用霍爾傳感器測量磁力攪拌器轉速的方法探索

吳郅俊，馮涵，閆菁，崔娜

（云南省計量測試技術研究院，云南 昆明 650228）

磁力攪拌器是一種利用磁力線的相互作用產生高速旋轉的流體，由于其結構簡單、能耗低、結構緊湊、性能穩定可靠、使用維修方便等特點成為目前工業上必不可少的一種攪拌設備。在對磁流變液進行研究時，需要測量出不同工況下磁場分布情況和磁場強度大小，為進一步設計提供依據。而現有的測量方法大多采用接觸式測量方式，精度不高并且不能滿足工程應用要求。因此，研制非接觸檢測系統具有重要意義。通過對磁致伸縮效應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系。基于此，提出了磁流密度測量法，以達到快速準確測量的目的。

1 磁力攪拌器轉速測量概述

磁力攪拌器是一種簡單、經濟、可靠和安全的方法，用于在流體中形成流體對流。可以將兩個不同的磁力相互混合，以產生有意義的流體接觸，這是許多不同流體的混合之一。當它們相互混合時，它們之間的相互作用力在磁場中產生了動力。這樣，在流體流動中，通過磁力攪拌器使物體產生了動能。由于磁力攪拌器在流體的流動中產生了巨大的作用，因此可以用于測量流體中產生動能的能力。我們可以測量液體中動能或磁場中動能，這些能量可以通過選擇合適的測量傳感器和使用合適且可靠的測量方法得到。磁力攪拌器測量原理和特點：磁性攪拌器用于測量流體中動能和磁場中能量對流體運動的影響。當磁性攪拌器軸與容器或殼體產生磁力作用時也會產生動能。

磁力攪拌器是一種通過磁滯原理在攪拌過程中，流體在靜止時受到強大的壓力，使水分子相互碰撞而產生一股強大力，這就是我們常說的推動力。這種推動力使得液體和空氣或者液體，都能通過不同的介質形成旋轉。在攪拌器工作過程中由于攪拌介質的不同而產生了不一樣的狀態。可以形成兩種壓力差，達到流體之間的動壓差，從而實現自控的目的。而這些動壓差可以用來測量流體之間的動力距離和時間以及轉速。

2 霍爾傳感器測量磁力攪拌器轉速研究現狀

磁力攪拌器內磁場分布會影響攪拌時流體對外界壓力及流體內阻等參數，進而影響磁力攪拌速度。若磁場分布不盡合理，流體就不能傳遞熱量。對電流信號，可通過改變磁力攪拌器中電流的分布來調整；而對于磁力攪拌器來說，電流通過的位置以及磁場分布都會影響磁力攪拌的過程。按照磁力攪拌器的內阻值，可以將磁力攪拌器劃分為三類：第一，是金屬磁流體內阻；第二，固體磁力攪拌器的內阻；第三，磁場的感應強度。金屬的磁化強度為0、0.01、0.06 和0.09 單位次級感應強度。按照這一分類體系，磁感應強度可以分為“弱磁”與“強磁”兩大類型。在強磁場中，磁力攪拌器永磁體在磁場中起著巨大作用：當磁場較強時，磁力作用空間區域會使磁場擴散，進而形成強磁場，使磁場方向發生變化，導致磁力旋轉葉片與流體之間互相運動，產生旋轉攪拌；同時，磁場與磁力作用對流動介質有一定影響，使流動介質轉動，引起磁場分布不均勻（即磁感應強度），即磁場作用下產生的電動勢，對磁力攪拌器的速度也有影響；磁場分布主要受磁場分布特性影響并控制磁力攪拌器轉速的測量精度和準確度，對不同磁力攪拌器在不同轉速下存在較大差別，并由此確定磁場測量過程及結果的精度等諸多內容。因而就需要通過磁場分布來控制磁力攪拌器電流及磁場分布特征從而決定磁力攪拌轉速。這些方法對磁力攪拌器技術將起到重要的作用，但也會產生較大的誤差。為確保磁場強度能夠滿足攪拌轉速精確測量儀表的穩定性與可靠性等要求，一般需研究磁場分布在磁力分布影響下磁場方向與磁場強度之間的關系以及其他一些影響因素，如磁場方向、磁場的分布狀態等，例如，磁力攪拌器的速度及其磁力的大小是如何組合的，進而影響測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部來獲取磁場信息。測量時，磁極不動而感應器感應發出信號至電源，由此產生電信號M1 和M1，經A/D 變換輸出電壓。若被測量設備接收到的信號，輸出信號與被測信號不一致，則說明該信號不正常。霍爾元件為硅材料。磁場改變時，即發生位移。霍爾傳感器通過一定電流與磁場互相作用產生電流信號，其變化能夠反映磁場的大小。霍爾傳感器內的磁場可由霍爾元件表面磁極坐標的變化來決定霍爾轉軸兩端磁極旋轉方向與速度。其中，磁場方向和速度傳感器測得的速度快慢，以及速度和磁場的相對位置是相關的。在液體含雜質的情況下，磁場有磁場輻射；并且磁場強度也可用磁力線表示。按照磁場強度的不同，可以將其劃分為磁場強度測量型與感應磁場強度測定型兩種形式。

3 霍爾傳感器測量磁力攪拌器轉速工作流程

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。它是一種具有旋轉葉片與兩個相同磁場的磁體的混合體。由于磁力攪拌器能有效地增加旋轉轉速，因此，在許多領域中被廣泛使用。常見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氣體、液體、粉體的混合。（1）使用前的準備。將霍爾傳感器安裝在被測介質后，確保儀表處于靜止狀態，使儀表與被測介質處于相同的介質狀態下，才能保證霍爾傳感器不會出現被污損的現象。當霍爾傳感器處于靜止狀態時，要確保儀表處于靜態，否則，儀表內溫度過高，會使霍爾傳感器無法工作。（2）注意事項。當測量裝置和霍爾傳感器連接時，如果測量裝置和霍爾傳感器不連接，或者在霍爾傳感器不工作時測量裝置與霍爾傳感器不連接時，要確保測量裝置處于靜止狀態，然后把霍爾傳感器接入測量裝置中。當霍爾傳感器工作時，測量裝置發出的信號將被霍爾傳感器接收，從而使測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，以避免外部雜質對測量裝置的影響。

3.2 混合液體控制

由于攪拌器轉子轉動時的慣性力，液體在轉子中的運動速度與轉子軸平行，即轉子速度的大小和方向直接影響液體的運動速率。因此，為了提高攪拌器轉子轉速的控制精度和速度特性要求，對轉子軸和磁力線進行了研究。基于轉子軸的磁力線在混合攪拌器內流運動特性，采用有限元法對轉子軸與磁力線進行了三維有限元分析，并對磁場、攪拌槳葉角、攪拌葉旋轉方向及轉速等參數進行了優化，以實現對磁力場參數的優化。（1）模型簡化。對攪拌器轉子模型進行簡化，將其簡化為平面，并對其進行網格劃分，采用節點插值的方法將轉子模型劃分為兩個區域；（2）建立有限元分析環境。以軸系為基本單元，并采用有限元分析軟件ANSYS 的 LM 技術建立模擬攪拌器轉子的三維實體模型；在ANSYS 中利用節點的插值方法設置步長，采用Floating進行步長處理，并定義步長；計算得到攪拌器轉子的三維實體參數與攪拌槳葉直徑、槳葉角、旋轉方向等參數之間的關系式。考慮到磁力線對混合攪拌器的影響，將轉子轉速、攪拌葉轉速及攪拌葉與攪拌軸的夾角均為45°，磁場為非高斯磁場，并進行了有限元分析。對攪拌葉與轉子轉速進行有限元分析。由于轉子軸與磁力線在空間上成一定夾角，且兩者之間存在接觸。基于攪拌器轉子和磁力線的三維有限元分析，可以得到以下結論：①隨著攪拌葉旋轉，磁場強度、流體速度場和攪拌葉轉速均隨之變化。②當轉速增加時，轉子磁場強度也隨之增加。③磁場的存在可以提高轉子的轉速控制精度，即磁力線在不同位置時，轉子速度的變化率不同。④對磁力線而言，當磁力線從中心位置向兩側擴展的過程中，磁場強度隨深度增加而增大。⑤對攪拌器轉子系統而言，攪拌葉旋轉方向應與攪拌葉旋轉方向相反。⑥在轉子系統中加入軸向攪拌器，可以提高轉子軸和磁力線速度場。

3.3 測量精度控制

傳統磁力攪拌器存在很大的測量誤差，這主要體現在兩個方面：一方面,由于測量裝置的不準確或者其他原因導致的誤差；另一方面，使用環境條件不適宜所造成。如果傳感器自身質量過大或設計不盡合理，就會造成測量誤差越來越大。測量時，磁力攪拌器內腔應始終保持流動不變。若這時將液體溫度降至一定水平，可減少混合過程中因混合而形成的黏性引起流體流動，進而形成渦流。

磁力攪拌器速度測量準確性受到多種因素影響，其中包括：（1）傳感器材料對速度測量準確性的影響：霍爾傳感器所處環境對于傳感器電感質量和傳感元件存在不同程度諧波振蕩均造成了影響。若諧波不嚴重，會造成霍爾轉速測量準確度下降，并且在測量時需要把電磁信號轉換為電信號才能達到霍爾傳感器的輸出。但若磁場強度小，則信號不穩定，同樣影響測量精度。（2）安裝誤差，如傳感器在測量過程中的安裝位置和產生的誤差。影響磁力攪拌器轉速的最主要因素就是測量精度，所以，通常推薦10ms 內誤差保持0.5ms。但對傳感器誤差進行控制，應從安裝方面著手，以提高測量精度。

4 實驗結果分析討論

根據磁力攪拌器轉速檢測系統的測量過程，可以看出，霍爾傳感器的測量性能主要包括位移響應時間、磁場強度與轉速成正比。在測量過程中，位移響應時間越小，磁力攪拌器轉速檢測精度越高，反之，位移響應時間越長，磁力攪拌器轉速檢測精度越低。對于磁力泵轉子磁場的研究和計算，認為這種磁力攪拌器的轉速與磁場強度呈線性關系，不同類型的磁場對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，渦速磁場隨著溫度的升高而升高。所以，溫度作為其中的一個影響因素，就是磁力特性，渦旋旋轉引起的磁通量的大小與其所占比例之間的關系，磁力轉速和磁力作用等因素的變化規律還和轉速有關：轉速越高，磁力生成越多，不同磁力比下的磁能密度越大，磁極數越多，與電流密度具有正相關性，和流體速度負相關，和磁頭的中心距呈正比關系，磁力攪拌器的轉速隨磁場強度的提高而提高。

5 結語

綜上所示，磁力攪拌器是一種在磁力作用下，能夠產生渦流和流體流動，從而實現流體的剪切和攪拌等多種作用的裝置。流體經過磁力攪拌器后，通過流體壓力和內阻進行混合并達到一定平衡。攪拌是將流體與外界機械力之間產生作用，使流體運動或液體產生渦流和湍流等一系列物理現象。攪拌是在磁力作用和攪拌作用中產生各種物理現象。如果磁力攪拌器轉速不準確或測得不準，就會造成實際應用上的困難和事故。因此，對磁力攪拌器轉速進行測量是一個非常重要并且十分重要的一環。