用霍爾傳感器測(cè)量磁力攪拌器轉(zhuǎn)速的方法探索

吳郅俊，馮涵，閆菁，崔娜

（云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228）

磁力攪拌器是一種利用磁力線的相互作用產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的流體，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠、使用維修方便等特點(diǎn)成為目前工業(yè)上必不可少的一種攪拌設(shè)備。在對(duì)磁流變液進(jìn)行研究時(shí)，需要測(cè)量出不同工況下磁場(chǎng)分布情況和磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。而現(xiàn)有的測(cè)量方法大多采用接觸式測(cè)量方式，精度不高并且不能滿足工程應(yīng)用要求。因此，研制非接觸檢測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。通過(guò)對(duì)磁致伸縮效應(yīng)原理的分析以及磁性液體工作特性的研究，可以得出磁通量與溫度之間存在線性關(guān)系?；诖?，提出了磁流密度測(cè)量法，以達(dá)到快速準(zhǔn)確測(cè)量的目的。

1 磁力攪拌器轉(zhuǎn)速測(cè)量概述

磁力攪拌器是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠和安全的方法，用于在流體中形成流體對(duì)流?？梢詫蓚€(gè)不同的磁力相互混合，以產(chǎn)生有意義的流體接觸，這是許多不同流體的混合之一。當(dāng)它們相互混合時(shí)，它們之間的相互作用力在磁場(chǎng)中產(chǎn)生了動(dòng)力。這樣，在流體流動(dòng)中，通過(guò)磁力攪拌器使物體產(chǎn)生了動(dòng)能。由于磁力攪拌器在流體的流動(dòng)中產(chǎn)生了巨大的作用，因此可以用于測(cè)量流體中產(chǎn)生動(dòng)能的能力。我們可以測(cè)量液體中動(dòng)能或磁場(chǎng)中動(dòng)能，這些能量可以通過(guò)選擇合適的測(cè)量傳感器和使用合適且可靠的測(cè)量方法得到。磁力攪拌器測(cè)量原理和特點(diǎn)：磁性攪拌器用于測(cè)量流體中動(dòng)能和磁場(chǎng)中能量對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響。當(dāng)磁性攪拌器軸與容器或殼體產(chǎn)生磁力作用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能。

磁力攪拌器是一種通過(guò)磁滯原理在攪拌過(guò)程中，流體在靜止時(shí)受到強(qiáng)大的壓力，使水分子相互碰撞而產(chǎn)生一股強(qiáng)大力，這就是我們常說(shuō)的推動(dòng)力。這種推動(dòng)力使得液體和空氣或者液體，都能通過(guò)不同的介質(zhì)形成旋轉(zhuǎn)。在攪拌器工作過(guò)程中由于攪拌介質(zhì)的不同而產(chǎn)生了不一樣的狀態(tài)?？梢孕纬蓛煞N壓力差，達(dá)到流體之間的動(dòng)壓差，從而實(shí)現(xiàn)自控的目的。而這些動(dòng)壓差可以用來(lái)測(cè)量流體之間的動(dòng)力距離和時(shí)間以及轉(zhuǎn)速。

2 霍爾傳感器測(cè)量磁力攪拌器轉(zhuǎn)速研究現(xiàn)狀

磁力攪拌器內(nèi)磁場(chǎng)分布會(huì)影響攪拌時(shí)流體對(duì)外界壓力及流體內(nèi)阻等參數(shù)，進(jìn)而影響磁力攪拌速度。若磁場(chǎng)分布不盡合理，流體就不能傳遞熱量。對(duì)電流信號(hào)，可通過(guò)改變磁力攪拌器中電流的分布來(lái)調(diào)整；而對(duì)于磁力攪拌器來(lái)說(shuō)，電流通過(guò)的位置以及磁場(chǎng)分布都會(huì)影響磁力攪拌的過(guò)程。按照磁力攪拌器的內(nèi)阻值，可以將磁力攪拌器劃分為三類：第一，是金屬磁流體內(nèi)阻；第二，固體磁力攪拌器的內(nèi)阻；第三，磁場(chǎng)的感應(yīng)強(qiáng)度。金屬的磁化強(qiáng)度為0、0.01、0.06 和0.09 單位次級(jí)感應(yīng)強(qiáng)度。按照這一分類體系，磁感應(yīng)強(qiáng)度可以分為“弱磁”與“強(qiáng)磁”兩大類型。在強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁力攪拌器永磁體在磁場(chǎng)中起著巨大作用：當(dāng)磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，磁力作用空間區(qū)域會(huì)使磁場(chǎng)擴(kuò)散，進(jìn)而形成強(qiáng)磁場(chǎng)，使磁場(chǎng)方向發(fā)生變化，導(dǎo)致磁力旋轉(zhuǎn)葉片與流體之間互相運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)攪拌；同時(shí)，磁場(chǎng)與磁力作用對(duì)流動(dòng)介質(zhì)有一定影響，使流動(dòng)介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起磁場(chǎng)分布不均勻（即磁感應(yīng)強(qiáng)度），即磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，對(duì)磁力攪拌器的速度也有影響；磁場(chǎng)分布主要受磁場(chǎng)分布特性影響并控制磁力攪拌器轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度，對(duì)不同磁力攪拌器在不同轉(zhuǎn)速下存在較大差別，并由此確定磁場(chǎng)測(cè)量過(guò)程及結(jié)果的精度等諸多內(nèi)容。因而就需要通過(guò)磁場(chǎng)分布來(lái)控制磁力攪拌器電流及磁場(chǎng)分布特征從而決定磁力攪拌轉(zhuǎn)速。這些方法對(duì)磁力攪拌器技術(shù)將起到重要的作用，但也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。為確保磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠滿足攪拌轉(zhuǎn)速精確測(cè)量?jī)x表的穩(wěn)定性與可靠性等要求，一般需研究磁場(chǎng)分布在磁力分布影響下磁場(chǎng)方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系以及其他一些影響因素，如磁場(chǎng)方向、磁場(chǎng)的分布狀態(tài)等，例如，磁力攪拌器的速度及其磁力的大小是如何組合的，進(jìn)而影響測(cè)量的精度都有很大的意義。

霍爾傳感器是由兩套磁極組成的固定器，霍爾元件鑲嵌在陶瓷內(nèi)部來(lái)獲取磁場(chǎng)信息。測(cè)量時(shí)，磁極不動(dòng)而感應(yīng)器感應(yīng)發(fā)出信號(hào)至電源，由此產(chǎn)生電信號(hào)M1 和M1，經(jīng)A/D 變換輸出電壓。若被測(cè)量設(shè)備接收到的信號(hào)，輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)不一致，則說(shuō)明該信號(hào)不正常?；魻栐楣璨牧?。磁場(chǎng)改變時(shí)，即發(fā)生位移。霍爾傳感器通過(guò)一定電流與磁場(chǎng)互相作用產(chǎn)生電流信號(hào)，其變化能夠反映磁場(chǎng)的大小?；魻杺鞲衅鲀?nèi)的磁場(chǎng)可由霍爾元件表面磁極坐標(biāo)的變化來(lái)決定霍爾轉(zhuǎn)軸兩端磁極旋轉(zhuǎn)方向與速度。其中，磁場(chǎng)方向和速度傳感器測(cè)得的速度快慢，以及速度和磁場(chǎng)的相對(duì)位置是相關(guān)的。在液體含雜質(zhì)的情況下，磁場(chǎng)有磁場(chǎng)輻射；并且磁場(chǎng)強(qiáng)度也可用磁力線表示。按照磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同，可以將其劃分為磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量型與感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)定型兩種形式。

3 霍爾傳感器測(cè)量磁力攪拌器轉(zhuǎn)速工作流程

3.1 磁力攪拌器配置

磁力攪拌器是一種用于物料混合的液體攪拌器。它是一種具有旋轉(zhuǎn)葉片與兩個(gè)相同磁場(chǎng)的磁體的混合體。由于磁力攪拌器能有效地增加旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，因此，在許多領(lǐng)域中被廣泛使用。常見(jiàn)的磁力攪拌器有螺旋葉片和直管式兩種。螺旋葉片主要用于對(duì)氣體、液體、粉體的混合。（1）使用前的準(zhǔn)備。將霍爾傳感器安裝在被測(cè)介質(zhì)后，確保儀表處于靜止?fàn)顟B(tài)，使儀表與被測(cè)介質(zhì)處于相同的介質(zhì)狀態(tài)下，才能保證霍爾傳感器不會(huì)出現(xiàn)被污損的現(xiàn)象。當(dāng)霍爾傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，要確保儀表處于靜態(tài)，否則，儀表內(nèi)溫度過(guò)高，會(huì)使霍爾傳感器無(wú)法工作。（2）注意事項(xiàng)。當(dāng)測(cè)量裝置和霍爾傳感器連接時(shí)，如果測(cè)量裝置和霍爾傳感器不連接，或者在霍爾傳感器不工作時(shí)測(cè)量裝置與霍爾傳感器不連接時(shí)，要確保測(cè)量裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，然后把霍爾傳感器接入測(cè)量裝置中。當(dāng)霍爾傳感器工作時(shí)，測(cè)量裝置發(fā)出的信號(hào)將被霍爾傳感器接收，從而使測(cè)量裝置與傳感器的連接方式得以改變。如果霍爾傳感器損壞或者在傳感器安裝位置有異物影響，要將其斷開(kāi)，以避免外部雜質(zhì)對(duì)測(cè)量裝置的影響。

3.2 混合液體控制

由于攪拌器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性力，液體在轉(zhuǎn)子中的運(yùn)動(dòng)速度與轉(zhuǎn)子軸平行，即轉(zhuǎn)子速度的大小和方向直接影響液體的運(yùn)動(dòng)速率。因此，為了提高攪拌器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制精度和速度特性要求，對(duì)轉(zhuǎn)子軸和磁力線進(jìn)行了研究?；谵D(zhuǎn)子軸的磁力線在混合攪拌器內(nèi)流運(yùn)動(dòng)特性，采用有限元法對(duì)轉(zhuǎn)子軸與磁力線進(jìn)行了三維有限元分析，并對(duì)磁場(chǎng)、攪拌槳葉角、攪拌葉旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁力場(chǎng)參數(shù)的優(yōu)化。（1）模型簡(jiǎn)化。對(duì)攪拌器轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其簡(jiǎn)化為平面，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用節(jié)點(diǎn)插值的方法將轉(zhuǎn)子模型劃分為兩個(gè)區(qū)域；（2）建立有限元分析環(huán)境。以軸系為基本單元，并采用有限元分析軟件ANSYS 的 LM 技術(shù)建立模擬攪拌器轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體模型；在ANSYS 中利用節(jié)點(diǎn)的插值方法設(shè)置步長(zhǎng)，采用Floating進(jìn)行步長(zhǎng)處理，并定義步長(zhǎng)；計(jì)算得到攪拌器轉(zhuǎn)子的三維實(shí)體參數(shù)與攪拌槳葉直徑、槳葉角、旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)之間的關(guān)系式?？紤]到磁力線對(duì)混合攪拌器的影響，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、攪拌葉轉(zhuǎn)速及攪拌葉與攪拌軸的夾角均為45°，磁場(chǎng)為非高斯磁場(chǎng)，并進(jìn)行了有限元分析。對(duì)攪拌葉與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行有限元分析。由于轉(zhuǎn)子軸與磁力線在空間上成一定夾角，且兩者之間存在接觸?；跀嚢杵鬓D(zhuǎn)子和磁力線的三維有限元分析，可以得到以下結(jié)論：①隨著攪拌葉旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度、流體速度場(chǎng)和攪拌葉轉(zhuǎn)速均隨之變化。②當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增加。③磁場(chǎng)的存在可以提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制精度，即磁力線在不同位置時(shí)，轉(zhuǎn)子速度的變化率不同。④對(duì)磁力線而言，當(dāng)磁力線從中心位置向兩側(cè)擴(kuò)展的過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨深度增加而增大。⑤對(duì)攪拌器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，攪拌葉旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與攪拌葉旋轉(zhuǎn)方向相反。⑥在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中加入軸向攪拌器，可以提高轉(zhuǎn)子軸和磁力線速度場(chǎng)。

3.3 測(cè)量精度控制

傳統(tǒng)磁力攪拌器存在很大的測(cè)量誤差，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面,由于測(cè)量裝置的不準(zhǔn)確或者其他原因?qū)е碌恼`差；另一方面，使用環(huán)境條件不適宜所造成。如果傳感器自身質(zhì)量過(guò)大或設(shè)計(jì)不盡合理，就會(huì)造成測(cè)量誤差越來(lái)越大。測(cè)量時(shí)，磁力攪拌器內(nèi)腔應(yīng)始終保持流動(dòng)不變。若這時(shí)將液體溫度降至一定水平，可減少混合過(guò)程中因混合而形成的黏性引起流體流動(dòng)，進(jìn)而形成渦流。

磁力攪拌器速度測(cè)量準(zhǔn)確性受到多種因素影響，其中包括：（1）傳感器材料對(duì)速度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響：霍爾傳感器所處環(huán)境對(duì)于傳感器電感質(zhì)量和傳感元件存在不同程度諧波振蕩均造成了影響。若諧波不嚴(yán)重，會(huì)造成霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度下降，并且在測(cè)量時(shí)需要把電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)才能達(dá)到霍爾傳感器的輸出。但若磁場(chǎng)強(qiáng)度小，則信號(hào)不穩(wěn)定，同樣影響測(cè)量精度。（2）安裝誤差，如傳感器在測(cè)量過(guò)程中的安裝位置和產(chǎn)生的誤差。影響磁力攪拌器轉(zhuǎn)速的最主要因素就是測(cè)量精度，所以，通常推薦10ms 內(nèi)誤差保持0.5ms。但對(duì)傳感器誤差進(jìn)行控制，應(yīng)從安裝方面著手，以提高測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

根據(jù)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程，可以看出，霍爾傳感器的測(cè)量性能主要包括位移響應(yīng)時(shí)間、磁場(chǎng)強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速成正比。在測(cè)量過(guò)程中，位移響應(yīng)時(shí)間越小，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速檢測(cè)精度越高，反之，位移響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速檢測(cè)精度越低。對(duì)于磁力泵轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的研究和計(jì)算，認(rèn)為這種磁力攪拌器的轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，不同類型的磁場(chǎng)對(duì)于磁力矩密度及渦旋方向有明顯的作用，渦旋的速度正比于磁矩，渦速磁場(chǎng)隨著溫度的升高而升高。所以，溫度作為其中的一個(gè)影響因素，就是磁力特性，渦旋旋轉(zhuǎn)引起的磁通量的大小與其所占比例之間的關(guān)系，磁力轉(zhuǎn)速和磁力作用等因素的變化規(guī)律還和轉(zhuǎn)速有關(guān)：轉(zhuǎn)速越高，磁力生成越多，不同磁力比下的磁能密度越大，磁極數(shù)越多，與電流密度具有正相關(guān)性，和流體速度負(fù)相關(guān)，和磁頭的中心距呈正比關(guān)系，磁力攪拌器的轉(zhuǎn)速隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高而提高。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所示，磁力攪拌器是一種在磁力作用下，能夠產(chǎn)生渦流和流體流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)流體的剪切和攪拌等多種作用的裝置。流體經(jīng)過(guò)磁力攪拌器后，通過(guò)流體壓力和內(nèi)阻進(jìn)行混合并達(dá)到一定平衡。攪拌是將流體與外界機(jī)械力之間產(chǎn)生作用，使流體運(yùn)動(dòng)或液體產(chǎn)生渦流和湍流等一系列物理現(xiàn)象。攪拌是在磁力作用和攪拌作用中產(chǎn)生各種物理現(xiàn)象。如果磁力攪拌器轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確或測(cè)得不準(zhǔn)，就會(huì)造成實(shí)際應(yīng)用上的困難和事故。因此，對(duì)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量是一個(gè)非常重要并且十分重要的一環(huán)。