基于電磁原理的鐵磁磨料流量檢測儀設計

Design of the Flow Detector Based on Electromagnetic Principle

for Ferromagnetic Abrasive

周國海1,2

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院 1， 上海　200240；上海船舶工藝研究所2，上海　200032)

基于電磁原理的鐵磁磨料流量檢測儀設計

Design of the Flow Detector Based on Electromagnetic Principle

for Ferromagnetic Abrasive

周國海1,2

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院1， 上海200240；上海船舶工藝研究所2，上海200032)

摘要：為提高船廠拋丸預處理裝備的自動化程度，設計開發了磨料流量檢測儀，實現了磨料流量的實時檢測。運用電磁感應原理設計了流量傳感器，流量的不同引起感測線圈電感量發生變化；構建LC振蕩電路，產生不同頻率的振蕩波形，并通過F/V轉換和映射放大，獲得標準的電壓信號。試驗結果驗證了傳感器電路輸出信號與磨料流量近似呈線性關系，為實現拋丸工藝裝備的自動化和數字化解決了關鍵技術問題。

關鍵詞：預處理鐵磁磨料電磁感應信號轉換流量檢測

Abstract：For improving the automation level of shipyard shot blasting pretreatment equipment, the flow detector for abrasive has been designed to realize real time detection of the flow of abrasive. The flow sensor is designed by adopting electromagnetic induction principle, the inductance is changing because of different flow; thus the built-in LC oscillation circuit generates oscillation waveform with different frequency. Through F/V conversion and mapping amplification, the standard voltage signal can be obtained. The result of tests verifies the linear relationship between the output signal of sensing circuit and the flow of abrasive. The design solves the critical technical issue for implementing automation and digitization of the shot blasting pretreatment equipment.

Keywords：PretreatmentFerromagnetic abrasiveElectromagnetic inductionSignal conversionDetection of flow

0引言

在國內船廠拋丸工藝技術領域中，預處理裝備的自動化程度低，尚未實現數字化，無法對磨料流量進行實時檢測和控制，生產質量得不到保證，也無法滿足特種鋼材預處理的要求。預處理裝備使用的拋丸器，大多采用類似于插板閥帶有氣缸的機械裝置，僅能實現磨料流量的開關控制，無法對磨料流量進行檢測和精確控制。為滿足工藝要求，拋丸量往往足夠大而處于“過拋”狀態，造成磨料和能源的浪費，并增加污染物的排放[1-2]。

檢測并控制磨料流量是提高鋼材預處理工藝水平的關鍵手段，對提高我國造船業的預處理工藝水平具有無可替代的作用[3]。尤其在特種鋼材預處理流水線中，必須采用高精度磨料流量檢測和控制裝置，確保鋼材預處理的質量[4]。國際上用于顆粒狀固體的流量檢測和控制的裝置甚少，運用電磁感應原理，實現磨料流量的感測，并通過一系列的信號轉換，達到磨料流量的精確檢測和顯示的目的。

1工作原理及結構

流量傳感器是根據電磁感應原理進行設計的，主要包括感測線圈和傳感器電路兩部分，如圖1所示。傳感器的感測部分，是一個圍繞磨料流束均勻繞制的電感線圈。在磨料輸送管道完全關閉時，沒有磨料通過傳感器，此時線圈內部不存在鐵磁物質，則線圈內部的磁導率近似于空氣的磁導率。當磨料輸送管道打開時，磨料通過傳感器感測線圈，由于磨料屬鐵磁材料，則線圈內部的磁導率將遠大于空氣磁導率，此時感測線圈就類似于一個含有鐵芯的線圈，其電感量會隨著磨料的流量大小而發生變化[5-7]。

圖1　磨料流量傳感器示意圖

流量檢測儀機械結構如圖2所示，通過巧妙設計，其中線圈骨架與磨料輸送管道合二為一。將流量檢測儀安裝在磨料輸送管道上即可使用。

圖2　流量檢測儀結構示意圖

傳感器電路設計主要包含兩大部分，其一為電源部分，本文不作詳述；其二為信號處理部分，電路框圖如圖3所示。

圖3　傳感器電路框圖Fig.3　Block diagram of sensor circuitry

2感測線圈設計

2.1　感測線圈設計

設有一個N匝的線圈，電流I在其內部產生的總磁通量為Φ，假設磁通量均穿過線圈中的每一匝，則電流產生的總磁鏈為Ψ=NΦ，電感定義為總磁鏈與所交鏈電流的比值，即：

(1)

電感反映了單位電流產生磁鏈的能力，電感越大,則產生磁鏈的能力越強。總磁通量Φ由感測線圈產生[8]，可以表示為：

(2)

式中：μ為線圈圍繞物質的磁導率；S為線圈的截面積；l為線圈的長度。

則將式(2)代入電感定義式(1)可得：

(3)

式中:N、S、l均為常數;當線圈為空心時，μ的值即為空氣的磁導率，線圈的電感量最大。

根據工藝要求的最大流量，計算得到管道的內徑為70mm，取線圈骨架的壁厚為5mm，即線圈的直徑為80mm。為提高線圈的品質因素，線圈的長度與直徑之比不宜大于0.5, 即線圈的長度不超過40mm。根據后文介紹的電路，當磨料流量為零時，線圈的電感量為180～190mH較宜，此時線圈約為42匝，因此取線圈的線徑為0.9mm。為提高線圈的抗干擾能力，減少線圈內部磁場的泄漏，在線圈外面包敷坡莫合金[9]。

2.2　感測線圈電磁分析

為電路設計和信號轉換提供必要依據，對感測線圈作了定性分析，建立感測線圈的電感量與磁導率之間的數學關系。從式(3)可以看出，感測線圈的電感與其包圍物質的磁導率呈線性關系。在磨料通道完全關閉時，線圈所包圍的空間中只有空氣，其磁導率為一確定值。當磨料通道打開后，由鐵磁物質制成的磨料流經線圈內部，使得磁導率上升并與線圈的電感量成特定的函數關系，而線圈內部空間中的磁導率只與磨料的流量Q有關，可以將式(3)改寫成：

L=Kμ(Q)

(4)

當磨料在流動過程中形成連續密集流束時，線圈內部區域中的流體密度可近似為一個定值ρ，則磨料質量流量的大小由磨料的流動速率D和流束的截面積A所決定，即：

Q=DAρ

(5)

流速D與截面積A的乘積，其物理意義是單位時間內通過的體積。根據流量儀的結構特點，在實際使用中，磨料流束所占管道內徑的體積與流量大小有關。如果假設磨料在流動過程中流體的密度基本不變，則所測電感量為磨料所占管道內徑體積V的函數。且流量越大，磨料所占體積越多，則線圈電感量越大。

它們的關系可表示為：

L=Kμ(V)

(6)

由于磁導率的變化為非線性的，很難通過理論推導獲得其解析式。在實際工程應用中，材料的磁導率也大多通過試驗的方法測定。因此本設計通過試驗的方法獲得流量大小與電感量之間的確切曲線關系，隨后采用曲線擬合的方法獲得近似的數學表達式。由于試驗條件的限制，只對磨料所占傳感器內徑的體積和感測線圈電感量之間的對應關系進行初步的測定試驗。采用基于最小二乘法的曲線擬合方法，獲得兩者之間的數量關系表達式。由實際試驗數據繪制出圖4所示曲線。

圖4　感測線圈電感與磨料所占通道體積的關系圖

從圖中數據的趨勢可知，兩者的數量關系可近似用直線表示。則根據以上傳感器輸出電感量的靜態特性，可以建立起電感量與體積比兩者之間的對應關系：

L=kV+b

(7)

現設共進行了n次試驗，用Vi表示試驗中每次填充的磨料與傳感器內徑的體積比，Li表示與該體積比對應的傳感器感測線圈的電感量，其中i=1,2,…,n。定義θ=(k,b)T為式(7)中所要求解的未知參數，則可將式(7)改寫成矩陣形式:

Y=Xθ

(8)

式(8)中的各矩陣為：

由于實際觀測點并不都在一條直線上，因此當n>2時并不能確定出唯一的θ使所有的試驗數據關系式都成立。為了明確擬合出的曲線和各觀測數據點之間的誤差關系，定義誤差矢量：

ε=[ε1,ε2,…,εn]T

(9)

則可以獲得誤差表達式為：

ε=Y-Xθ

(10)

最小二乘法曲線擬合是通過最小化誤差的平方和來求取最佳的函數匹配參數。設用以確定參數θ的判據為J，在等精度測量中它的表達式可以寫為：

(11)

為了使判據J最小，可以先將式(10)代入式(11)，即：

J=εTε=(Y-Xθ)T(Y-Xθ)

(12)

(13)

將之前的試驗數據代入式(13)，最終可以計算出式(7)中的未知參數k=2.615 3和b=233.090 9，則電感量與體積比兩者之間的對應數量關系為：

L=2.615 3V+233.090 9

(14)

最終的曲線擬合結果如圖5所示。從圖5可以發現，一旦傳感器內有磨料流過，感測線圈的電感量會顯著變大。對于有磨料流過的各測量點，電感量與磨料所占體積呈近似的線性關系。經計算，最大相對誤差為2.04%，而非線性誤差為1.6%。

圖5　試驗數據擬合結果

3電路設計

傳感器電路主要是針對感測線圈的工作原理設計的。首先通過LC振蕩電路，因流量變化產生不同頻率的振蕩波形；然后通過F/V轉換電路，將頻率信號轉換成電壓信號；最后通過映射放大電路獲得標準的電壓信號，供驅動和顯示使用。

3.1　LC振蕩電路

LC振蕩電路如圖6所示。

圖6　LC振蕩電路

3.2　隔直及鉗位電路

LC振蕩電路后是隔直和鉗位電路，如圖7所示。圖7中，C12為隔直電容，C15為濾波電容；D3、D4、D5、D6構成鉗位電路，使信號的電壓介于2倍的二極管正向導通電壓之間，保護后端的F/V轉換芯片。

圖7　隔直及鉗位電路

3.3　F/V轉換電路

頻/壓轉換電路如圖8所示。

F/V電路是基于TC9401芯片的F/V轉換電路。根據TC9401芯片的典型電路，將TC9401的PIN2接至GND，將ZERO的電位置為GND，Rint由R12和電位器R11構成，通過調節R11，調節TC9401內部的參考電壓與Uout之間的電流采樣電阻，調節TC9401的電壓輸出值。

3.4　偏置及放大電路

偏置及放大器電路如圖9所示。

圖9　偏置及放大器電路

輸入電壓通過R13輸入值運放的負段，R14和電位器R15構成反饋電阻Rf，經過運放Uout=5Rf/R16-UinRf/R13，調節R15，使輸出電壓為0~5 V。

3.5　驅動及顯示電路

電路輸出0~5 V可分成兩路，其中一路供其他電路使用，用于遠端顯示或采樣；一路供電壓顯示屏顯示采樣值，顯示值與采樣值呈線性關系。

4試驗及結果

為驗證磨料流量檢測儀的可靠性和精度，專門設計了一套試驗平臺。平臺主要由儲料箱(帶支架)、手動調節閥、集料斗、電子稱等組成。磨料流量檢測儀安裝于手動調節閥下端。另外，準備磨料4 t，并配置吊裝工具。

首先，當流量為零時，調節電阻R11，使Uout為0；當最大流量為400 kg/min時，調節電阻R15，使Uout為5 V。然后調節手動閥，由電子稱進行校正，調節流量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，用萬用表測得相應的輸出電壓值。再采用描點作圖法與理論值進行比較，誤差在2%以內，達到了預期的設計目標。

在試驗過程中，發現兩個問題需在后續工作中進行改進和引起注意。

① 由于電子元器件存在零點漂移現象，在通電后的前幾秒鐘，磨料流量檢測儀的輸出值出現不穩定的情況。在選用LC振蕩電路的元器件時，需進一步提高電容的可靠性和穩定性。

② 當磨料的種類不同時，介質的磁導率發生變化，雖流量相同，但磨料流量檢測儀的輸出電壓值有所變化。針對不同類型的磨料，磨料流量檢測儀需重新標定，以確保其精度。

5結束語

針對船廠拋丸預處理裝備自動化程度日益提高的要求，設計開發了磨料流量檢測儀，介紹了磨料流量檢測儀的工作原理和結構形式，對磨料流量檢測儀的感測線圈和傳感器電路進行了著重說明。最后通過試驗對磨料流量檢測儀的可靠性和精度進行了驗證，并提出后續工作的意見和建議。磨料流量檢測儀的開發及應用，為提高拋丸預處理裝備的自動化水平打下了基礎。

參考文獻

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中圖分類號：TH814

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503023

修改稿收到日期：2014-06-23。

作者周國海(1977-)，男，現為上海交通大學控制工程專業在讀碩士研究生，高級工程師；主要從事造船工藝及裝備的研究。