摘要:通過有限元軟件ANSYS對(duì)流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)部的磁場(chǎng)分布建立了仿真模型,運(yùn)用FLU-ENT對(duì)流量計(jì)的流體建立仿真,最后結(jié)合權(quán)重函數(shù)建立了電磁流量計(jì)檢測(cè)電極感應(yīng)信號(hào)的數(shù)值計(jì)算方法,為電磁流量計(jì)干標(biāo)定的研究提供-種基礎(chǔ)的計(jì)算方法.
電磁流量計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的流量測(cè)量?jī)x表,電磁流量計(jì)的標(biāo)定分為實(shí)流標(biāo)定和干標(biāo)定兩種，實(shí)流標(biāo)定由大功率的泵站、管道、大型儲(chǔ)液箱等構(gòu)成,以實(shí)際流動(dòng)的液體對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,這一標(biāo)定方法成本較高.干標(biāo)定是相對(duì)實(shí)流標(biāo)定而言，是一種不用實(shí)流標(biāo)定流量計(jì)系數(shù)的方法.隨著工業(yè)的發(fā)展,電磁流量計(jì)因口徑增大給儀表實(shí)流標(biāo)定帶來(lái)技術(shù)和資金上的巨大困難";電磁流量計(jì)因其測(cè)量原理可追溯性好,與其它流量計(jì)(超聲波流量計(jì).壓差流量計(jì).渦街流量計(jì))相比被認(rèn)為最適合干標(biāo)定的流量計(jì).因此,電磁流量計(jì)的干標(biāo)定方法是許多研究人員以及電磁流量計(jì)生產(chǎn)廠商關(guān)注的工程問題之一.張小章在電磁流量計(jì)理論模型下進(jìn)行對(duì)流量計(jì)干標(biāo)定研究.本文通過Ansys仿真測(cè)量管內(nèi)部磁場(chǎng)分布，應(yīng)用FLUENT對(duì)測(cè)量管內(nèi)部流體進(jìn)行仿真,最后結(jié)合權(quán)重函數(shù)對(duì)電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并且得到電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)與流速關(guān)系圖.對(duì)電磁流量計(jì)檢測(cè)電極獲取的感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換器標(biāo)定,可完成電磁流量計(jì)的干標(biāo)定,從而不用實(shí)流標(biāo)定,可對(duì)電磁流量計(jì)流量測(cè)量進(jìn)行干標(biāo)定.
1流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)理論基礎(chǔ)
當(dāng)導(dǎo)電流體流過外加磁場(chǎng)時(shí),在作切割磁力線運(yùn)動(dòng).根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在流體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),且通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值來(lái)獲取流體的速度和流量,這就是電磁流量計(jì)測(cè)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(jì)的感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)方程:
式中:U2-U1是兩電極的電勢(shì)差;A表示對(duì)所有空間積分;r為流量計(jì)截面管半徑;矢量V是導(dǎo)電流體的流速;B是磁感應(yīng)強(qiáng)度;W為矢量權(quán)重函數(shù),它是-一個(gè)只由電磁流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)決定的量.
由流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)理論基礎(chǔ)可知，只要確定了流體的流速V、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、以及權(quán)重函數(shù)W，流量計(jì)管徑半徑,就可以求流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)差,在流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算中,一般來(lái)說(shuō),電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場(chǎng)大小的獲取是較難的問題，傳統(tǒng)干標(biāo)定法中需要進(jìn)行的復(fù)雜的空間三維磁場(chǎng)的測(cè)量,工作量大.英國(guó)HEMP提出的渦電場(chǎng)測(cè)量法是通過檢測(cè)由磁場(chǎng)交變產(chǎn)生的渦電場(chǎng)強(qiáng)度獲取磁場(chǎng)信息[5],實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)一-次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的測(cè)量,無(wú)需測(cè)量有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁通量密度與體權(quán)重函數(shù),但它只能模擬速度分布平坦的流場(chǎng)情況,無(wú)法對(duì)非理想流場(chǎng)情況下的電磁流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定;俄羅斯VELT提出的面權(quán)重函數(shù)法是按面權(quán)重函數(shù)等值線繞制的感應(yīng)線圈與電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈的互感效應(yīng)獲取磁場(chǎng)信息,實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的測(cè)量'6],無(wú)需測(cè)量有效區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)磁通量密度,但它需要用干濕標(biāo)定對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行修正,對(duì)比試驗(yàn)工作量較大.本文方法結(jié)合電磁流量計(jì)管段以及勵(lì)磁線圈的幾何尺寸運(yùn)用ANSYS電磁場(chǎng)仿真獲得流量計(jì)測(cè)量區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布，同時(shí)運(yùn)用MATLAB計(jì)算流量計(jì)的權(quán)重函數(shù)在測(cè)量管中的分布;利用FLUENT軟件對(duì)流體中不同流量下流體在傳感器管道內(nèi)的速度分布進(jìn)行仿真;最后完成電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)響應(yīng)計(jì)算.
2理論仿真模型
2.1磁場(chǎng)仿真
根據(jù)電磁流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)尺寸,以及通電電流大小以及勵(lì)磁線圈匝數(shù)等相關(guān)參數(shù)設(shè)定流量計(jì)傳感器勵(lì)磁仿真結(jié)構(gòu),通過ANSYS仿真獲取流量計(jì)測(cè)量區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布,并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄”.磁感應(yīng)強(qiáng)度在x軸與y軸的分量分別為Bx和By,因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度By對(duì)電磁流量計(jì)電極方向上的感應(yīng)電勢(shì)貢獻(xiàn)很小且By比Bx小的多,對(duì)流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)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(shù)據(jù)處理獲得測(cè)量區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度在x軸方向的分布情況.如圖1所示為電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向分布圖.圖中x軸與y軸分別代表測(cè)量區(qū)域的“電極方向”與“磁場(chǎng)方向"(x軸與y軸所形成的面平行于測(cè)量管的檢測(cè)電極徑向截面).從仿真圖上可以看出流量計(jì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不是一個(gè)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(nèi)不同徑向的速度分布,提取不同徑向的流體速度,并進(jìn)行數(shù)值分析,建立測(cè)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(jì)內(nèi)部流體速度分布圖,圖中，x軸、y軸方向分別為磁場(chǎng)方向與電極方向,0軸為速度值大小,方向?yàn)閦軸.并保存數(shù)據(jù)在計(jì)算流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)時(shí)運(yùn)用.
2.3權(quán)重函數(shù)
關(guān)于權(quán)重函數(shù)問題:由中國(guó)石化出版社出版編著的《電磁流量計(jì)》中長(zhǎng)筒式電磁流量計(jì)的權(quán)重函數(shù)表達(dá)式近似為(2)式.因?yàn)闄?quán)重函數(shù)Wx對(duì)電磁流量計(jì)電極方向.上的感應(yīng)電勢(shì)貢獻(xiàn)很小且Wx比Wr小的多,式(1)中對(duì)流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算的權(quán)重函數(shù)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(jì)測(cè)量管中近似的權(quán)重函數(shù)分布圖.由于權(quán)重函數(shù)電極方向的分量與權(quán)重函數(shù)近似相等,所以權(quán)重函數(shù)的分布數(shù)值可以用來(lái)計(jì)算截面上瞬時(shí)的感應(yīng)電勢(shì).
2.4感應(yīng)電勢(shì)的數(shù)值計(jì)算
在計(jì)算電磁流量計(jì)感應(yīng)信號(hào)時(shí),截取電磁流量計(jì)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(jì)傳感器電極高度范圍內(nèi)的測(cè)量區(qū)域中任意徑向截面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布基本上是相同的,內(nèi)部流體中的流體速度分布在徑向截面上對(duì)應(yīng)位置近似相同,測(cè)量區(qū)域徑向截面相對(duì)位置的權(quán)重函數(shù)近似相同.分別對(duì)流量計(jì)傳感器電極范圍內(nèi)截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布以及流量計(jì)內(nèi)部流體速度分布進(jìn)行仿真,并結(jié)合權(quán)重函數(shù)根據(jù)(1)式進(jìn)行對(duì)流量計(jì)傳感器的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算.進(jìn)而獲得電極范圍內(nèi)感應(yīng)電勢(shì)值,由于電極范圍內(nèi)感應(yīng)信號(hào)是電磁流量計(jì)測(cè)量值的主要貢獻(xiàn)值,這個(gè)計(jì)算值就近似于電磁流量計(jì)電極.上獲得的感應(yīng)信號(hào).
如圖4所示在一定的磁場(chǎng).流速下流量計(jì)電極范圍內(nèi)某-截面上流體感應(yīng)電勢(shì)貢獻(xiàn)分布圖.圖中x軸為磁場(chǎng)方向,y軸為電極方向.
3仿真實(shí)驗(yàn)分析
前面介紹了電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值計(jì)算方法,在電磁流量計(jì)電極范圍內(nèi)任意截面中相對(duì)位置的磁場(chǎng)、權(quán)重函數(shù)、流體速度基本相同,根據(jù)公式(1)即可獲得電極兩端感應(yīng)信號(hào)的近似值.下面對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證性分析.
仿真實(shí)驗(yàn)中,電磁流量計(jì)中流體平均流速分別設(shè)定為0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分別進(jìn)行仿真與數(shù)值計(jì)算電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)差.如圖5所示為流量與電磁流量計(jì)感應(yīng)電勢(shì)差關(guān)系圖,從仿真結(jié)果可以看出流量越大,感應(yīng)電勢(shì)差也就越大,總體上說(shuō),流量與感應(yīng)信號(hào)基本上成線性關(guān)系，仿真結(jié)果符合電磁流量計(jì)的相關(guān)理論.
仿真與數(shù)值計(jì)算方法為電磁流量計(jì)此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算提供了-種新的解決方案,利用該方法求出了流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)差,即完成電磁流量計(jì)一-次傳感系數(shù)轉(zhuǎn)換.流量計(jì)傳感器獲取的感應(yīng)電勢(shì)差(感應(yīng)信號(hào))一般需通過信號(hào)預(yù)處理,信號(hào)放大單元,高通低通濾波,進(jìn)行信號(hào)提升單元等環(huán)節(jié)最后輸出流量測(cè)量顯示值.二次儀表轉(zhuǎn)換是將電極間的感應(yīng)電勢(shì)差轉(zhuǎn)換為顯示的流量,二次儀表轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)基本成熟.當(dāng)然本文為仿真實(shí)驗(yàn)在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中需要運(yùn)用大量的干濕標(biāo)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)流量計(jì)標(biāo)定進(jìn)行修正,獲取一定的修正經(jīng)驗(yàn)值后,然后對(duì)流量計(jì)干標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正,從而獲得正確有效的電極此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).
4結(jié)論
通過仿真的方法建立了電磁流量計(jì)電極磁感應(yīng)信號(hào)的數(shù)值計(jì)算模型,并在模型下對(duì)電磁流量計(jì)不同流量下的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,該模型為電磁流量計(jì)的流量的測(cè)量提供一次傳感轉(zhuǎn)換系數(shù),仿真與數(shù)值計(jì)算方法為電磁流量計(jì)干標(biāo)定提供了一種新的解決思路.當(dāng)然本文只是從理論上對(duì)電磁流量計(jì)檢測(cè)電極感應(yīng)信號(hào)的計(jì)算方法,該方法要真正的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,電磁流量計(jì)干標(biāo)定仍需大量的、更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方法干標(biāo)定誤差修正值進(jìn)行研究.
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