摘要:通過有限元軟件ANSYS對流量計測量管內(nèi)部的磁場分布建立了仿真模型,運(yùn)用FLU-ENT對流量計的流體建立仿真,最后結(jié)合權(quán)重函數(shù)建立了電磁流量計檢測電極感應(yīng)信號的數(shù)值計算方法,為電磁流量計干標(biāo)定的研究提供-種基礎(chǔ)的計算方法.
電磁流量計是工業(yè)生產(chǎn)中重要的流量測量儀表,電磁流量計的標(biāo)定分為實流標(biāo)定和干標(biāo)定兩種，實流標(biāo)定由大功率的泵站、管道、大型儲液箱等構(gòu)成,以實際流動的液體對流量計進(jìn)行標(biāo)定,這一標(biāo)定方法成本較高.干標(biāo)定是相對實流標(biāo)定而言，是一種不用實流標(biāo)定流量計系數(shù)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(biāo)定帶來技術(shù)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(rèn)為最適合干標(biāo)定的流量計.因此,電磁流量計的干標(biāo)定方法是許多研究人員以及電磁流量計生產(chǎn)廠商關(guān)注的工程問題之一.張小章在電磁流量計理論模型下進(jìn)行對流量計干標(biāo)定研究.本文通過Ansys仿真測量管內(nèi)部磁場分布，應(yīng)用FLUENT對測量管內(nèi)部流體進(jìn)行仿真,最后結(jié)合權(quán)重函數(shù)對電磁流量計感應(yīng)電勢進(jìn)行數(shù)值計算,并且得到電磁流量計感應(yīng)電勢與流速關(guān)系圖.對電磁流量計檢測電極獲取的感應(yīng)電勢進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換器標(biāo)定,可完成電磁流量計的干標(biāo)定,從而不用實流標(biāo)定,可對電磁流量計流量測量進(jìn)行干標(biāo)定.
1流量計感應(yīng)電勢理論基礎(chǔ)
當(dāng)導(dǎo)電流體流過外加磁場時,在作切割磁力線運(yùn)動.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在流體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,且通過測量感應(yīng)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(yīng)電勢的表達(dá)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(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-一個只由電磁流量計本身結(jié)構(gòu)決定的量.
由流量計的感應(yīng)電勢理論基礎(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，流量計管徑半徑,就可以求流量計的感應(yīng)電勢差,在流量計感應(yīng)電勢計算中,一般來說,電磁流量計內(nèi)部磁場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(chǎn)生的渦電場強(qiáng)度獲取磁場信息[5],實現(xiàn)電磁流量計一-次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的測量,無需測量有效區(qū)域內(nèi)各點磁通量密度與體權(quán)重函數(shù),但它只能模擬速度分布平坦的流場情況,無法對非理想流場情況下的電磁流量計進(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)線圈與電磁流量計勵磁線圈的互感效應(yīng)獲取磁場信息,實現(xiàn)電磁流量計一次傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的測量'6],無需測量有效區(qū)域內(nèi)各點磁通量密度,但它需要用干濕標(biāo)定對比試驗進(jìn)行修正,對比試驗工作量較大.本文方法結(jié)合電磁流量計管段以及勵磁線圈的幾何尺寸運(yùn)用ANSYS電磁場仿真獲得流量計測量區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布，同時運(yùn)用MATLAB計算流量計的權(quán)重函數(shù)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(nèi)的速度分布進(jìn)行仿真;最后完成電磁流量計感應(yīng)電勢響應(yīng)計算.
2理論仿真模型
2.1磁場仿真
根據(jù)電磁流量計傳感器結(jié)構(gòu)尺寸,以及通電電流大小以及勵磁線圈匝數(shù)等相關(guān)參數(shù)設(shè)定流量計傳感器勵磁仿真結(jié)構(gòu),通過ANSYS仿真獲取流量計測量區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布,并對其數(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,因為磁感應(yīng)強(qiáng)度By對電磁流量計電極方向上的感應(yīng)電勢貢獻(xiàn)很小且By比Bx小的多,對流量計感應(yīng)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(shù)據(jù)處理獲得測量區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度在x軸方向的分布情況.如圖1所示為電磁流量計測量區(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(yīng)強(qiáng)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(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(nèi)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(shù)據(jù)在計算流量計感應(yīng)電勢時運(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(quán)重函數(shù)表達(dá)式近似為(2)式.因為權(quán)重函數(shù)Wx對電磁流量計電極方向.上的感應(yīng)電勢貢獻(xiàn)很小且Wx比Wr小的多,式(1)中對流量計感應(yīng)電勢計算的權(quán)重函數(shù)W可以近似為在y軸方向，上的Wy.
如圖3所示為電磁流量計測量管中近似的權(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)值可以用來計算截面上瞬時的感應(yīng)電勢.
2.4感應(yīng)電勢的數(shù)值計算
在計算電磁流量計感應(yīng)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(nèi)的測量區(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應(yīng)位置近似相同,測量區(qū)域徑向截面相對位置的權(quán)重函數(shù)近似相同.分別對流量計傳感器電極范圍內(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)行對流量計傳感器的感應(yīng)信號進(jìn)行計算.進(jìn)而獲得電極范圍內(nèi)感應(yīng)電勢值,由于電極范圍內(nèi)感應(yīng)信號是電磁流量計測量值的主要貢獻(xiàn)值,這個計算值就近似于電磁流量計電極.上獲得的感應(yīng)信號.
如圖4所示在一定的磁場.流速下流量計電極范圍內(nèi)某-截面上流體感應(yīng)電勢貢獻(xiàn)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(yīng)電勢數(shù)值計算方法,在電磁流量計電極范圍內(nèi)任意截面中相對位置的磁場、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)信號的近似值.下面對仿真實驗進(jìn)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(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)值計算電磁流量計感應(yīng)電勢差.如圖5所示為流量與電磁流量計感應(yīng)電勢差關(guān)系圖,從仿真結(jié)果可以看出流量越大,感應(yīng)電勢差也就越大,總體上說,流量與感應(yīng)信號基本上成線性關(guān)系，仿真結(jié)果符合電磁流量計的相關(guān)理論.
仿真與數(shù)值計算方法為電磁流量計此感應(yīng)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(yīng)電勢差,即完成電磁流量計一-次傳感系數(shù)轉(zhuǎn)換.流量計傳感器獲取的感應(yīng)電勢差(感應(yīng)信號)一般需通過信號預(yù)處理,信號放大單元,高通低通濾波,進(jìn)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(zhuǎn)換是將電極間的感應(yīng)電勢差轉(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)然本文為仿真實驗在工業(yè)實際應(yīng)用中需要運(yùn)用大量的干濕標(biāo)定對比實驗進(jìn)行對流量計標(biāo)定進(jìn)行修正,獲取一定的修正經(jīng)驗值后,然后對流量計干標(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)電動勢.
4結(jié)論
通過仿真的方法建立了電磁流量計電極磁感應(yīng)信號的數(shù)值計算模型,并在模型下對電磁流量計不同流量下的感應(yīng)信號進(jìn)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(zhuǎn)換系數(shù),仿真與數(shù)值計算方法為電磁流量計干標(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電磁流量計檢測電極感應(yīng)信號的計算方法,該方法要真正的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,電磁流量計干標(biāo)定仍需大量的、更嚴(yán)格的實驗數(shù)據(jù)對該方法干標(biāo)定誤差修正值進(jìn)行研究.
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