摘要(yào):通過(guò)有(yǒu)限元軟(ruǎn)件ansys對(duì)流量計測量管内部的磁場分(fèn)布建立了(le)仿真模型(xíng),運用(yòng)flu-ent對流量(liàng)計的流(liú)體建(jiàn)立仿真,最(zuì)後結(jié)合(hé)權重函(hán)數建(jiàn)立了電磁(cí)流量計 檢測電極感應信号的(de)數值(zhí)計算方法(fǎ),爲(wèi)電磁流(liú)量計幹标(biāo)定的(de)研究(jiū)提供-種(zhǒng)基礎的(de)計算方法(fǎ).
　　電磁流量(liàng)計(jì)是工業生産(chǎn)中重(zhòng)要的(de)流量(liàng)測(cè)量儀表,電磁流(liú)量計的(de)标定(dìng)分(fèn)爲實流(liú)标定和幹标定兩種，實流标定(dìng)由大功率的泵(bèng)站、管道、大型儲(chǔ)液箱(xiāng)等構成,以(yǐ)實際(jì)流動的液(yè)體對流量(liàng)計進(jìn)行标定,這一标定方法成本較高.幹(gàn)标(biāo)定是相對實流(liú)标定而言，是一(yī)種(zhǒng)不用(yòng)實流标定流量(liàng)計系數的方法(fǎ).随着工業的發展,電磁流量計(jì)因口徑(jìng)增大給(gěi)儀表(biǎo)實流标(biāo)定(dìng)帶來技術和資金上的(de)巨大困難";電(diàn)磁流(liú)量計(jì)因其測量原理(lǐ)可追溯性好,與(yǔ)其它流(liú)量(liàng)計(超(chāo)聲波流(liú)量計 .壓(yā)差流(liú)量(liàng)計(jì) .渦街流量計 )相比被(bèi)認爲(wèi)最适(shì)合幹(gàn)标定的流(liú)量計(jì).因此,電磁流量計的(de)幹(gàn)标定方(fāng)法是許多(duō)研究(jiū)人員(yuán)以及電磁流量計(jì)生(shēng)産廠(chǎng)商關(guān)注的工程(chéng)問題(tí)之一(yī).張小(xiǎo)章在電(diàn)磁流量(liàng)計理(lǐ)論(lùn)模型下進行對流量計幹标定(dìng)研究.本(běn)文通(tōng)過ansys仿真測(cè)量管内部磁場(chǎng)分布，應用fluent對測(cè)量管内部(bù)流體進行(háng)仿真,最後結合(hé)權(quán)重函數(shù)對電磁流量計(jì)感應電勢進行(háng)數值(zhí)計算(suàn),并且(qiě)得到電磁(cí)流量(liàng)計感(gǎn)應電勢與(yǔ)流速關系圖.對電磁流量(liàng)計檢(jiǎn)測電極獲(huò)取的(de)感應電(diàn)勢進行(háng)二次轉換器标(biāo)定,可完(wán)成電磁(cí)流量計的幹标(biāo)定,從而不(bú)用實(shí)流标(biāo)定(dìng),可對電磁流(liú)量計流量(liàng)測(cè)量進(jìn)行(háng)幹标(biāo)定.
1流(liú)量計感應電勢理論基礎(chǔ)
　　當導電(diàn)流體流(liú)過外加磁場時,在(zài)作(zuò)切(qiē)割磁力(lì)線運動.根據法拉第電磁感應(yīng)定律,在流(liú)體中(zhōng)就會産生感應電動勢,且通過(guò)測量感應電動(dòng)勢的(de)值來獲取(qǔ)流體(tǐ)的速度和流量(liàng),這就是電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計測量(liàng)流量的基本原(yuán)理.在(zài)一定(dìng)的條(tiáo)件下由maxwell方(fāng)程可得電(diàn)磁(cí)流量計(jì)的(de)感應電(diàn)勢的(de)表達(dá)方程:
 
　　式中(zhōng):u2-u1是兩電極的電(diàn)勢差;a表(biǎo)示對所(suǒ)有空間積分;r爲(wèi)流量計(jì)截(jié)面管(guǎn)半徑(jìng);矢量(liàng)v是導(dǎo)電流體的流速;b是磁感應強度;w爲矢量(liàng)權(quán)重函(hán)數,它是(shì)-一(yī)個隻由電磁流量計(jì)本身結構決定的量.
　　由流量計(jì)的感(gǎn)應電(diàn)勢理(lǐ)論基礎可知，隻(zhī)要确定了流體(tǐ)的流速v、磁感應(yīng)強度b、以及權重函數(shù)w，流(liú)量計管(guǎn)徑半(bàn)徑,就可以(yǐ)求流(liú)量計的感應電勢差(chà),在流(liú)量計感(gǎn)應電勢(shì)計算(suàn)中,一(yī)般來說(shuō),電磁流量計(jì)内部磁場(chǎng)大小的獲取是較難(nán)的問題(tí)，傳(chuán)統幹标定法(fǎ)中需要(yào)進行的複雜的(de)空間三維(wéi)磁(cí)場(chǎng)的測量,工(gōng)作量大.英國(guó)hemp提出的(de)渦電(diàn)場測(cè)量法(fǎ)是通(tōng)過(guò)檢測由(yóu)磁場(chǎng)交變(biàn)産生的渦電場強度(dù)獲取磁(cí)場信息[5],實現電(diàn)磁流量(liàng)計(jì)一-次傳感器(qì)轉換(huàn)系數的測量,無需測量有效區(qū)域内各點(diǎn)磁通(tōng)量(liàng)密(mì)度與(yǔ)體(tǐ)權重函數,但(dàn)它隻能模(mó)拟速度分布(bù)平坦的(de)流場情況(kuàng),無法(fǎ)對非理(lǐ)想流場(chǎng)情況下(xià)的電磁(cí)流量計進行标(biāo)定;俄羅斯velt提出(chū)的面權重函數(shù)法是(shì)按(àn)面(miàn)權重(zhòng)函數(shù)等值線繞(rào)制的感(gǎn)應(yīng)線圈(quān)與電磁流量計(jì)勵磁線圈的互感效應獲取磁(cí)場信息,實現電(diàn)磁流量計一次傳感器轉(zhuǎn)換系數的測量'6],無需(xū)測量(liàng)有效(xiào)區域(yù)内(nèi)各(gè)點(diǎn)磁通量(liàng)密度,但它(tā)需要用幹(gàn)濕标定對(duì)比試(shì)驗(yàn)進行修(xiū)正,對(duì)比(bǐ)試驗工(gōng)作(zuò)量較(jiào)大(dà).本文方法(fǎ)結合電(diàn)磁(cí)流量計管(guǎn)段以(yǐ)及勵磁線(xiàn)圈的(de)幾何(hé)尺(chǐ)寸運用ansys電(diàn)磁(cí)場(chǎng)仿(páng)真獲(huò)得流量計測量(liàng)區域(yù)磁感應強(qiáng)度b的分(fèn)布，同時(shí)運用(yòng)matlab計算流量計的權重函數(shù)在測(cè)量管(guǎn)中的(de)分布;利用fluent軟件(jiàn)對流(liú)體中不同(tóng)流量(liàng)下(xià)流體在(zài)傳感器管(guǎn)道内(nèi)的速(sù)度分布進行仿真;最後完(wán)成電(diàn)磁流(liú)量計感應(yīng)電勢響應(yīng)計(jì)算.
2理(lǐ)論仿真(zhēn)模型
2.1磁場(chǎng)仿真(zhēn)
　　根據電磁流量計傳感器結構尺寸,以及通電(diàn)電流大小以及(jí)勵磁線圈匝數等相關參(cān)數設(shè)定流量(liàng)計傳感器勵(lì)磁仿真結(jié)構(gòu),通過ansys仿真獲(huò)取流量計測量(liàng)區域(yù)的磁(cí)感應(yīng)強度分布,并對(duì)其數據進行記(jì)錄”.磁(cí)感應強度(dù)在x軸與y軸(zhóu)的分(fèn)量分(fèn)别(bié)爲(wèi)bx和by,因爲磁感應強度(dù)by對電磁流量計(jì)電極方向上的(de)感應(yīng)電勢貢(gòng)獻(xiàn)很小且by比bx小的多,對流量計感(gǎn)應電勢可(kě)以不(bú)考慮(lǜ)br,隻考慮bx.故(gù)而将公式(shì)(1)中的(de)b可以(yǐ)近似爲bx.
　　通(tōng)過數據處理獲(huò)得測量區域磁(cí)感(gǎn)應(yīng)強度在x軸(zhóu)方向(xiàng)的分布情(qíng)況.如圖1所示爲電磁(cí)流量計測(cè)量區域(yù)磁感應(yīng)強度x方向(xiàng)分布(bù)圖.圖(tú)中x軸與y軸(zhóu)分别代表(biǎo)測量(liàng)區域的(de)“電(diàn)極方向”與(yǔ)“磁場方向(xiàng)"(x軸與y軸所(suǒ)形成(chéng)的面(miàn)平行(háng)于測量管(guǎn)的檢測電(diàn)極徑向截面).從(cóng)仿真(zhēn)圖上(shàng)可以(yǐ)看出(chū)流量(liàng)計的(de)磁感(gǎn)應(yīng)強度分(fèn)布不(bú)是一(yī)個恒(héng)定的值(zhí).
 
2.2流體速度分布(bù)仿真
　　采(cǎi)用fluent仿真出(chū)傳感器管(guǎn)道内不同徑向(xiàng)的(de)速(sù)度分(fèn)布,提取不(bú)同徑(jìng)向的(de)流體速度(dù),并進行數(shù)值分(fèn)析,建(jiàn)立測(cè)量區(qū)域的(de)速度分布(bù)圖.如圖(tú)2所(suǒ)示爲(wèi)某--流(liú)量(liàng)下電磁流量(liàng)計内部流(liú)體速度分布(bù)圖(tú),圖中，x軸、y軸(zhóu)方向分别(bié)爲磁場方向與(yǔ)電極(jí)方向,0軸爲速度值大(dà)小,方向(xiàng)爲z軸.并(bìng)保存(cún)數(shù)據在計算流量計(jì)感應(yīng)電勢時運用.
2.3權(quán)重(zhòng)函數(shù)
　　關于權(quán)重函數問(wèn)題:由(yóu)中國石化(huà)出版(bǎn)社出版編著的(de)《電磁流量(liàng)計》中(zhōng)長筒式電磁流(liú)量計的權(quán)重(zhòng)函(hán)數表達式近似(sì)爲(2)式.因爲權重函數(shù)wx對(duì)電磁流(liú)量計電極方向.上的感(gǎn)應電勢(shì)貢獻很小(xiǎo)且wx比(bǐ)wr小的(de)多(duō),式(1)中對(duì)流量(liàng)計感應電(diàn)勢(shì)計(jì)算的權重(zhòng)函數(shù)w可以近似爲在y軸方(fāng)向，上的wy.
 
　　如圖3所(suǒ)示爲(wèi)電磁(cí)流(liú)量計測(cè)量管(guǎn)中(zhōng)近似的(de)權重(zhòng)函(hán)數分布(bù)圖.由(yóu)于權(quán)重函數電(diàn)極(jí)方向的(de)分量與權(quán)重函(hán)數近(jìn)似相等,所(suǒ)以權重函數的(de)分布數(shù)值可以(yǐ)用來計(jì)算(suàn)截面(miàn)上瞬(shùn)時的(de)感應(yīng)電勢.
2.4感(gǎn)應電勢(shì)的數(shù)值計算(suàn)
　　在(zài)計算(suàn)電磁(cí)流量(liàng)計感(gǎn)應(yīng)信号時(shí),截取電磁流量計(jì)傳感器(qì)電極(jí)高度的柱形空(kōng)間爲積分空間(jiān)a.在這一(yī)空(kōng)間下(xià)電磁(cí)流量計傳(chuán)感器電極(jí)高度(dù)範圍内的測(cè)量區域中任意徑向截面上的磁(cí)感應(yīng)強度分布(bù)基本上是相同(tóng)的,内部流(liú)體中(zhōng)的流(liú)體速(sù)度分(fèn)布在徑向截面上對應位置近(jìn)似相同(tóng),測(cè)量區(qū)域徑向截面相(xiàng)對位置的(de)權重函數(shù)近似(sì)相同(tóng).分别對流(liú)量計傳感器電極範(fàn)圍内截(jié)面(miàn)的磁(cí)感應(yīng)強(qiáng)度(dù)分布(bù)以及(jí)流量(liàng)計内(nèi)部流體速度分(fèn)布進(jìn)行(háng)仿真,并(bìng)結合權(quán)重(zhòng)函數根據(1)式進行對(duì)流量計傳感器(qì)的感應信(xìn)号進(jìn)行計算(suàn).進而獲(huò)得電(diàn)極範(fàn)圍内感應電勢值,由于電極範圍内感應(yīng)信号(hào)是電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計測量值的(de)主要貢(gòng)獻值,這個計(jì)算值(zhí)就近(jìn)似(sì)于電磁(cí)流量計電極.上獲(huò)得的感應信(xìn)号.
如圖4所示(shì)在一定的(de)磁場.流(liú)速下流(liú)量計電極範圍内某-截(jié)面上流(liú)體(tǐ)感應(yīng)電勢貢(gòng)獻分(fèn)布(bù)圖.圖(tú)中x軸爲磁(cí)場方向(xiàng),y軸爲電(diàn)極方(fāng)向.
 
3仿真實(shí)驗分(fèn)析
　　前(qián)面介(jiè)紹了電磁(cí)流量計感應電(diàn)勢數(shù)值計算方法,在電磁(cí)流(liú)量計電(diàn)極範圍内(nèi)任意(yì)截面(miàn)中相對(duì)位(wèi)置的磁場(chǎng)、權重(zhòng)函數、流體速度(dù)基本相同,根據公式(shì)(1)即可獲得(dé)電極兩端感應信号(hào)的近似值(zhí).下面對(duì)仿(páng)真實(shí)驗進(jìn)行驗證性(xìng)分析.
　　仿真實驗中,電(diàn)磁流(liú)量計(jì)中流體(tǐ)平(píng)均流(liú)速分别(bié)設定爲(wèi)0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分别進行仿真與數值計算電(diàn)磁流量計感應(yīng)電勢(shì)差.如圖5所示爲流(liú)量與電磁流量(liàng)計(jì)感應電(diàn)勢差(chà)關(guān)系圖(tú),從仿(páng)真結(jié)果可以看出流(liú)量越大,感應(yīng)電勢差(chà)也就越大(dà),總體上說,流量與感(gǎn)應信号(hào)基(jī)本上成線性(xìng)關(guān)系，仿(páng)真結果符合電(diàn)磁流量(liàng)計的相關理論.
　　仿真與數值計算方法(fǎ)爲電磁(cí)流(liú)量計此感(gǎn)應(yīng)電(diàn)動勢(shì)的計(jì)算提(tí)供了-種新的解(jiě)決方(fāng)案,利用該(gāi)方法(fǎ)求出了流(liú)量計(jì)的感(gǎn)應(yīng)電(diàn)勢差(chà),即完(wán)成電磁流(liú)量計(jì)一-次傳感(gǎn)系數轉換(huàn).流量(liàng)計傳感器獲取的感應電(diàn)勢差(chà)(感應信号)一般(bān)需通過(guò)信号預(yù)處理,信(xìn)号放大(dà)單元,高通低通(tōng)濾波,進(jìn)行(háng)信号提升(shēng)單元等環(huán)節最後輸出流(liú)量測量顯(xiǎn)示(shì)值(zhí).二次儀表(biǎo)轉換是将(jiāng)電極間的(de)感應(yīng)電(diàn)勢差轉(zhuǎn)換爲顯(xiǎn)示的流(liú)量,二次儀(yí)表轉(zhuǎn)化技術已經基(jī)本成熟.當然本(běn)文爲仿真實驗(yàn)在(zài)工業實(shí)際應(yīng)用中(zhōng)需要運用(yòng)大量的幹濕标(biāo)定對比實驗進(jìn)行對流量(liàng)計标定進(jìn)行(háng)修正,獲(huò)取一定(dìng)的(de)修正經驗(yàn)值後(hòu),然後(hòu)對流量(liàng)計(jì)幹标(biāo)定結果進行修(xiū)正,從而獲得正(zhèng)确有效的電極(jí)此感(gǎn)應電動勢.
4結論(lùn)
　　通(tōng)過仿真(zhēn)的方法建立了(le)電磁(cí)流量計電(diàn)極磁感應信号(hào)的數(shù)值計算模(mó)型,并在模型下(xià)對電磁流(liú)量計(jì)不同流量下的(de)感應(yīng)信(xìn)号(hào)進行(háng)計算,該模型爲(wèi)電磁(cí)流量計的(de)流量的測量提(tí)供一(yī)次傳(chuán)感轉(zhuǎn)換系(xì)數,仿真與(yǔ)數值(zhí)計算(suàn)方法(fǎ)爲電磁流量計幹标(biāo)定提供了一種新的解決(jué)思路(lù).當然本文(wén)隻是從理論上(shàng)對電(diàn)磁流量計(jì)檢測電(diàn)極感應(yīng)信号的計(jì)算方(fāng)法,該方法要真正的應(yīng)用于工(gōng)業生産中,電磁(cí)流量計(jì)幹标定(dìng)仍需大量的、更(gèng)嚴格的實(shí)驗數(shù)據對該方(fāng)法幹(gàn)标定(dìng)誤(wù)差(chà)修正(zhèng)值進行研(yán)究.

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