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 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 ，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
关键词: 电磁流量计; 异径管道; 流速分布; 功耗
　　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
　　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 的大小可表述为:( )式中: 为磁感应强度; 为磁通量变化的面积;为导体长度( 两测量电极之间的距离，对于圆形管道 为测量管内径) ; 为运动的距离; 为运动速度; 为感应电动势假设管道的横截面积为 ，流量为，则式( )可改写为:( )对于高为，宽为 的横截面为矩形的测量管道，则式( ) 可改写为:( )
　　上述电磁流量测量基本方程隐含以下假设条件［］: 流体磁导率 均匀并且其数值等于真空中磁导率，即流体是非磁性的; 流体具有均匀的电导率，并满足欧姆定律; 流体中的位移电流可忽略不计; 磁场在无限大空间范围内均匀分布; 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( ) 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 励磁电流和磁通势 的关系为:( )( )式中: 为磁阻，为磁导率，为磁路的横截面积，为磁路平均长度 根据磁场的欧姆定律［］，磁通量 的大小为:( )( )由式( ) 可知，磁感应强度 与励磁电流成正比，与磁路的平均长度 成反比 在测量电极间距相同时，横截面积相同的圆管和矩形管，矩形管的高度 小于圆管直径 假设磁路与管道之间的距离为 ，则横截面为圆形和矩形的管道其磁路平均长度 分别为 和 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 ，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 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异径测量管道流场仿真仿真模型建立与仿真条件设置使用 软件生成三维模型，将其导入软件的前处理程序 中对 模 型 进 行网格划分，得到模型如图 所示 测量管道由大口径 圆管缩径为小口径宽 ，高 的矩形管道，矩形截面部分长度为 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; 选用湍流模型［］，初始流速 和 ，水力直径 ，湍流强度分别为 和仿真结果( ) 异径管道流场分布对入口处为直径 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，宽度 ，高度 ，管道总长 的条件下采用 软件进行流场仿真，管道初始流速分别为 低流速和 最大流速 其压损和中心截面平均速度如表 所示表 压损和管道收缩部分中心截面平均速度初始流速( )进出口压力损失 中心截面平均速度( )从表 可知，入口流速为 时管道收缩段的流速增加到入口流速的 倍，提高了测量灵敏度 入口流速 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 收缩段流速也增加为入口流速的 倍，即 ，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 图( 其中 轴坐标单位均为 ; 速度单位为 ) 和图 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( ) 异径管道流场畸变对入口处为直径 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，宽度 ，高度 ，管道总长度为的设定条件下采用 软件进行流场仿真，管道初始流速 进出口压力损失为，中心截面平均速度为 ，增大为入口流速的 倍 根据图 图 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( ) 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 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，高度 ，长度为 以步长变化，管道总长 的条件下采用软件进行流场仿真 管道入口初始流速设定为仿真结果如表 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表 收缩部分长度对压损和中心截面平均速度的影响中间长方体长度进出口压力损失中心截面平均速度( )( ) 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 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，高 度 ，宽 度 为 以 步长 变 化，管 道 总 长 的 条 件 下 采 用软件进行流场仿真 管道入口初始流速设定为 压力损失和中心截面平均速度分布如图 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 成正比，与矩形横截面的高度 成反比，在励磁电流一定时高度 越小传感器灵敏度越高 但当高度相对于圆形入口的通径 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 圆管，收缩部分截面为高 宽 的矩形，测量管道总长度 ，收缩部分长度 以微功耗单片机 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 ，静态电流小于 励磁电流波形为峰值 的 方波，每次测量正向励磁及反向励磁各 ，每测量一次 样机平均工作电流和一年的能耗为:［( ) ］ ( )( )样机采用 节高能锂电池供电，单节电池容量或 ，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 ，测量对象为普通工业用水，设定流速测量范围 ，实验数据 如 表 所 示 实 验 数 据 表 明，样 机 精 度 优于 ，满足设计要求表 样机实验数据流量( )体积 样机示值误差 相对误差
　　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 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
    参考文献: 靳笑宇，苏兆棠，莫德举便携式低功耗电磁流量计测量电路设计［］仪器仪表用户， ，( ) :［］王尚宏环保节能的低电压微功耗电磁流量计［］中国计量，，( ) :［］李长奇，张亚先，孙丽梅，等电磁流量计的电池供电励磁技术［］数字技术与应用， ，( ) :［］卫开夏，李斌，陈坚祯非满管电磁流量计液位测量方法研究［］传感技术学报， ，( ) : 黄皎，姚春，丁 婷，等基于新型励磁方式的电磁流量计设计［］传感技术学报， ，( ) :［］蔡武昌电磁流量计［］北京: 中国石化出版社， 史晓妍，张洪军，张东飞，等弯管后均速管流量计输出特性数值模拟［］中国计量学院学报， ，( ) :［］ ，封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表 第一部分: 规范［］北京: 中国标准出版社，