根據電磁流量計的測量原理以及磁路歐姆定律，分別對影響傳感器靈敏度的線圈匝數、磁導率、線圈寬度和傳感器長度等因素進行了分析、仿真和標定。試驗結果表明，傳感器靈敏度與線圈匝數和線圈寬度成正比; 導磁材料硅鋼片能有效增強磁感應強度。

0引言

電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電性液體體積流量的儀表。由于其具有無壓損、可測流量范圍寬、被測液體溫度范圍寬、成本低等特點,已被廣泛應用于水和廢水處理、礦業和冶金、食品和飲料、造紙、電力等工業領域中,用來測量自來水、污水、礦漿、啤酒、果汁、紙漿、泥漿等各種酸、堿、鹽溶液。電磁流量計由傳感器和變送器組成,傳感器將管道中流體的流速轉換為電信號,通過電極把電信號引入變送器,變送器對電信號進行放大調理并轉換成標準電信號輸出。傳感器主要由磁路系統和電極等組成,磁路系統產生磁場,流體流過磁場切割磁力線產生電動勢,電極將產生的電動勢引入變送器。該電動勢極其微弱,一般在0.2~0.4 m V/(m/s)的范圍之間,無法直接測量。對于不同尺寸的傳感器要求得到相同的靈敏度,或者已知要求的靈敏度如何設計傳感器就成了亟待解決的問題。

1.測量原理

根據法拉第電磁感應定律,當導體在磁場中運動且切割磁力線時,在導體兩端便會產生感應電動勢。電磁流量計工作原理如圖1所示。

設在磁感應強度為 B 的均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為 D 的管道。管道由不導磁材料制成，內表面加絕緣襯里。當導電的液體在管道中流動時，導電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動方向垂直的方向上將產生感應電動勢 E。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內流速 v 為軸對稱分布，兩極之間就會產生感應電動勢:

2.傳感器勵磁理論基礎

電磁流量傳感器勵磁回路中線圈匝數 N、勵磁電流 I 和磁通勢 F 的關系為:

3.影響電磁流量傳感器信號強度因素

根據式( 1) ，在傳感器尺寸一定的情況下，其靈敏度只與磁感應強度 B 有關。一般來說，同一系列的傳感器將采用同一種驅動電流，根據式( 6) ，想要改變磁感應強度 B，只能改變線圈匝數 N 和磁導率 μ。磁場的覆蓋范圍( 即線圈寬度) 也會直接影響傳感器的靈敏度 。

電磁流量傳感器電極電壓與流體流速成正比，當標定傳感器時確定傳感器增益和偏移量，從而確定電極電壓跟流體流速之間的正比關系。傳感器增益是反映傳感器靈敏度的一個物理量，在相同的流速下增益越大，則靈敏度越高。

3． 1 線圈匝數

對于一臺口徑為 8 英寸( 1 英寸=25． 4 mm) 的傳感器，將線圈匝數從 288 匝改為 230 匝，其他參數不變，分別進行了 Maxwell 仿真和標定。仿真結果表明288 匝的磁力線明顯比 230 匝的磁力線密，磁感應強度沿徑向減少了約 20% ，沿管道內壁磁感應強度也減少了約 20% 。線圈匝數變化時傳感器增益標定值對比如表 1 所示。傳感器增益從 98． 00 下降到 78． 99，也相應減少了 19． 4% 。

仿真和試驗結果表明，線圈匝數與磁感應強度成正比，改變線圈匝數會相應改變磁感應強度。也就是說，增加線圈匝數可以相應成比例地提高傳感器靈敏度。當然，隨著線圈匝數的增加，其電阻值、電感量、體積、質量以及成本也會相應增加。電阻值的增加會提高傳感器的功耗，電感量的增加也會限制線圈的驅動頻率 。因此，選擇線圈匝數，需要結合功耗、驅動電壓、驅動頻率、分體式安裝時的***長距離和成本等參數進行綜合考慮。

3． 2 磁導率

加入磁導率高的導磁材料會改變線圈的磁力線分布，能有效利用馬鞍型線圈產生的磁場，提高管道內磁感應強度 。本文采用了硅鋼片作為導磁材料，其緊貼線圈和管道外壁，將線圈包圍，進行 Maxwell 仿真和試驗室流量標定。Maxwell 仿真表明，加了硅鋼片以后，硅鋼片內部磁力線明顯更加密集，硅鋼片外部只存在少量磁力線，沿電極連線磁感應強度平均增加約12% ，沿管道內壁磁感應強度平均增加約 20% 。

增益標定值如表 2 所示，傳感器增益由 78． 99 增加到 89． 00，提高了 12． 7% 。

3． 3 線圈寬度

線圈寬度決定著磁場沿軸向分布范圍，線圈越寬，磁場分布越寬; 線圈越窄，磁場分布越窄。標準線圈參數如表 3 所示。