摘要:通過有限元軟件ANSYS對流量計測量管內部的磁場分布建立了仿真模型,運用FLU-ENT對流量計的流體建立仿真,最后結合權重函數建立了電磁流量計檢測電極感應信號的數值計算方法,為電磁流量計干標定的研究提供-種基礎的計算方法.
電磁流量計是工業(yè)生產中重要的流量測量儀表,電磁流量計的標定分為實流標定和干標定兩種，實流標定由大功率的泵站、管道、大型儲液箱等構成,以實際流動的液體對流量計進行標定,這一標定方法成本較高.干標定是相對實流標定而言，是一種不用實流標定流量計系數的方法.隨著工業(yè)的發(fā)展,電磁流量計因口徑增大給儀表實流標定帶來技術和資金上的巨大困難";電磁流量計因其測量原理可追溯性好,與其它流量計(超聲波流量計.壓差流量計.渦街流量計)相比被認為最適合干標定的流量計.因此,電磁流量計的干標定方法是許多研究人員以及電磁流量計生產廠商關注的工程問題之一.張小章在電磁流量計理論模型下進行對流量計干標定研究.本文通過Ansys仿真測量管內部磁場分布，應用FLUENT對測量管內部流體進行仿真,最后結合權重函數對電磁流量計感應電勢進行數值計算,并且得到電磁流量計感應電勢與流速關系圖.對電磁流量計檢測電極獲取的感應電勢進行二次轉換器標定,可完成電磁流量計的干標定,從而不用實流標定,可對電磁流量計流量測量進行干標定.
1流量計感應電勢理論基礎
當導電流體流過外加磁場時,在作切割磁力線運動.根據法拉第電磁感應定律,在流體中就會產生感應電動勢,且通過測量感應電動勢的值來獲取流體的速度和流量,這就是電磁流量計測量流量的基本原理.在一定的條件下由maxwell方程可得電磁流量計的感應電勢的表達方程:
式中:U2-U1是兩電極的電勢差;A表示對所有空間積分;r為流量計截面管半徑;矢量V是導電流體的流速;B是磁感應強度;W為矢量權重函數,它是-一個只由電磁流量計本身結構決定的量.
由流量計的感應電勢理論基礎可知，只要確定了流體的流速V、磁感應強度B、以及權重函數W，流量計管徑半徑,就可以求流量計的感應電勢差,在流量計感應電勢計算中,一般來說,電磁流量計內部磁場大小的獲取是較難的問題，傳統(tǒng)干標定法中需要進行的復雜的空間三維磁場的測量,工作量大.英國HEMP提出的渦電場測量法是通過檢測由磁場交變產生的渦電場強度獲取磁場信息[5],實現電磁流量計一-次傳感器轉換系數的測量,無需測量有效區(qū)域內各點磁通量密度與體權重函數,但它只能模擬速度分布平坦的流場情況,無法對非理想流場情況下的電磁流量計進行標定;俄羅斯VELT提出的面權重函數法是按面權重函數等值線繞制的感應線圈與電磁流量計勵磁線圈的互感效應獲取磁場信息,實現電磁流量計一次傳感器轉換系數的測量'6],無需測量有效區(qū)域內各點磁通量密度,但它需要用干濕標定對比試驗進行修正,對比試驗工作量較大.本文方法結合電磁流量計管段以及勵磁線圈的幾何尺寸運用ANSYS電磁場仿真獲得流量計測量區(qū)域磁感應強度B的分布，同時運用MATLAB計算流量計的權重函數在測量管中的分布;利用FLUENT軟件對流體中不同流量下流體在傳感器管道內的速度分布進行仿真;最后完成電磁流量計感應電勢響應計算.
2理論仿真模型
2.1磁場仿真
根據電磁流量計傳感器結構尺寸,以及通電電流大小以及勵磁線圈匝數等相關參數設定流量計傳感器勵磁仿真結構,通過ANSYS仿真獲取流量計測量區(qū)域的磁感應強度分布,并對其數據進行記錄”.磁感應強度在x軸與y軸的分量分別為Bx和By,因為磁感應強度By對電磁流量計電極方向上的感應電勢貢獻很小且By比Bx小的多,對流量計感應電勢可以不考慮Br,只考慮Bx.故而將公式(1)中的B可以近似為Bx.
通過數據處理獲得測量區(qū)域磁感應強度在x軸方向的分布情況.如圖1所示為電磁流量計測量區(qū)域磁感應強度x方向分布圖.圖中x軸與y軸分別代表測量區(qū)域的“電極方向”與“磁場方向"(x軸與y軸所形成的面平行于測量管的檢測電極徑向截面).從仿真圖上可以看出流量計的磁感應強度分布不是一個恒定的值.
2.2流體速度分布仿真
采用FLUENT仿真出傳感器管道內不同徑向的速度分布,提取不同徑向的流體速度,并進行數值分析,建立測量區(qū)域的速度分布圖.如圖2所示為某--流量下電磁流量計內部流體速度分布圖,圖中，x軸、y軸方向分別為磁場方向與電極方向,0軸為速度值大小,方向為z軸.并保存數據在計算流量計感應電勢時運用.
2.3權重函數
關于權重函數問題:由中國石化出版社出版編著的《電磁流量計》中長筒式電磁流量計的權重函數表達式近似為(2)式.因為權重函數Wx對電磁流量計電極方向.上的感應電勢貢獻很小且Wx比Wr小的多,式(1)中對流量計感應電勢計算的權重函數W可以近似為在y軸方向，上的Wy.
如圖3所示為電磁流量計測量管中近似的權重函數分布圖.由于權重函數電極方向的分量與權重函數近似相等,所以權重函數的分布數值可以用來計算截面上瞬時的感應電勢.
2.4感應電勢的數值計算
在計算電磁流量計感應信號時,截取電磁流量計傳感器電極高度的柱形空間為積分空間A.在這一空間下電磁流量計傳感器電極高度范圍內的測量區(qū)域中任意徑向截面上的磁感應強度分布基本上是相同的,內部流體中的流體速度分布在徑向截面上對應位置近似相同,測量區(qū)域徑向截面相對位置的權重函數近似相同.分別對流量計傳感器電極范圍內截面的磁感應強度分布以及流量計內部流體速度分布進行仿真,并結合權重函數根據(1)式進行對流量計傳感器的感應信號進行計算.進而獲得電極范圍內感應電勢值,由于電極范圍內感應信號是電磁流量計測量值的主要貢獻值,這個計算值就近似于電磁流量計電極.上獲得的感應信號.
如圖4所示在一定的磁場.流速下流量計電極范圍內某-截面上流體感應電勢貢獻分布圖.圖中x軸為磁場方向,y軸為電極方向.
3仿真實驗分析
前面介紹了電磁流量計感應電勢數值計算方法,在電磁流量計電極范圍內任意截面中相對位置的磁場、權重函數、流體速度基本相同,根據公式(1)即可獲得電極兩端感應信號的近似值.下面對仿真實驗進行驗證性分析.
仿真實驗中,電磁流量計中流體平均流速分別設定為0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分別進行仿真與數值計算電磁流量計感應電勢差.如圖5所示為流量與電磁流量計感應電勢差關系圖,從仿真結果可以看出流量越大,感應電勢差也就越大,總體上說,流量與感應信號基本上成線性關系，仿真結果符合電磁流量計的相關理論.
仿真與數值計算方法為電磁流量計此感應電動勢的計算提供了-種新的解決方案,利用該方法求出了流量計的感應電勢差,即完成電磁流量計一-次傳感系數轉換.流量計傳感器獲取的感應電勢差(感應信號)一般需通過信號預處理,信號放大單元,高通低通濾波,進行信號提升單元等環(huán)節(jié)最后輸出流量測量顯示值.二次儀表轉換是將電極間的感應電勢差轉換為顯示的流量,二次儀表轉化技術已經基本成熟.當然本文為仿真實驗在工業(yè)實際應用中需要運用大量的干濕標定對比實驗進行對流量計標定進行修正,獲取一定的修正經驗值后,然后對流量計干標定結果進行修正,從而獲得正確有效的電極此感應電動勢.
4結論
通過仿真的方法建立了電磁流量計電極磁感應信號的數值計算模型,并在模型下對電磁流量計不同流量下的感應信號進行計算,該模型為電磁流量計的流量的測量提供一次傳感轉換系數,仿真與數值計算方法為電磁流量計干標定提供了一種新的解決思路.當然本文只是從理論上對電磁流量計檢測電極感應信號的計算方法,該方法要真正的應用于工業(yè)生產中,電磁流量計干標定仍需大量的、更嚴格的實驗數據對該方法干標定誤差修正值進行研究.
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