感應電動(dòng)勢信號被兩個(gè)與流體相接觸的電極檢測出來(lái)，在轉換器中顯示瞬時(shí)流量和累計流量，并通過(guò)轉換器轉換成標準電信號輸出到上位機，即 4mA ～ 20mA DC，如圖 2 所示。

測水流量計的測量探頭測得管道內部特定位置（管道內徑的 1/8 處）的局部流速，以確定管道流速，測水流量計的傳感器是在測量探頭外側形成外發(fā)射磁場(chǎng)，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(chǎng)的電磁流速傳感器所產(chǎn)生的感應信號受信號流體和磁場(chǎng)的邊界層厚度影響，會(huì )降低測量的線(xiàn)性度，通過(guò)一體化的特殊優(yōu)化設計，在外徑為：Ф47mm（因為需要使用 2 〃螺紋球閥，球閥通孔直徑為：50mm 的緣故），內徑為：Ф40mm，長(cháng)度為：77mm的空間內進(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(cháng)桿，勵磁線(xiàn)圈部件），應用法拉第電磁感應定律和尼庫接磁（NIKURADS）原理，將磁感應強度充分發(fā)揮，達到高準確度、高可靠性、寬范圍的流體測量，同時(shí)采用新材料、新工藝，該結構還具有耐高溫，并且適用于大口徑管道的流體測量等特性。
通過(guò)大量的試驗，對探頭端部外型結構亦采用特殊設計，從而消除兩個(gè)電極之間的擾流現象，同時(shí)亦消除因通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，導致兩個(gè)電極吸附介質(zhì)中的鐵屑而影響測量精度和死區效應，增強了輸出信號的穩定性，從而提高傳感器準確度和抗干擾性。通過(guò)結構的優(yōu)化設計，使用壽命更長(cháng)，測水流量計探頭局部，如圖 3 所示。

2 實(shí)踐當中遇到的實(shí)際難題
在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現剛剛纏繞完畢的勵磁線(xiàn)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算值（1Ω ～ 2Ω）。當勵磁線(xiàn)圈在自然環(huán)境中失效幾個(gè)小時(shí)后，勵磁線(xiàn)圈的阻值恢復到理論設計值。從而推論，含有勵磁線(xiàn)圈的測水流量計受現場(chǎng)管道介質(zhì)溫度的影響非常大，致使測水流量計的轉換器內的技術(shù)參數發(fā)生變化，影響其過(guò)程控制的準確度，而且瞬時(shí)流量波動(dòng)過(guò)大。
其原因是：勵磁線(xiàn)圈的阻值及匝數是按照常溫狀態(tài)下進(jìn)行設計的，而含有勵磁線(xiàn)圈的測水流量計經(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(xiàn)圈的阻值隨使用環(huán)境溫度的變化而變化，致使測水流量計測量時(shí)的準確度大為降低，性能的不確定性大為增加，為了保證儀表的高準確度和穩定性，在不同的季節（主要是環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度），經(jīng)過(guò)大量模擬現場(chǎng)實(shí)際情況的試驗，并結合轉換器的技術(shù)參數要求，得出一個(gè)完善的勵磁線(xiàn)圈各種技術(shù)參數。模擬現場(chǎng)試驗裝置如圖 4 所示。

試驗方法：首先，把測水流量計和溫度傳感器按照圖中所示固定在自動(dòng)加熱箱體中；其次，把測水流量計的勵磁線(xiàn)圈的引線(xiàn)（聚四氟乙烯屏蔽線(xiàn)）與萬(wàn)用表測量阻值端鈕相連接，并把檔位定格在 200Ω 刻度線(xiàn)上；同時(shí)把溫度傳感器（PT100 鉑電阻）的引線(xiàn)與溫度顯示器相連接。
經(jīng)檢查無(wú)誤后，經(jīng)過(guò)大約 10min，記錄此時(shí)水箱中水的溫度，然后接通 220V AC 電源，自動(dòng)電加熱箱體內的水進(jìn)行升溫，以水每升高 5℃，記錄一次萬(wàn)用表顯示的阻值，記錄直至水溫達到 100℃時(shí)的阻值。
試驗數據如下：
為了滿(mǎn)足現場(chǎng)管道高溫介質(zhì)對測水流量計測量準確度的影響，探頭勵磁線(xiàn)圈的阻值在環(huán)境溫度（T=15℃時(shí)），按照理論計算值進(jìn)行纏繞，為 60Ω±0.5Ω，漆包圓繞組線(xiàn)直徑：Φ=0.21mm，經(jīng)過(guò)多次升高介質(zhì)（自來(lái)水）溫度進(jìn)行試驗，勵磁線(xiàn)圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
1）2018 年 12 月份北方的冬季，室溫：15℃～ 20℃內進(jìn)行第一次試驗，升溫試驗時(shí)間共 75min。
勵磁線(xiàn)圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：15℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=60.2Ω
水溫：20℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=61.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：25℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：30℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：35℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：40℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：50℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時(shí)，勵磁線(xiàn)圈阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω
第一次試驗結論：水溫從 15℃升到 100℃時(shí)，每升高5℃，勵磁線(xiàn)圈的電阻值平均增大 1.247Ω。
2）勵磁線(xiàn)圈完全處于室溫：15℃～ 20℃狀態(tài)下，24h后進(jìn)行第二次試驗，升溫試驗時(shí)間共 80min。
勵磁線(xiàn)圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：6℃時(shí)，勵磁線(xiàn)圈阻值：R=58.8Ω
水溫：10℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=59.8Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：15℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
水溫：20℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=61.5Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：25℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=62.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：30℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：35℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=65.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：40℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：45℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
水溫：50℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=68.7Ω 阻值升高1.7Ω
水溫：55℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=69.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=71.2Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：65℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=73.2Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：75℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=74.7Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：80℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=75.8Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：85℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=76.7Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：90℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：95℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=79.1Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：100℃時(shí)，勵磁線(xiàn)圈阻值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω
第二次試驗結論：水溫從 15℃升到 100℃時(shí)，每升高5℃，勵磁線(xiàn)圈的電阻值平均增大 1.179Ω。后又在本季節多次進(jìn)行試驗，試驗結果大體相似。
3）2019 年 7 月 12 日星期四上午 8 ：15 開(kāi)始試驗，試驗室溫：25℃～ 30℃內進(jìn)行第三次試驗，升溫試驗時(shí)間共30min。
勵磁線(xiàn)圈的電阻值與溫度的變化數據表示如下：
水溫：20℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=61.4Ω
水溫：25℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：30℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：35℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：40℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：50℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值    R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時(shí)， 勵磁線(xiàn)圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時(shí)，勵磁線(xiàn)圈阻值：R=80.1Ω 阻值升高 1.1Ω
水溫：100℃時(shí)，連續進(jìn)行 8 小時(shí)高溫度（100℃）水進(jìn)行試驗，此時(shí)的勵磁線(xiàn)圈阻值：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 范圍內波動(dòng)。
這次夏季試驗結論：水溫從 20℃升到 100℃時(shí)，每升高 5℃，勵磁線(xiàn)圈的電阻值平均增大 1.1625Ω。后又在本季節多次進(jìn)行試驗，試驗結果大體相似。
通過(guò)北方寒冷的冬季及夏季的數十次試驗，其試驗的結果基本一致。
為了使勵磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力線(xiàn)均勻、完整地包裹電極，勵磁線(xiàn)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(xiàn)，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(guò)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、穩定的磁場(chǎng)信號，在實(shí)踐中起到了大大降低過(guò)程控制流量的波動(dòng)性，并且增加了流速的穩定性（最小流速為 0.2m/s 時(shí)，可精準、穩定地測量），同時(shí)使測水流量計在標校時(shí)的標校系數大為降低（如轉換器的標校系數：1 ～ 5.9999，則實(shí)際標校過(guò)程中，標校系數只為 1.3 左右），使標校過(guò)程簡(jiǎn)易化，更容易進(jìn)行標校，極大地減輕了標校人員的工作強度，儀表的準確度更高。勵磁線(xiàn)圈部件與端部電極的相對位置如圖 5 所示。
3 測水流量計優(yōu)化設計
通過(guò)在不同季節進(jìn)行的數十次試驗結果，再結合轉換器本身的技術(shù)參數的要求，以及在測水流量計傳感器的有限空間內，進(jìn)行技術(shù)參數、新材料和新工藝的優(yōu)化設計。
1）根據閉合回路的屬性 --- 電感原理及公式：L=μQ ×μ r ×Ae×N 2 /l
式中：L-電感，單位：亨（H）
μQ -自由空間的導磁率：4д×10 -7 H/m
μr -磁芯材料相對的導磁率，單位：亨 / 米（H/m）
Ae-磁芯的截面積，單位：平方米（m 2 ）
N---- 勵磁線(xiàn)圈的匝數
l---- 勵磁線(xiàn)圈纏繞長(cháng)度，單位：米（m）
2）精選勵磁線(xiàn)圈磁芯的材質(zhì)以及尺寸的選擇根據尼庫接磁（NIKURADS）原理，設計、制造和特性參數試驗。為了增大導磁率，極大地改善封閉性磁力線(xiàn)強度，故此選擇實(shí)心勵磁線(xiàn)圈，使磁感應強度大幅增加。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(shí)效增值：≤ 4，最大導磁率：≥ 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，導磁率 μ 高，飽和磁感（Bs）高，磁性穩定又無(wú)磁時(shí)效。鋼質(zhì)純凈度高，電工純鐵系列鋼質(zhì)均為鎮靜鋼，又采用了精練，所以?xún)炔拷M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(chē)、墩、沖、彎、拉等都無(wú)問(wèn)題，具有良好的加工性能，加工表面質(zhì)量好。
3）勵磁線(xiàn)圈的漆包圓繞組線(xiàn)的選擇根據中華人民共和國國家標準 GB/T6109.1-2008《漆包圓繞組線(xiàn) 第一部分：一般規定》和 GB/T6109.2-2008《漆包圓繞組線(xiàn) 第二部分：155 級聚酯漆包銅圓線(xiàn)》的相關(guān)規定，并且結合測水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(xiàn)徑：Φ0.21mm。
型號：QZY+XY-2/150 的含義
系列代號 Q-漆包圓繞組線(xiàn)
漆膜代號 Z-聚酯類(lèi)漆
Y-聚酰亞胺類(lèi)漆
非自粘性漆包線(xiàn) 2-二級漆膜
耐溫溫度 150-攝氏度：150℃
測水流量計勵磁線(xiàn)圈的結構形式如圖 6 所示。
根據以上不同季節的數 10 次試驗，勵磁線(xiàn)圈得出相應的技術(shù)參數如下：
a）從勵磁線(xiàn)圈的漆包圓繞組線(xiàn)的選擇（如：勵磁線(xiàn)圈的型號、線(xiàn)徑等）如上所述。
b）關(guān)于勵磁線(xiàn)圈的阻值通常情況下的理論值均在常溫下進(jìn)行計算與確定，但一定要結合轉換器的相關(guān)技術(shù)參數進(jìn)行選擇。
選擇方法：如測水流量計所選擇的轉換器匹配的阻值為：（X ～ Y）Ω時(shí)，則勵磁線(xiàn)圈的阻值大于或等于1.5X 即可。這樣既能滿(mǎn)足流動(dòng)介質(zhì)溫度低于常溫時(shí)，勵磁線(xiàn)圈阻值必然降低，但不影響轉換器的正常工作，同時(shí)亦能滿(mǎn)足介質(zhì)溫度高于常溫時(shí)，勵磁線(xiàn)圈阻值升高，也不影響轉換器的正常工作。
c）從結構上講，勵磁線(xiàn)圈的磁芯必須長(cháng)于線(xiàn)圈部件為好。其磁芯長(cháng)出部分應與采集信號的電極基本在一個(gè)基準線(xiàn)上，在現有的磁場(chǎng)強度下增加磁力線(xiàn)最大程度上包裹電極，使之電極采集信號的最大化，由此增加測水流量計的準確度和穩定性。
4 結論
本文提出了一種基于插入式電磁型流量計在實(shí)際應用過(guò)程中，勵磁線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計、磁芯材料的選擇和探頭結構等方面的改進(jìn)，提高其在現場(chǎng)運行過(guò)程中的穩定性、準確度等級和抗干擾能力，充分發(fā)揮測水流量計自有優(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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