电磁流量计励磁线圈的形状及磁场仿真
1.1 应用背景
工业应用中，被测液体的流速范围一般在 0.3~2.0 m/s，电极两端的感应电动势最大 50.00 mV，最小0.10 mV，这样的信号非常弱，还要考虑噪声的干扰，有时噪声幅值甚至会超过被测信号的幅值[5−8]。传统的电磁流量计很难达到比较高的测量精度。为了提高测量的准确度就要尽量增强励磁磁场的强度以及磁场的均匀性，使得电极两端的感应电动势增强[9−11]。在同样的励磁条件以及线圈用料相同的情况下，可以绕制成多种形状的励磁线圈，通过比较产生的磁场均匀性以及磁场强度，可以选出最佳的励磁线圈形状。
1.2 3 种形状励磁线圈磁场仿真
励磁线圈的形状常见的有圆形、菱形和马鞍形 3种。对相同用料下不同形状励磁线圈产生的磁场的强度以及均匀度进行仿真比较。3 种励磁线圈的形状如图 2 所示。图 2 3 种励磁线圈形状Fig. 2 Three shapes of excitation coil
为保证用料相同，以圆形的周长为 1 m，按比例绕制马鞍形和菱形的线圈。将马鞍形、圆形和菱形线圈分别贴到管壁上，令线圈轴向长度与用料相同，且被测液体流速均为 1m/s。其中，具体仿真参数设置
如下：
1) 管道参数。管道直径为 100 mm，管壁厚度为10 mm，管道长度为 220 mm。
2) 线圈参数。线圈宽度厚度为 10 mm，线圈轴长为 150 mm。
3) 励磁参数。圆形线圈为 200 匝，菱形为 273 匝，
马鞍形为 185 匝，励磁电流为 1 A。所得的仿真结果如表 1 所示。表 1 不同形状励磁线圈的磁场仿真结果Table 1 Simulation results of magnetic field inducedby different shapes of coil T
参数 马鞍形 圆形 菱形BminBmax
6.780×10−4
1.771×10−3
1.621×10−3
4.288×10−3
5.338×10−4
2.956×10−3
Bv 1.229×10−3
3.118×10−3
1.599×10−3
B(0,0,0) 1.184×10−3
2.940×10−3
1.452×10−3
Bzmax 1.184×10−3
2.940×10−3
1.456×10−3
Bzmin 1.125×10−3
2.684×10−3
1.227×10−3
Bz=0 1.232×10−3
3.201×10−3
1.705×10−3
Bz=0.025 1.199×10−3
2.948×10−3
1.402×10−3
注：Bmin 和 Bmax 分别为整个磁场空间磁场强度最小值和最大值；Bv 为整个磁场空间磁场强度平均值；B(0,0,0)为点(0,0,0)处磁场强度；Bzmax 为 z 轴最大磁场强度；Bzmin 为 z 轴最小磁
场强度；Bz=0 为 x−yz=0 平面内磁场强度平均值；Bz=0.025 为x−yz=0.025 平面内磁场强度平均值。