CN116698140A - 一种磁电式流量传感器及流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁流量计技术领域，为一种磁电式流量传感器及流量测量方法；应用于流量测量，包括置于流体中的流体感受部件，所述流体感受部件通过流体运动产生对应的运动轨迹，还包括与所述运动轨迹成相切关系的电压发生装置，所述电压发生装置包括设置于所述流体感受部件转动轨迹顶端的软磁芯，在所述软磁芯远离所述流体感受部件一端设置有永久磁铁，还包括环绕所述软磁芯的线圈，以及在所述线圈外层还环绕设置的软磁屏蔽环。本申请实施例提供的技术方案中，通过在现有结构基础上的线圈增加了软磁屏蔽环分散磁场，达到了降低磁感应强度，从而降低叶轮磁力矩，增大电信号输出的效果。
Description
技术领域
本发明涉及磁流量计技术领域，为一种磁电式流量传感器及流量测量方法。
背景技术
参阅图1，为现有技术中的磁电式流量传感器，针对于磁电式流量传感器中永久磁铁产生空间磁场，壳体形成一个液体或气体的流道，叶轮置于流道中，当叶轮被流道中流动的介质冲击转动时，叶轮上的螺旋面会将介质轴向流速按正比例关系转换为圆周上的转速，同时软磁芯和叶轮之间的磁阻产生周期性变化，导致线圈的磁通量产生周期性变化，流量传感器通过对线圈感应电动势频率的监测，来实现叶轮转速的监控，进而反映流过管道内的流体体积流量。
在实际工程应用中，叶轮在进行转动时会产生一个对叶轮的磁力矩，该磁力矩大小和方向是随叶轮转动周期性变化，冲击力和它的着力点到叶轮中心的距离的积为驱动力矩，在实际应用中尤其是针对于低流量场景时，磁力矩对叶轮转动有影响，可能导致叶轮无法转动和因为叶轮转动过程中存在波动从导致流量传感器测量不准，并产生误差的技术问题。
发明内容
为了解决以上技术问题，实现扩大低流量测量范围及提高测量精度，本申请提供一种磁电式流量传感器结构，通过提高电信号输出、降低磁力矩的效果，从而扩展低流量测量范围并降低流量检测的误差。提高电信号输出降低磁力矩的效果，从而降低流量检测的误差。
为了达到上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，提供一种磁电式流量传感器，应用于流量测量，包括置于流体中的流体感受部件，所述流体感受部件通过流体运动产生对应的运动轨迹，还包括与所述运动轨迹成相切关系的电压发生装置，所述电压发生装置包括设置于所述流体感受部件转动轨迹顶端的软磁芯，在所述软磁芯远离所述流体感受部件一端设置有永久磁铁，还包括环绕所述软磁芯的线圈，以及在所述线圈外层还环绕设置的软磁屏蔽环。
进一步的，还包括供流体通过的流体通道，所述流体感受部件设置于所述流体通道内。
进一步的，所述永久磁铁的N极或S极贴合所述软磁芯进行设置。
进一步的，所述软磁芯为由第一部分和第二部分所组成T型断面结构。
进一步的，所述线圈环绕所述第二部分。
进一步的，所述软磁屏蔽环环绕于所述线圈外层并与所述第一部分侧面贴合，与所述线圈、所述软磁芯形成E型断面结构。
进一步的，所述软磁屏蔽环与所述软磁芯的材料皆为高导磁率且矫顽力低的软磁材料。
进一步的，所述流体感受部件包括叶轮。
进一步的，所述线圈输出电压信号。
第二方面，提供一种流量测量方法，基于上述任一项所述的磁电式流量传感器进行，所述永久磁铁产生空间磁场并经所述软磁屏蔽环将所述空间磁场引向叶轮，待测量流体驱动所述叶轮进行旋转，引起空间磁通量变化，经线圈输出电压信号。
本申请实施例提供的技术方案中，通过在现有结构基础上的线圈增加了软磁屏蔽环分散磁场，达到了降低磁感应强度，从而降低叶轮磁力矩，增大电信号输出的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图中的方法、系统和/或程序将根据示例性实施例进一步描述。这些示例性实施例将参照图纸进行详细描述。这些示例性实施例是非限制的示例性实施例，其中示例数字在附图的各个视图中代表相似的机构。
图1是现有技术中针对于磁电式流量传感器结构示意图。
图2是现有技术中磁电式流量传感器受力分析示意图。
图3是本发明实施例提供的磁电式流量传感器结构示意图。
图4是现有技术中磁感应强度仿真结果示意图。
图5是本发明实施例提供的磁电式流量传感器磁感应强度仿真结果示意图。
图6是现有技术中扭矩仿真结果示意图。
图7是本发明实施例提供的磁电式流量传感器扭矩仿真结果示意图。
图8是现有技术中流量传感器输出电压仿真结果示意图。
图9是本发明实施例提供的磁电式流量传感器输出电压仿真结果示意图。
图标：
100-磁电式流量传感器；
110-叶轮；120-永久磁铁；130-软磁芯；140-线圈；150-软磁屏蔽环。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在下面的详细描述中，通过实例阐述了许多具体细节，以便提供对相关指导的全面了解。然而，对于本领域的技术人员来说，显然可以在没有这些细节的情况下实施本申请。在其他情况下，公知的方法、程序、系统、组成和/或电路已经在一个相对较高水平上被描述，没有细节，以避免不必要的模糊本申请的方面。
本申请中使用流程图说明根据本申请的实施例的系统所执行的执行过程。应当明确理解的是，流程图的执行过程可以不按顺序执行。相反，这些执行过程可以以相反的顺序或同时执行。另外，可以将至少一个其他执行过程添加到流程图。一个或多个执行过程可以从流程图中删除。
参阅图1和图2，图1和图2分别为现有技术中磁电式流量传感器结构示意图以及受力分析图，通过图1可知，针对于磁电式流量传感器的测量原理为：当叶轮被流道中流动的介质冲击转动时，叶轮会将介质轴向流速按正比例关系转换为圆周上的转速，同时软磁芯和叶轮之间的磁阻产生周期性变化，导致线圈的磁通量产生周期性变化，流量传感器通过对线圈感应电动势频率的监测，来实现叶轮转速的监控，进而反映流过管道内的流体体积流量。在线圈中产生感应电动势，其信号频率与叶轮转速成正比，即。其中f为线圈交流电信号频率，n为叶轮转速，z为叶轮的叶片数量。
基于以上结构对应流量测量原理推导中，是建立在叶轮不受外力的条件下的理论分析。但在实际工程应用中，叶轮至少会受到摩擦力和软磁芯磁力的影响。摩擦力因为影响较小，不在本申请实施例讨论范围内。本申请实施例中所做出的改进主要针对于磁力所产生的影响。
参阅图2进行受力分析，在叶轮转动过程中，叶轮轮齿周期性的受到软磁芯传导过去的永久磁铁磁场影响，会产生磁吸引力F，对于空间面积S内的磁场的产生的力F由下式确定：，其中B为面积S内的磁感应强度，力的方向为B的方向，指向磁极。
当叶轮叶片正对变为转动角度α后，力F将能在圆周上分解出视图中的F1，F1它的着力点到叶轮的距离的积就会产生一个对叶轮的磁力矩，该磁力矩大小和方向是随叶轮转动周期性变化的，f和它的着力点到叶轮中心的距离的积为驱动力矩，在低流量时，磁力矩对叶轮转动有影响，可能导致的结果有两点：
（1）叶轮无法转动
当叶轮处在某一位置时，此时磁力矩方向与叶轮受到的驱动力矩反向，由于此时为低流量，驱动力矩较小，磁力矩大于驱动力矩时，叶轮无法转动，导致流量传感器无法测量，输出流量为0，与实际流量不符。
（2）低流量时转动存在波动
当叶轮所受驱动力矩大小稍大于磁力矩大小时，由于磁力矩大小及方向随叶轮转动不断变化，叶轮转动过程中存在波动，导致流量传感器测量不准，与实际流量存在误差。
通过以上分析，可发现由于磁力矩的存在，对低流量无法测量或无法准确测量，因此如何降低磁力矩，扩展小流量测量范围是一个现实的需求。
为了能测出传感器输出电信号的频率f，信号电压U必须足够高，U的大小由下式确定：
，其中N为线圈匝数，Φ为磁通，t为时间。
其中针对于确定的流量，dt是确定的，要增大U可增大N和dΦ。但针对于工程实际应用中，由于受体积的约束，增大N有时并不可行。
而针对于Φ由下式确定：
，其中S为空间上面积，B为该空间上的磁感应强度。忽略空气中的少量漏磁场，如果增加上式中的dΦ可从增大软磁芯的B和S着手。同样，受体积约束原因，增大线圈内软磁芯S有时不可行，但要增大B则会增大F，增大磁力矩，这同样和扩展小流量测量范围相冲突。
基于以上技术背景，本申请实施例提供一种磁电式流量传感器以及基于此传感器的流量测量方法。
参阅图3，传感器包括置于流体中的流体感受部件，所述流体感受部件通过流体运动产生对应的运动轨迹，还包括与所述运动轨迹成相切关系的电压发生装置，所述电压发生装置包括设置于所述流体感受部件转动轨迹顶端的软磁芯，在所述软磁芯远离所述流体感受部件一端设置有永久磁铁，还包括环绕所述软磁芯的线圈，以及在所述线圈外层还环绕设置的软磁屏蔽环。其中针对于流体感受部件设置于流体通道内，通过流体通道内的流体的流动产生相同方向的运动。
其中针对于流体感受部件为叶轮，其中叶轮随着流体的流入进行与流体流动方向相同的运动，在本申请实施例中，叶轮在流体的运动下产生旋转运动。在另一种实施例中还可以为其他可随流体流动而运动的其他种类部件，在本申请实施例中不再进行描述。
与图1中技术中磁电式流量传感器进行比对，本申请实施例提供的磁电式流量传感器与现有技术相比，在线圈外部增加了环绕的软磁屏蔽环，通过软磁屏蔽环的增加能够增强由永久磁铁产生磁场的磁场波动，从而提高线圈的电压输出。
具体的，针对于本申请实施例中永久磁铁包括N极和S极，其中永久磁铁的N极或S极贴合软磁芯进行设置，在本申请实施例中为N极贴合软磁芯进行设置，在其他实施例中还可以为S极进行贴合设置，通过以上设置从而产生磁场。
其中，针对于软磁芯包括第一部分和第二部分，并且第一部分和第二部分整体呈T型断面结构。针对于环绕在软磁芯外部的线圈为环绕在软磁芯的第二部分，即线圈环绕软磁芯的第二部分进行设置，永久磁铁的N极贴合软磁芯的第一部分进行设置。
对比现有技术，针对于本申请实施例提供的软磁屏蔽环环绕线圈外层并于软磁芯第一部分侧面贴合，与线圈以及软磁芯形成E型断面结构。
针对于本申请实施例中的软磁屏蔽环与软磁芯的材料皆为高导磁率且矫顽力低的软磁材料。在其他实施例中，还可以为具有相同效果的软磁合金材料。并且，线圈输出电压信号，即通过磁场切割产生的电压信号通过线圈进行输出。
本申请实施例通过在现有结构外层设置有软磁屏蔽环将永久磁铁的磁场引向叶轮，从而能加强软磁芯内的磁场波动，提高线圈的电压输出。同时，由于软磁屏蔽环对空间磁场是一个分流作用，本质是加大了面积S，降低了磁感应强度B，由于B与F的平方成正比，从而使F下降，在工程上又能方便实现，达到了提高电信号输出降低磁力矩的作用。
而针对于本申请实施例提供的磁电式流量传感器的技术效果通过仿真方式进行说明，请参阅图4至图9的各种仿真实验及仿真结果。
参阅图4和图5，分别为现有技术中以及本申请实施例中仿真磁场磁感应强度仿真结果，比对二者中叶轮和软磁芯之间的气隙磁场，可以看出，本申请实施例中的气隙磁场的磁感应强度为0.0408T，现有技术中的气隙磁场的磁感应强度为0.138T，即本申请实施例相比现有技术，气隙磁场的磁感应强度大约降到了原来的1/3。
参阅图6和图7，针对于本申请实施例中磁力矩降为255μN.m，现有技术中的磁力矩降为760μN.m，即相对于现有技术，本申请实施例中的磁力矩为现有技术的1/3。
参阅图8和图9，针对于本申请实施例中电压峰值为8.8V，现有技术中的电压峰值为6.7V，即相对于现有技术，本申请实施例中的电压提升了31%。
基于本申请实施例提供的磁电式流量传感器，还提供了一种流量测量方法，具体为：永久磁铁产生空间磁场并经所述软磁屏蔽环将所述空间磁场引向叶轮，待测量流体驱动所述叶轮进行旋转，引起空间磁通量变化，经线圈输出电压信号。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种磁电式流量传感器，应用于流量测量，包括置于流体中的流体感受部件，所述流体感受部件通过流体运动产生对应的运动轨迹，还包括与所述运动轨迹成相切关系的电压发生装置，其特征在于，所述电压发生装置包括设置于所述流体感受部件转动轨迹顶端的软磁芯，在所述软磁芯远离所述流体感受部件一端设置有永久磁铁，所述软磁芯环绕设置有线圈，在所述线圈外层环绕设置有软磁屏蔽环。
2.根据权利要求1所述的磁电式流量传感器，其特征在于，还包括供流体通过的流体通道，所述流体感受部件设置于所述流体通道内。
3.根据权利要求1所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述永久磁铁的N极或S极贴合所述软磁芯进行设置。
4.根据权利要求1或3所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述软磁芯为由第一部分和第二部分所组成T型断面结构。
5.根据权利要求4所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述线圈环绕所述第二部分。
6.根据权利要求4所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述软磁屏蔽环环绕于所述线圈外层并与所述第一部分侧面贴合，与所述线圈、所述软磁芯形成E型断面结构。
7.根据权利要求6所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述软磁屏蔽环与所述软磁芯的材料皆为高导磁率且矫顽力低的软磁材料。
8.根据权利要求7所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述流体感受部件包括叶轮。
9.根据权利要求7所述的磁电式流量传感器，其特征在于，所述线圈输出电压信号。
10.一种流量测量方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的磁电式流量传感器进行，所述永久磁铁产生空间磁场并经所述软磁屏蔽环将所述空间磁场引向叶轮，待测量流体驱动所述叶轮进行旋转，引起空间磁通量变化，经线圈输出电压信号。
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