CN112504365B - 一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法 - Google Patents

一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法。包括以下步骤：根据传感器实体样机，构建传感器初始有限元仿真模型；设计影响因素水平表，采用中心组合设计(CCD)方法设计试验方案并对试验方案仿真求解；根据设计变量输入和对应求解的响应值输出，构造优化所需的各响应的响应面目标函数；采用遗传算法对响应面目标函数非线性多目标优化，得到最优磁路结构参数；根据最优的磁路结构参数进行三维建模和有限元仿真求解，验证优化效果。本发明可以在系统功耗不变、动态特性一定的限制下，进行传感器磁路结构的综合优化设计，从而提高传感器测量精度、提高研发效率、降低生产成本，有利于实现传感器磁路结构的正向开发。

Description

一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法
技术领域
本发明涉及流量传感器结构设计技术领域，尤其是涉及一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法。
背景技术
电磁流量传感器具有结构简单、无压力损失、精度高、测量范围大、使用可靠等优点，广泛应用于工业、农业和医药等流量测量领域。电磁流量传感器要实现高精度测量，需要增强磁感应强度、提高磁场均匀性，使得电极两端的感应电动势信号增强。提升磁感应强度的方法一般有三种，一是提高励磁电流，二是增加线圈匝数，三是增加铁磁材料的用量。其中，提高励磁电流和增加线圈匝数均会增加系统功耗，会造成传感器功耗变大，发热严重。增加铁磁材料的用量，会增大传感器的电感值，导致传感器动态特性变差，影响有用信号的采集。因此，如何在系统功耗不变的条件下，开展传感器磁路结构优化设计方法研究，从而提升相同测量条件的传感器感应电动势信号，并保证一定的传感器动态特性，是一个亟需解决的问题。
国内外学者针对电磁流量传感器的磁路结构优化设计开展了大量的研究。但在现有的研究成果中，仅考虑单独优化磁路中的线圈结构或铁磁结构，未考虑同时改变线圈结构和铁磁结构的综合磁路结构优化。另外，实际应用中，通常对电磁流量传感器的动态响应时间有一定的要求，而现有的相关磁场分析文献中，仅研究了磁路结构参数与传感器内磁感应强度、磁场均匀度、感应电动势信号的关系，尚未有相关文献研究磁路结构参数与动态响应时间的关系。
系统功耗不变的要求下，励磁电流和线圈材质、阻值不变，此时影响传感器测量性能的磁路结构参数因素包括：线圈结构(线圈厚度、线圈高度、线圈内外尺寸长度和宽度、线圈匝数)、磁轭结构(磁轭宽度和长度)、极靴结构(极靴宽度和轴长)。由于影响因素较多，而且各因素的不同组合会形成不同的磁路，采用遍历仿真试验方法会耗费大量的时间，且无法揭示磁路结构各参数的本质特性规律。同时，实际工况中传感器测量性能存在多个评价指标：感应电动势信号、动态响应时间、磁感应强度、磁场均匀度。因此，电磁流量传感器磁路结构的综合优化设计是一个多参数多目标(多影响因素、多性能目标)的结构设计。
综合以上，电磁流量传感器的磁路结构优化设计存在以下两个技术难点：
1、针对多个影响因素，如何通过合理的试验设计减少试验次数，缩短试验周期，提高磁路结构的综合优化效率。
2、针对多个传感器测量性能评价指标，如何在系统功耗、动态响应时间的约束下，通过合理的函数建模与算法优化，得到满足要求的磁路结构参数。
发明内容
为解决这些技术难题，本发明的目的在于提出一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据未优化的电磁流量传感器实体样机测量管、线圈、磁轭、极靴的几何尺寸和材料属性，构建初始的三维有限元仿真模型，对传感器的磁场参数、电参数进行初始仿真求解；
步骤2：设计磁路结构的影响因素水平表，并采用中心组合设计(CCD)方法设计试验方案，对试验方案进行仿真求解与计算得到传感器的性能评价指标响应值；
步骤3：根据步骤(2)获取的各个响应值，构造反映磁路结构变量输入与响应输出关系的二次响应面目标函数；
步骤4：运用基于满意度函数准则的遗传算法，对二次响应面目标函数进行非线性多目标优化，得到最优传感器磁路结构参数；
步骤5：根据最优的磁路结构参数进行三维建模和有限元仿真求解，验证优化效果。
所述步骤(1)具体是指：根据未优化电磁流量传感器实体样机的结构参数和材料属性，以轴对称方式构建三维几何模型，并基于三维几何模型建立流场、磁场和电场的耦合仿真模型，对传感器的磁场参数、电参数进行初始仿真求解。
所述步骤(2)具体是指：依据仿真分析结果，将线圈厚度m、磁轭宽度W、极靴宽度w、极靴轴长l作为主变量；除主变量外，磁路结构还和受主变量制约的从变量有关；由于不同主变量的从变量数量不同，且主从变量之间存在特定的函数关系，独立的影响因素仅为主变量；本步骤将线圈厚度m、磁轭宽度W、极靴宽度w、极靴轴长l作为主变量影响因素，感应电动势信号E、动态响应时间常数τ、电极截面磁感应强度平均值
Figure GDA0003574281740000021
磁场均匀度U为性能评价指标，采用中心组合设计(CCD)方法，对影响因素设计试验方案，并对试验方案进行有限元仿真求解，得到响应结果。
所述步骤(3)具体是指：基于响应面的建模方法，构造性能评价指标E、τ、
Figure GDA0003574281740000022
U与主变量影响因素m、W、w、l之间的二次响应面目标函数；
Figure GDA0003574281740000023
Figure GDA0003574281740000031
Figure GDA0003574281740000032
Figure GDA0003574281740000033
式中，xi,xj(i,j＝1,2,3,…,n)为主变量影响因素，n为影响因素个数，a0,ai,aii,aij,b0,bi,bii,bij,c0,ci,cii,dij,d0,di,dii,dij为未知系数。
所述步骤(4)具体是指：根据传感器的不同测量工况，设定动态相应时间常数τ的最大值为T0；采用基于满意度函数的遗传算法，根据传感器不同测量工况，设定各目标函数权值占比，进行多目标优化；确定τ≤T0时，获得最大感应电动势Emax、最大磁感应强度
Figure GDA0003574281740000034
最优磁场均匀度Umin对应的电磁流量传感器磁路结构参数。
所述步骤(5)具体是指：根据最优磁路结构参数进行三维建模和有限元仿真求解，与未优化样机的模型仿真结果比较，验证优化效果。
所述传感器线圈适用于铜线用量相同的马鞍形、圆形、椭圆形、矩形、菱形，以及其他形状线圈。
所述方法也可以应用于电磁流量传感器其他结构优化设计过程，比如电极结构的优化。
本发明的有益效果在于：在多种实际工况的要求限制下，能够有效地开展磁路结构综合优化工作，从而改进传感器测量性能、提升感应电动势信号和拓展仪表测量下限。本发明综合考虑了磁路中线圈结构和铁磁结构的参数优化，提出了针对性的磁路结构优化设计方法：采用有限次试验构造有效的函数模型，通过算法实现多目标优化，获得与大批量遍历试验相似的试验结果，提高了磁路结构优化的准确性和效率。
附图说明
图1为电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法流程图。
图2为电磁流量传感器的整体仿真结构示意图。
图3(a)～(c)为线圈二维结构示意图。
图4为线圈三维仿真结构示意图。
图5为极靴二维结构示意图。
图6为极靴三维仿真结构示意图。
图7为磁轭二维结构示意图。
图8为磁轭三维仿真结构示意图。
图中：1-测量管，2-马鞍形线圈，3-极靴，4-磁轭，5-线圈外尺寸宽度A，6-线圈外尺寸长度B，7-线圈内尺寸宽度a，8-线圈内尺寸长度b，9-线圈厚度m，10-线圈高度n，11-马鞍形线圈压弯半径R，12-极靴宽度w，13-极靴轴长l，14-磁轭宽度W，15-单个磁轭弧长C。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明提出的一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法做进一步解释和说明。
本发明以DN65圆管电磁流量传感器磁路优化设计为例，图1是本发明实施的流程图，具体步骤如下：
步骤(1)根据未优化电磁流量传感器实体样机的结构参数和材料属性，以轴对称方式构建三维几何模型(如图2所示)，并基于三维几何模型建立流场、磁场和电场的耦合仿真模型，对传感器的磁场参数、电参数进行初始仿真求解。
结构参数包括传感器测量管结构1、线圈结构2(线圈三维结构如图4)、极靴结构3(极靴三维结构如图6)、磁轭结构4(磁轭三维结构如图8)；材料属性包括测量管及其内侧绝缘层材质；线圈线径和线圈材质；极靴和磁轭材质；流场模块选择湍流模型；磁场模块、电场模块选择磁场和电场模型。经多场耦合仿真得线圈的电阻和电感、电极两端的电势、电极截面的磁感应强度分布等结果。
步骤(2)设计磁路结构的影响因素水平表，并采用中心组合设计(CCD)方法设计试验方案，对试验方案进行有限元仿真求解与计算得到E、τ、
Figure GDA0003574281740000041
U响应值。
采用CCD方法进行试验方案设计，建立E、τ、
Figure GDA0003574281740000042
U与m、W、w、l之间的分布规律，如图3(c)、图5和图7所示，选取线圈厚度9,、磁轭宽度14、极靴宽度12、极靴轴长13作为变化因素，试验因素水平表如表1所示：
表1试验因素水平表
Figure GDA0003574281740000043
Figure GDA0003574281740000051
如图3(a)、(c)所示，线圈结构从变量为：线圈外尺寸宽度5、外尺寸长度6、线圈内尺寸宽度7、内尺寸长度8、线圈高度10、线圈匝数N。
首先根据实体样机的线圈安装空间确定线圈外尺寸宽度5和长度6，线圈所用铜线规格和绕制线圈的铜线总长L不变，假设线圈按图3(c)的方式进行紧密绕制，但实际导线之间仍存在一定的间隙，故线圈绕制等效直径要大于铜线线径，设置铜线等效直径为d。
设线圈绕制时一圈的平均周长为c，线圈总匝数为N，则通过公式(5)～(11)便初步确定了线圈的结构参数。
1)首先根据绕制线圈的外尺寸宽度5和长度6，线圈厚度9，根据公式(5)计算出线圈内尺寸宽度7、内尺寸长度8。
2)然后根据线圈外尺寸宽度5和长度6，线圈厚度9，根据公式(6)计算出线圈绕制时一圈的平均周长c。
3)根据绕制线圈的铜线总长L，以及线圈绕制一圈的平均周长c，根据公式(7)计算出线圈绕制的大致匝数N。
4)由线圈厚度9和等效直径d，根据公式(8)计算线圈厚度9方向的铜线根数n1。
5)根据公式(9)确定线圈高度10方向的铜线根数n2。
6)根据公式(10)确定线圈的高度10，从而在理论上确定了线圈的结构参数。
7)由于公式(9)计算得到的铜线根数n2往往为非整数，所以根据公式(11)修正线圈匝数，获得线圈匝数N的准确值。
a＝A-2m，b＝B-2m (5)
Figure GDA0003574281740000052
N＝L/c (7)
n1＝m/d (8)
n2＝N/n1 (9)
n＝n2×d (10)
修正取整N＝n1×n2 (11)
如图7所示，磁轭结构从变量：单个磁轭弧长15。
设置极靴和磁轭所用铁磁材料厚度为δ。此时，单个磁轭弧长15可根据图3(b)—马鞍形线圈压弯半径11、图3(c)—线圈高度10、图3(a)—线圈内尺寸宽度7、铁磁材料厚度δ计算得到，计算公式(12)如下：
C＝π(R+n+2δ)-a (12)
CCD表的具体试验组合如下表2的“因素水平”栏所示，“因素水平”栏的不同因素组合经有限元软件COMSOL Multiphysics仿真求解，得到的E、τ、
Figure GDA0003574281740000064
U记入表2的“仿真计算结果”栏。
“仿真计算结果”栏中，各性能评价指标的计算公式如下(13)～(16)：
感应电动势信号E为
E＝V1-V2 (13)
式中，
E—感应电动势信号，V；
V1—左电极电势，V；
V2—右电极电势，V。
动态响应时间常数τ为
Figure GDA0003574281740000061
其中，
τ—动态响应时间常数，ms；
L—线圈串联电感，mH；
R—线圈串联电阻，Ω。
电极截面内的磁感应强度平均值
Figure GDA0003574281740000062
为
Figure GDA0003574281740000063
其中，
k—电极截面内的磁感应强度截点；
n—电极截面内的磁感应强度总截点数；
Bk—电极截面内的每个截点对应的磁感应强度，Gs。
电极截面的磁场均匀度U为
Figure GDA0003574281740000071
其中，
k—电极截面内的磁感应强度截点；
Bk—电极截面内的每个截点对应的磁感应强度，Gs；
Figure GDA0003574281740000072
—电极截面内的磁感应强度平均值，Gs。
表2 CCD试验设计表
Figure GDA0003574281740000073
Figure GDA0003574281740000081
根据响应面计算理论，对表2中的CCD因素水平表及仿真计算结果进行多元回归拟合，构造出反映磁路结构变量输入与响应输出关系的二次响应面函数，各目标的响应面函数表达式如下(17)～(20)：
Figure GDA0003574281740000082
Figure GDA0003574281740000083
Figure GDA0003574281740000084
Figure GDA0003574281740000085
式中，x1—线圈厚度m，x2—磁轭宽W，x3—极靴宽度w，x4—极靴轴向长度l。
根据传感器不同测量工况，设定各目标函数权值占比，进行多目标优化，本实施方式中目标函数权重占比设置为
Figure GDA0003574281740000091
确定τ≤T0时，获得Emax，
Figure GDA0003574281740000092
Umin对应的最优磁路结构参数。
根据算法优化得到的最优磁路结构参数组合为：
m＝18.45mm,W＝77.96mm,w＝88.01mm,l＝17.02mm。
根据算法优化得到的最优响应值为：
E＝23.9304×10-5V,τ＝4.9895ms,B＝44.0966Gs,U＝0.1691。
根据最优的磁路结构参数进行三维建模和有限元求解，得到的最优响应值为：
E＝23.8305×10-5V,τ＝5.0503ms,B＝44.9089Gs,U＝0.1625。
表3响应面模型与有限元模型响应值之间的误差
Figure GDA0003574281740000093
由表3可知，各评价指标的响应面函数模型的响应值与有限元模型的响应值误差均在±5％以内，证明了所构造的响应面函数模型准确可靠。其中，误差等于(响应面响应-有限元响应)/有限元响应×100。
将优化前样机的初始磁路结构参数对应的输出响应与优化后磁路结构参数对应的输出响应对比:
表4优化前后结果对比
Figure GDA0003574281740000094
Figure GDA0003574281740000101
由表4可知，优化前后，线圈阻值误差在±5％以内，系统功耗不变，动态响应时间常数τ≈5ms，感应电动势信号E增加了29.58％，电极截面磁感应强度平均值
Figure GDA0003574281740000102
增加了15.72％，电极截面磁场均匀度U降低了13.29％(U越小越均匀)。达到优化效果，设计结束。
以上所述仅为本发明具体实施方式的基本方案而非限制，本发明的应用不限于此，凡在本发明的构思的前提下所作的变化或替换，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据未优化的电磁流量传感器实体样机及其相关的结构参数，构建初始的三维有限元仿真模型，对传感器的磁场参数、电参数进行初始仿真求解；
(2)设计磁路结构的影响因素水平表，并采用中心组合设计(CCD)方法设计试验方案，对试验方案进行仿真求解与计算得到传感器的性能评价指标响应值；
(3)根据步骤(2)获取的各个响应值，构造反映磁路结构变量输入与响应输出关系的二次响应面目标函数；
(4)运用基于满意度函数准则的遗传算法，对二次响应面目标函数进行非线性多目标优化，得到最优传感器磁路结构参数；
(5)根据最优的磁路结构参数进行三维建模和有限元仿真求解，验证优化效果；
所述步骤(1)具体是指：根据未优化电磁流量传感器实体样机测量管、线圈、磁轭、极靴的几何尺寸和材料属性，以轴对称方式构建三维几何模型，并基于三维几何模型建立流场、磁场和电场的耦合仿真模型，对传感器的磁场参数、电参数进行初始仿真求解；
所述步骤(2)具体是指：依据仿真分析结果，将线圈厚度m、磁轭宽度W、极靴宽度w、极靴轴长l作为主变量；除主变量外，磁路结构还和受主变量制约的从变量有关；由于不同主变量的从变量数量不同，且主从变量之间存在特定的函数关系，独立的影响因素仅为主变量；本步骤将线圈厚度m、磁轭宽度W、极靴宽度w、极靴轴长l作为主变量影响因素，感应电动势信号E、动态响应时间常数τ、电极截面磁感应强度平均值
Figure FDA0003586745210000014
磁场均匀度U为性能评价指标，采用中心组合设计(CCD)方法，对影响因素设计试验方案，并对试验方案进行有限元仿真求解，得到响应结果；
所述步骤(3)具体是指：基于响应面的建模方法，构造性能评价指标E、τ、
Figure FDA0003586745210000015
U与主变量影响因素m、W、w、l之间的二次响应面目标函数；
Figure FDA0003586745210000011
Figure FDA0003586745210000012
Figure FDA0003586745210000013
Figure FDA0003586745210000021
式中，xi,xj为主变量影响因素，其中i＝1,2,3,…,n，j＝1,2,3,…,n，n为影响因素个数，a0,ai,aii,aij,b0,bi,bii,bij,c0,ci,cii,dij,d0,di,dii,dij为未知系数；
所述步骤(4)具体是指：根据传感器的不同测量工况，设定动态响应时间常数τ最大值为T0；采用基于满意度函数的遗传算法，根据传感器不同测量工况，设定各目标函数权值占比，进行多目标优化；确定τ≤T0时，获得最大感应电动势Emax、最大磁感应强度
Figure FDA0003586745210000022
最优磁场均匀度Umin对应的电磁流量传感器磁路结构参数；
所述步骤(5)具体是指：根据最优磁路结构参数进行三维建模和有限元仿真求解，与未优化样机的模型仿真结果比较，验证优化效果。
2.如权利要求1所述的一种电磁流量传感器的磁路结构优化设计方法，其特征在于：所述传感器线圈适用于铜线用量相同的马鞍形线圈、圆形线圈、椭圆形线圈、矩形线圈、菱形线圈。
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