摘要(yào):通過有限元軟(ruǎn)件ANSYS對流量計測(ce)量管内部的磁(ci)場分✨布建立了(le)仿真模型,運用(yòng)FLU-ENT對流量計的流(liu)體建立仿真,最(zui)後結合權重函(hán)數建立了電磁(cí)流量計 檢測電(diàn)極感應信号的(de)數值計算方法(fa),爲電磁流量👣計(jì)幹标定的研究(jiū)提供-種基礎的(de)計算方法.
　　電磁(cí)流量計是工業(ye)生産中重要的(de)流量測量儀表(biao),電磁流量計的(de)标定分爲實流(liú)标定和幹标定(ding)兩種，實流😘标定(dìng)由大功率的泵(bèng)站、管道、大型儲(chu)液箱等構🈲成,以(yǐ)實💜際流動🚶的液(yè)體對流量計進(jìn)行✂️标定,這一标(biao)定方法成本較(jiao)高.幹🔞标定是相(xiang)對實流标定而(ér)言，是🏃🏻一種不用(yòng)實流标定流量(liang)計系數的方法(fǎ).随着工業✌️的發(fā)展,電磁流量計(ji)因口徑增大給(gei)儀表實流标定(dìng)帶來技術和資(zī)金上的巨大困(kùn)難";電磁流量計(jì)因其測量原理(li)可追溯性㊙️好,與(yu)其它流量計(超(chao)聲波流量計 .壓(yā)差流量計 .渦街(jie)流量計 )相比被(bèi)認爲最适合幹(gan)标定的流量計(ji).因此,電磁流量(liang)計💜的幹标定方(fang)法是許多研究(jiū)人員以及電磁(ci)流✔️量計生産廠(chang)商關注💃的工程(chéng)問題之一.張小(xiǎo)章在電磁流量(liang)計理論模型下(xià)進行對⭕流量計(jì)幹标定研究.本(ben)文通過Ansys仿真測(ce)量管内部磁場(chǎng)分布，應用FLUENT對測(ce)量管内部流體(tǐ)進行仿真,最後(hou)結合權重✊函數(shù)對電磁♊流量計(jì)感應電勢進行(hang)數值計算,并且(qiě)得到電磁流🐪量(liang)計感應電勢與(yu)流速關系圖.對(duì)電磁流量計檢(jian)測電極獲取的(de)感應電✍️勢進行(hang)二次轉換器标(biāo)定,可完成電磁(cí)流量計的幹标(biao)定,從而不用實(shí)流标定,可對電(dian)磁流量計流量(liàng)測量進行幹标(biao)定.
1流量計感應(yīng)電勢理論基礎(chǔ)
　　當導電流體流(liú)過外加磁場時(shí),在作切割磁力(lì)線運動.根據法(fa)拉✨第電磁感應(ying)定律,在流體中(zhōng)就會産生感應(yīng)電動勢,且通過(guò)測量感應電動(dòng)勢的值來獲取(qǔ)流體的速度和(hé)流量,這就是電(dian)磁流量計測量(liang)流量的基本原(yuán)理.在一定的條(tiao)件下🏃🏻由maxwell方程可(ke)得電磁流量計(jì)的感應電勢的(de)表達方程:
 
　　式中(zhong):U2-U1是兩電極的電(diàn)勢差;A表示對所(suo)有空間積分;r爲(wei)🈚流量計截面管(guan)半徑;矢量V是導(dǎo)電流體的流速(su);B是磁感應強度(dù);W爲矢量權重函(hán)數,它是-一個隻(zhi)由電磁流量計(jì)本身結構決定(dìng)的量.
　　由流量計(ji)的感應電勢理(lǐ)論基礎可知，隻(zhī)要确定了🆚流體(ti)的流速🎯V、磁感應(yīng)強度B、以及權重(zhong)函數W，流量計管(guǎn)徑半徑,就可以(yǐ)💋求流量計的感(gǎn)應電勢差,在流(liu)量計感應電勢(shi)計算中,一般來(lái)說,電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻磁流量計(jì)内部磁場大小(xiǎo)的獲取是較難(nán)的問題，傳統幹(gàn)标定🔴法中需要(yào)🐇進行的複雜🤩的(de)空間三維磁場(chang)的測量,工作量(liàng)大.英國HEMP提出的(de)渦電場測量法(fa)是通過檢測由(yóu)磁場交變産生(sheng)的渦電場強度(dù)獲取磁場信息(xi)[5],實現電磁流量(liàng)計一-次傳感器(qi)轉換系數的測(cè)量,無需測量有(yǒu)效區域内各點(dian)❌磁通量密度與(yu)體權重函數,但(dàn)它隻能模拟速(sù)度分布平坦的(de)流場情況,無法(fǎ)對非㊙️理想流場(chang)情況下的電磁(ci)流量計進行标(biāo)定;俄羅斯VELT提出(chu)的面權重函數(shù)法是按面權重(zhong)🔴函數等值線繞(rào)制的感應線圈(quan)與電磁流量計(ji)勵磁線圈的互(hu)感🈚效應獲取磁(cí)場信息,實現電(diàn)磁流量計一次(ci)傳感✏️器轉換系(xì)數的測量'6],無需(xū)測量有效區域(yu)内各點磁通量(liang)密度,但它需要(yao)用幹濕标定對(duì)比試驗進行修(xiū)正,對比試驗工(gōng)作量較大.本文(wén)方法結合✊電磁(ci)✉️流量計管段以(yǐ)及勵磁線圈的(de)幾何尺寸✊運用(yòng)ANSYS電磁場仿真獲(huo)得流量計測量(liàng)區域磁感應強(qiang)度B的分布，同時(shí)運用MATLAB計算流量(liang)計的權重函數(shù)在測量管中的(de)分布;利用FLUENT軟件(jian)對流體中不同(tóng)流量下流體在(zai)傳感器管道内(nèi)的速度分布進(jin)行仿真;最後完(wán)成電磁流量計(jì)感應電勢響應(yīng)🈲計算.
2理論仿真(zhēn)模型
2.1磁場仿真(zhēn)
　　根據電磁流量(liang)計傳感器結構(gòu)尺寸,以及通電(dian)電流大小🔞以及(ji)勵磁線圈匝數(shu)等相關參數設(she)定流量計傳感(gan)器勵磁仿真結(jie)構,通過ANSYS仿真獲(huò)取流量計測量(liàng)區域的🌈磁感應(yīng)強度分布,并對(duì)其數據🔞進行記(jì)錄”.磁感應強度(du)在x軸與y軸💛的分(fèn)量分别爲Bx和By,因(yīn)爲磁感應強度(dù)By對電磁流量計(ji)電極方向上的(de)感應電勢貢獻(xiàn)很小且By比Bx小🈲的(de)多,對流量計感(gǎn)應電勢可以不(bu)考慮🔱Br,隻考慮Bx.故(gù)而将公式(1)中的(de)🐪B可以近似💞爲Bx.
　　通(tong)過數據處理獲(huo)得測量區域磁(cí)感應強度在x軸(zhou)方向的🛀分布情(qing)況.如圖1所示爲(wèi)電磁流量計測(cè)量區域磁感應(ying)強度x方向分布(bù)圖✔️.圖中x軸與y軸(zhou)分别代表測量(liàng)區域的“電極😘方(fāng)向”與💘“磁場方向(xiàng)"(x軸與🔅y軸所形成(chéng)的👈面平行于❓測(ce)量管的📧檢測電(dian)極徑向截面🥵).從(cong)仿真圖🆚上可以(yi)看出流量計的(de)磁感應強度分(fèn)布不是一個恒(heng)定的值.
 
2.2流體速(su)度分布仿真
　　采(cǎi)用FLUENT仿真出傳感(gǎn)器管道内不同(tong)徑向的速度分(fèn)布,提🈲取不同㊙️徑(jìng)🌈向的流體速度(du),并進行數值分(fen)析,建立測量區(qu)域的速度分♌布(bù)圖.如圖2所示爲(wèi)某--流量下電磁(ci)流量計内部流(liu)體速度分布圖(tu),圖中，x軸、y軸方向(xiàng)分别爲磁場方(fāng)向與電🚩極方向(xiang),0軸📧爲速度值大(da)小,方向爲z軸.并(bing)保存💔數據在計(ji)算🈲流量計感應(ying)電勢時運用.
2.3權(quán)重函數
　　關于權(quán)重函數問題:由(yóu)中國石化出版(ban)社出版編著🈚的(de)👌《電磁流量計》中(zhōng)長筒式電磁流(liu)量計的權重函(hán)數表達式近👣似(sì)爲(2)式.因爲權重(zhòng)函數Wx對電磁流(liú)量計電極方向(xiang).上的感🏃🏻應電勢(shi)貢獻很小且Wx比(bi)🔞Wr小的多,式(1)中🔴對(dui)流量計🌂感應電(dian)勢㊙️計算的權重(zhòng)函數W可以近似(si)爲在y軸方向，上(shàng)的Wy.
 
　　如圖3所示爲(wèi)電磁流量計測(cè)量管中近似的(de)權重函數分布(bù)圖.由于權重函(hán)數電極方向的(de)分量與權重函(hán)數近似相等,所(suǒ)以權重函數的(de)分布數值可以(yǐ)用✂️來計算截面(mian)上🚶‍♀️瞬時的感應(ying)電勢.
2.4感應電勢(shì)的數值計算
　　在(zài)計算電磁流量(liàng)計感應信号時(shi),截取電磁流量(liang)計傳感器電極(jí)高度的柱形空(kong)間爲積分空間(jian)A.在這一空間🆚下(xia)電磁流量計傳(chuán)感器電極高度(dù)範圍内的測量(liàng)區域⛷️中任意徑(jing)向截面上的🌈磁(cí)感應強度分布(bu)基本上是相同(tong)的,内部流體中(zhong)的流體速度分(fèn)布在徑向截面(mian)上對應位置近(jin)似相同,測量區(qu)🤞域徑向截面相(xiang)對位置的權重(zhòng)函數近似相同(tóng).分别對流量🏃計(jì)傳🈚感器電極範(fàn)圍内㊙️截面的磁(cí)感應強度分布(bu)以及流量計内(nei)部流體速度💁分(fen)布進行仿真,并(bìng)❌結合權重函數(shu)根據(1)式🈲進行對(duì)流量計傳感器(qi)的感應信号進(jìn)行計算.進而獲(huo)得電極範圍内(nei)感應電勢值❓,由(you)于電極🍉範圍内(nei)感應信号是電(diàn)磁流量計測量(liàng)值的主要貢獻(xian)值,這個計算值(zhi)就近似🏒于電💋磁(cí)流量計電極.上(shang)獲得的感應🙇🏻信(xin)号.
如圖4所示在(zai)一定的磁場.流(liu)速下流量計電(diàn)極範圍内某-截(jié)面🔆上流體感應(yīng)電勢貢獻分布(bu)圖.圖中x軸爲磁(cí)場🌈方向,y軸爲電(diàn)極方向🏃.
 
3仿真實(shi)驗分析
　　前面介(jie)紹了電磁流量(liàng)計感應電勢數(shu)值計算方法,在(zai)電磁流量計電(diàn)極範圍内任意(yì)截面中相對位(wèi)置😘的磁場、權‼️重(zhong)函😄數、流體速✂️度(dù)基本相同,根據(jù)公式(1)即可獲得(de)電極兩端感應(ying)信号的㊙️近似值(zhí).下面對仿真💋實(shi)驗進行驗證性(xing)分析.
　　仿真實驗(yàn)中,電磁流量計(ji)中流體平均流(liu)速分别設定🔞爲(wei)😍0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分别🌍進行仿真(zhen)與數值計算電(dian)磁流量計感應(ying)電勢差.如圖5所(suǒ)示爲流量與電(dian)磁流量計感應(ying)電勢差關系圖(tú),從仿真結果🌈可(kě)以看出流量越(yuè)大,感應電勢差(cha)也就越大,總體(tǐ)上說,流量與感(gǎn)應信号基本上(shang)🌐成線性關系，仿(páng)真結果符🙇🏻合電(diàn)磁流量計的相(xiàng)關理🥰論.
　　仿真與(yu)數值計算方法(fǎ)爲電磁流量計(jì)此感應電動🔆勢(shì)的🌂計算提供了(le)-種新的解決方(fāng)案,利用該方法(fa)求出了💯流量計(ji)的感應📱電勢差(chà),即完成電磁流(liú)量計一-次傳感(gan)🔞系數轉換.流量(liàng)計傳感器獲取(qǔ)的感應電勢差(chà)(感應信号)一般(bān)需通過信号預(yù)處理,信号放大(da)單元,高通低通(tōng)濾波,進行信🈲号(hào)提升單元🌏等環(huan)節最後輸出流(liu)量測量🔆顯示值(zhi).二次儀表轉換(huàn)是将電💔極間的(de)感應電勢差轉(zhuǎn)換爲顯示的流(liú)量,二次儀表轉(zhuan)化技術已經基(jī)本成熟♊.當然本(běn)文爲仿真實驗(yàn)在工業實際應(ying)用中需要運用(yong)大量的幹濕标(biao)定對比🌈實驗進(jìn)行對流量計标(biao)定進行修正,獲(huo)取一定的修正(zheng)經🏃‍♀️驗值後,然後(hòu)對流量計幹标(biāo)定結果進行修(xiu)正,從而♌獲得💯正(zhèng)确有效的電極(ji)此感應電動勢(shi).
4結論
　　通過仿真(zhēn)的方法建立了(le)電磁流量計電(dian)極磁感應信号(hao)的數值計算模(mo)型,并在模型下(xia)對電磁流量計(jì)不同流量下的(de)感應信号進行(háng)計算,該模型爲(wei)電磁🚶流量計的(de)流量的測量提(ti)供一次傳感轉(zhuan)換系數,仿💯真與(yu)數值計算方法(fǎ)爲電磁流量計(jì)幹标定提供了(le)⭐一種新的解決(jué)思路.當然本文(wén)隻是從理論上(shang)對電♋磁流量計(ji)檢😄測電極感應(ying)信号的計算方(fāng)法,該方法要真(zhen)正的應用于工(gong)業生産中,電磁(cí)流量計幹标定(dìng)仍需大量的、更(geng)嚴格的實驗數(shù)據對該方法幹(gàn)标定誤差修正(zheng)值進行研究.

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