探究励磁线圈对插入式电磁流量计的影响

    摘 要 ：为了提高插入式电磁流量计的准确度和稳定性，简述了励磁线圈的结构、新材料和新工艺 ；讨论了励磁线圈在设计、制造及装配中对插入式电磁流量计的影响，指出了插入式电磁流量计在设计时的注意事项。

    插入式电磁流量计因其特殊的结构形式，致使其抗干扰能力较弱、准确度偏低以及瞬时流量波动过大等不良现象，但便于安装、造价低廉、普遍应用于大管道等特点而存在。为了发挥其优势，消除其不利因素，对其内部结构及其相关技术参数进行优化设计，从而使其准确度能够达到 ±1% FS，使抗干扰能力得到极大地增强。本文主要通过优化设计、选择材料和试验，使插入式电磁流量计的稳定性和准确度大幅度提高，并提出解决措施，对实际应用具有参考价值。分析与研究程序图如图 1 所示。

 

    1 测量原理
    根据法拉第电磁感应定律的工作原理，也就是液态导体在磁场中做切割磁力线运动时，对导体内产生感应电动势（Es）的分布进行分析，研究磁场分布的影响规律，在保证高准确度、高可靠性和抗干扰能力强、瞬时流量波动范围小的前提下，寻求宽范围流量测量时**优的插入式电磁流量计。

    插入式电磁流量计测量液体的流量时，液体为导电液体，电导率应大于 5μs/cm，流体流过垂直于流动方向的磁场导电液体的流动感应出平均流速，从而获得与流体的体积流量成正比的感应电动势（Es），感应电动势方程为[1]：
                            Es=BDV×10 -4
    式中：Es--- 电动势，伏特（V）
          B---- 磁感应强度，特斯拉（T）
          D---- 测量管内径，厘米（cm）
          V---- 被测液体平均流速，米 / 秒（m/s）

    因插入式电磁流量计与一般的法兰管道式电磁流量计有很大的不同，插入式电磁流量计的传感器外侧形成发射磁场，测量电极在传感器的端部，故此根据尼库接磁（NIKURADS）原理，测量导电液体流量时，导电流体流过
垂直于流动方向的磁场导电液体的流动感应出平均流速，从而获得与流体的体积流量成正比的感应电动势，感应电动势信号被两个与流体相接触的电极检测出来，在转换器中显示瞬时流量和累计流量，并通过转换器转换成标准电信号输出到上位机，即 4mA ～ 20mA DC，如图 2 所示。

 

    插入式电磁流量计的测量探头测得管道内部特定位置（管道内径的 1/8 处）的局部流速，以确定管道流速，插入式电磁流量计的传感器是在测量探头外侧形成外发射磁场，测量电极在传感器的端部。
 
    基于以上目的，为了降低外发射磁场的电磁流速传感器所产生的感应信号受信号流体和磁场的边界层厚度影响，会降低测量的线性度，通过一体化的特殊优化设计，在外径为：Ф47mm（因为需要使用 2 〃螺纹球阀，球阀通孔直径为：50mm 的缘故），内径为：Ф40mm，长度为：77mm的空间内进行布置各个相关零、部件（两个电极、两个电极加长杆，励磁线圈部件），应用法拉第电磁感应定律和尼库接磁（NIKURADS）原理，将磁感应强度充分发挥，达到高准确度、高可靠性、宽范围的流体测量，同时采用新材料、新工艺，该结构还具有耐高温，并且适用于大口径管道的流体测量等特性。

    通过大量的试验，对探头端部外型结构亦采用特殊设计，从而消除两个电极之间的扰流现象，同时亦消除因通电产生磁场，导致两个电极吸附介质中的铁屑而影响测量精度和死区效应，增强了输出信号的稳定性，从而提高传感器准确度和抗干扰性。通过结构的优化设计，使用寿命更长，插入式电磁流量计探头局部，如图 3 所示。

 

    2 实践当中遇到的实际难题
    在生产实践中，发现刚刚缠绕完毕的励磁线圈，由于摩擦生热的原因，直接进行测量阻值时，阻值往往大于理论计算值（1Ω ～ 2Ω）。当励磁线圈在自然环境中失效几个小时后，励磁线圈的阻值恢复到理论设计值。从而推论，含有励磁线圈的插入式电磁流量计受现场管道介质温度的影响非常大，致使插入式电磁流量计的转换器内的技术参数发生变化，影响其过程控制的准确度，而且瞬时流量波动过大。

    其原因是：励磁线圈的阻值及匝数是按照常温状态下进行设计的，而含有励磁线圈的插入式电磁流量计经常是高于常温状态下进行安装、使用（如：高炉回水、供热管道等），励磁线圈的阻值随使用环境温度的变化而变化，致使插入式电磁流量计测量时的准确度大为降低，性能的不确定性大为增加，为了保证仪表的高准确度和稳定性，在不同的季节（主要是环境温度和介质温度），经过大量模拟现场实际情况的试验，并结合转换器的技术参数要求，得出一个完善的励磁线圈各种技术参数。模拟现场试验装置如图 4 所示。

 

    试验方法：shou先，把插入式电磁流量计和温度传感器按照图中所示固定在自动加热箱体中；其次，把插入式电磁流量计的励磁线圈的引线（聚四氟乙烯屏蔽线）与万用表测量阻值端钮相连接，并把档位定格在 200Ω 刻度线上；同时把温度传感器（PT100 铂电阻）的引线与温度显示器相连接。

    经检查无误后，经过大约 10min，记录此时水箱中水的温度，然后接通 220V AC 电源，自动电加热箱体内的水进行升温，以水每升高 5℃，记录一次万用表显示的阻值，记录直至水温达到 100℃时的阻值。

    试验数据如下：   
    为了满足现场管道高温介质对插入式电磁流量计测量准确度的影响，探头励磁线圈的阻值在环境温度（T=15℃时），按照理论计算值进行缠绕，为 60Ω±0.5Ω，漆包圆绕组线直径：φ=0.21mm，经过多次升高介质（自来水）温度进行试验，励磁线圈的电阻值与温度的变化数据表示如下：

    1）2018 年 12 月份北方的冬季，室温：15℃～ 20℃内进行很好次试验，升温试验时间共 75min。
    励磁线圈的电阻值与温度的变化数据表示如下：

    水温：15℃时， 励磁线圈阻值：R=60.2Ω
    水温：20℃时， 励磁线圈阻值：R=61.3Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：25℃时， 励磁线圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：30℃时， 励磁线圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：35℃时， 励磁线圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：40℃时， 励磁线圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
    水温：45℃时， 励磁线圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：50℃时， 励磁线圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：55℃时， 励磁线圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：60℃时， 励磁线圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：65℃时， 励磁线圈阻值：R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：70℃时， 励磁线圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：75℃时， 励磁线圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：80℃时， 励磁线圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
    水温：85℃时， 励磁线圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：90℃时， 励磁线圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：95℃时， 励磁线圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
    水温：100℃时，励磁线圈阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω

    很好次试验结论：水温从 15℃升到 100℃时，每升高5℃，励磁线圈的电阻值平均增大 1.247Ω。

    2）励磁线圈完全处于室温：15℃～ 20℃状态下，24h后进行第二次试验，升温试验时间共 80min。
    励磁线圈的电阻值与温度的变化数据表示如下：

    水温：6℃时，  励磁线圈阻值：R=58.8Ω
    水温：10℃时， 励磁线圈阻值：R=59.8Ω 阻值升高1.0Ω
    水温：15℃时， 励磁线圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
    水温：20℃时， 励磁线圈阻值：R=61.5Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：25℃时， 励磁线圈阻值：R=62.8Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：30℃时， 励磁线圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.0Ω
    水温：35℃时， 励磁线圈阻值：R=65.0Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：40℃时， 励磁线圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：45℃时， 励磁线圈阻值：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
    水温：50℃时， 励磁线圈阻值：R=68.7Ω 阻值升高1.7Ω
    水温：55℃时， 励磁线圈阻值：R=69.9Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：60℃时， 励磁线圈阻值：R=71.2Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：65℃时， 励磁线圈阻值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：70℃时， 励磁线圈阻值：R=73.2Ω 阻值升高0.9Ω
    水温：75℃时， 励磁线圈阻值：R=74.7Ω 阻值升高1.5Ω
    水温：80℃时， 励磁线圈阻值：R=75.8Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：85℃时， 励磁线圈阻值：R=76.7Ω 阻值升高0.9Ω
    水温：90℃时， 励磁线圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：95℃时， 励磁线圈阻值：R=79.1Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：100℃时，励磁线圈阻值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω

    第二次试验结论：水温从 15℃升到 100℃时，每升高5℃，励磁线圈的电阻值平均增大 1.179Ω。后又在本季节多次进行试验，试验结果大体相似。

    3）2019 年 7 月 12 日星期四上午 8 ：15 开始试验，试验室温：25℃～ 30℃内进行第三次试验，升温试验时间共30min。

    励磁线圈的电阻值与温度的变化数据表示如下：
    水温：20℃时， 励磁线圈阻值：R=61.4Ω
    水温：25℃时， 励磁线圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：30℃时， 励磁线圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：35℃时， 励磁线圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：40℃时， 励磁线圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
    水温：45℃时， 励磁线圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：50℃时， 励磁线圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：55℃时， 励磁线圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：60℃时， 励磁线圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：65℃时， 励磁线圈阻值  R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：70℃时， 励磁线圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：75℃时， 励磁线圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
    水温：80℃时， 励磁线圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
    水温：85℃时， 励磁线圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
    水温：90℃时， 励磁线圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
    水温：95℃时， 励磁线圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
    水温：100℃时，励磁线圈阻值：R=80.1Ω 阻值升高 1.1Ω

    水温：100℃时，连续进行 8 小时高温度（100℃）水进行试验，此时的励磁线圈阻值：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 范围内波动。

    这次夏季试验结论：水温从 20℃升到 100℃时，每升高 5℃，励磁线圈的电阻值平均增大 1.1625Ω。后又在本季节多次进行试验，试验结果大体相似。

    通过北方寒冷的冬季及夏季的数十次试验，其试验的结果基本一致。

    为了使励磁线圈产生的磁力线均匀、完整地包裹电极，励磁线圈的磁芯要尽量与电极端部相接近，使电极整体充分地切割磁力线，同时兼顾电感值的大小，在电感值适中的情况下（后面论述，经过理论计算和试验，电感值：L=390mH 为宜），从而产生连绵不断的、强大、稳定的磁场信号，在实践中起到了大大降低过程控制流量的波动性，并且增加了流速的稳定性（**小流速为 0.2m/s 时，可精准、稳定地测量），同时使插入式电磁流量计在标校时的标校系数大为降低（如转换器的标校系数：1 ～ 5.9999，则实际标校过程中，标校系数只为 1.3 左右），使标校过程简易化，更容易进行标校，极大地减轻了标校人员的工作强度，仪表的准确度更高。励磁线圈部件与端部电极的相对位置如图 5 所示。

    3 插入式电磁流量计优化设计
    通过在不同季节进行的数十次试验结果，再结合转换器本身的技术参数的要求，以及在插入式电磁流量计传感器的有限空间内，进行技术参数、新材料和新工艺的优化设计。

    1）根据闭合回路的属性 --- 电感原理及公式：L=μ Q ×μ r ×Ae×N 2 /l

    式中：L—电感，单位：亨（H）
    μ Q —自由空间的导磁率：4д×10 -7 H/m
    μ r —磁芯材料相对的导磁率，单位：亨 / 米（H/m）
    Ae— 磁芯的截面积，单位：平方米（m 2 ）
    N---- 励磁线圈的匝数
    l---- 励磁线圈缠绕长度，单位：米（m）

    2）精选励磁线圈磁芯的材质以及尺寸的选择根据尼库接磁（NIKURADS）原理，设计、制造和特性参数试验。为了增大导磁率，极大地改善封闭性磁力线强度，故此选择实心励磁线圈，使磁感应强度大幅增加。磁芯采用磁性等级：很好；牌号：电工纯铁（型号：DT4C）；矫顽力：≤ 32，矫顽力时效增值：≤ 4，**大导磁率：≥ 0.0151

    工业纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。工业纯铁熔点比铁高，在潮湿的空气中比铁难以生锈，在冷的浓硫酸中可以钝化；同时电磁性能好。矫顽力（Hc）低，导磁率 μ 高，饱和磁感（Bs）高，磁性稳定又无磁时效。钢质纯净度高，电工纯铁系列钢质均为镇静钢，又采用了精练，所以内部组织致密，均匀，优良，气体含量少，成品含碳量≤ 0.004%，冷、热加工性能好。冷加工如车、墩、冲、弯、拉等都无问题，具有良好的加工性能，加工表面质量好。

    3）励磁线圈的漆包圆绕组线的选择根据中华人民共和国国嘉标准 GB/T6109.1—2008《漆包圆绕组线 很好部分：一般规定》 [2] 和 GB/T6109.2—2008《漆包圆绕组线 第二部分：155 级聚酯漆包铜圆线》 [3] 的相关规定，并且结合插入式电磁流量计的具体使用情况及使用范围的安全裕度，选择型号：QZY=XY-2/200，线径：φ0.21mm。

    型号：QZY+XY-2/150 的含义
    系列代号 Q—漆包圆绕组线
    漆膜代号 Z—聚酯类漆
     Y—聚酰亚胺类漆
    非自粘性漆包线 2—二级漆膜
    耐温温度 150—摄氏度：150℃
    插入式电磁流量计励磁线圈的结构形式如图 6 所示。

    根据以上不同季节的数 10 次试验，励磁线圈得出相应的技术参数如下：

    a）从励磁线圈的漆包圆绕组线的选择（如：励磁线圈的型号、线径等）如上所述。

    b）关于励磁线圈的阻值通常情况下的理论值均在常温下进行计算与确定，但一定要结合转换器的相关技术参数进行选择。

    选择方法：如插入式电磁流量计所选择的转换器匹配的阻值为：（X ～ Y）Ω 时，则励磁线圈的阻值大于或等于1.5X 即可。这样既能满足流动介质温度低于常温时，励磁线圈阻值必然降低，但不影响转换器的正常工作，同时亦能满足介质温度高于常温时，励磁线圈阻值升高，也不影响转换器的正常工作。

    c）从结构上讲，励磁线圈的磁芯必须长于线圈部件为好。其磁芯长出部分应与采集信号的电极基本在一个基准线上，在现有的磁场强度下增加磁力线**大程度上包裹电极，使之电极采集信号的**大化，由此增加插入式电磁流量计的准确度和稳定性。

    4 结论
    本文提出了一种基于插入式电磁型流量计在实际应用过程中，励磁线圈经过优化设计、磁芯材料的选择和探头结构等方面的改进，提高其在现场运行过程中的稳定性、准确度等级和抗干扰能力，充分发挥插入式电磁流量计自有优势，对该产品质量的提升具有实质性作用。