摘要(yao):通過有限元軟(ruan)件ANSYS對流量計測(ce)量管内部的磁(cí)🎯場分布建立了(le)仿真模型,運用(yòng)FLU-ENT對流量計的流(liú)體建立仿真,最(zui)後結💘合權重函(han)數建立了電磁(ci)流量計 檢測電(dian)極感應信号的(de)數值計算方法(fǎ),爲電磁流量計(ji)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(biǎo),電磁流量計的(de)标定分爲實流(liu)标定和幹标定(ding)兩種，實流标定(dìng)由大功率的泵(beng)站、管道、大型儲(chu)液箱等構成,以(yi)實際流動👈的液(ye)體對流量♉計進(jin)行标定,這一标(biāo)㊙️定方法成本較(jiào)高.幹标定是相(xiàng)對實流标定而(er)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(fa)展,電磁流量計(ji)因口徑增大給(gei)儀表實流标定(ding)帶來技術和資(zi)金上的巨大困(kun)難";電磁流量計(jì)因其測量原理(li)可追溯性好,與(yǔ)其它流量計(超(chāo)聲波流量計 .壓(ya)差流量計 .渦街(jie)流量計 )相比被(bèi)認爲最适合幹(gàn)标定的流量計(jì).因此,電磁流量(liang)計🌈的💁幹♌标🐇定方(fāng)法是許多研究(jiū)人員以及電磁(ci)流🚶‍♀️量計生産🏃🏻‍♂️廠(chǎng)商關注的工程(chéng)問題之一.張小(xiao)章在電磁流量(liàng)計理論💃🏻模型下(xià)進行對流量計(ji)幹标定研究.本(ben)文通過Ansys仿真測(cè)量管内部磁場(chang)分布，應用FLUENT對測(cè)量管内部流體(ti)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(qie)得到電磁流量(liang)計感應電勢與(yǔ)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(biao)定,可完成電磁(cí)流量計的幹标(biāo)定,從而不用實(shí)流标定✉️,可對電(diàn)磁流量計流量(liang)測量進🍉行幹标(biao)定.
1流量計感應(ying)電勢理論基礎(chǔ)
　　當導電流體流(liú)過外加磁場時(shi),在作切割磁力(li)線運動.根據法(fǎ)拉第電磁感應(yīng)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(qu)流體的速度和(he)流量,這就是電(diàn)磁流量計測量(liàng)流量的基本原(yuan)理.在一定的條(tiáo)件下由maxwell方程可(kě)得電磁流☎️量計(ji)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(suǒ)有空間積分;r爲(wèi)流🎯量計截面管(guǎn)半徑;矢量V是導(dao)電流體的流速(su);B是磁感應😍強度(du);W爲矢量權㊙️重函(han)數,它是-一個隻(zhī)由電磁流🎯量計(jì)本身結構決定(dìng)的量.
　　由流量計(jì)的感應電勢理(lǐ)論基礎可知，隻(zhi)要确定了📧流體(tǐ)的流速✏️V、磁感應(ying)強度B、以及權重(zhòng)函數W，流量計管(guan)徑半徑,就可以(yǐ)求流量計😄的感(gan)應電勢差,在流(liu)量計感應電勢(shì)計算💜中,一般來(lai)說,電磁流量💁計(ji)内部磁場🐕大小(xiao)的獲♍取是較難(nán)的問題，傳統幹(gàn)标定法中需要(yao)💁進行的複雜的(de)空間三維磁場(chǎng)的測量🙇‍♀️,工作量(liàng)大.英國HEMP提出的(de)渦電💋場測量法(fǎ)是通過檢測由(you)磁場交變産生(sheng)的渦電場強⚽度(du)獲取磁場信息(xī)[5],實現電磁流量(liàng)計🤞一-次傳感器(qi)轉換系數的測(ce)量,無需測量有(you)效區域内各點(diǎn)磁通量密度與(yǔ)體權💔重函數,但(dan)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(cí)流量計進行标(biāo)定;俄羅斯VELT提出(chū)的面🌈權重函數(shù)法是按面權重(zhong)函數等值線繞(rào)制的感應🤟線圈(quān)與電♊磁流量計(ji)勵磁線圈的互(hù)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(xi)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(dui)比試👣驗進行修(xiu)正,對💞比試驗工(gōng)作量較大.本文(wen)方法結合♌電磁(ci)流量計管段以(yi)及勵♍磁線圈的(de)幾何尺寸運用(yòng)ANSYS電磁場仿真獲(huò)得流量計測量(liàng)區域☎️磁感應強(qiang)度B的分布，同時(shi)運用MATLAB計算流量(liang)計的權重函數(shu)在測量管中的(de)分布;利用FLUENT軟件(jiàn)對流體中不同(tóng)流量下流體在(zài)傳感器管道内(nei)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(ying)計算👨‍❤️‍👨.
2理論仿真(zhēn)模型
2.1磁場仿真(zhēn)
　　根據電磁流量(liàng)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(shù)等相關參數設(she)定流量計傳感(gan)器勵磁仿真結(jié)構,通過ANSYS仿真獲(huo)取流量計測量(liàng)區域的磁感應(ying)強度分布,并對(dui)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(du)By對電磁流量計(jì)電極方向上的(de)感應電勢貢獻(xian)很小且By比Bx小的(de)多,對流量計感(gan)應電勢可以不(bú)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(huò)得測量區域磁(ci)感應強度在x軸(zhóu)方向的👣分布情(qíng)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(bu)圖.圖中x軸與y軸(zhóu)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(cheng)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(fen)布不是一個✂️恒(heng)定的值.
 
2.2流體速(sù)度分布仿真
　　采(cǎi)用FLUENT仿真出傳感(gan)器管道内不同(tong)徑向的速度分(fen)布,提取不同徑(jing)向的流體速度(du),并進行數值分(fen)析,建立測量區(qū)域的速度分布(bu)圖✂️.如圖2所示爲(wèi)某--流量下電磁(cí)流量計内部流(liú)體速度分布圖(tú),圖中，x軸、y軸方向(xiàng)分别爲磁場方(fang)向與電極方向(xiang),0軸☁️爲速度值大(dà)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(quan)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(zhong)長筒式電磁流(liú)量計的權重函(hán)數表達式近似(si)爲(2)式.因🔴爲權重(zhong)函數Wx對電磁流(liú)量計電極方向(xiàng).上的感應電勢(shì)貢獻很小且Wx比(bǐ)Wr小的多,式(1)中對(dui)流量計感應電(diàn)勢😄計算的權重(zhong)函數W可以近似(si)爲🔞在y軸方向，上(shàng)的Wy.
 
　　如圖3所示爲(wei)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(han)數👄近似相等,所(suo)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(shi)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(liàng)計傳感器電極(ji)高度的柱形空(kōng)間爲積分空間(jian)A.在這一🌈空間下(xià)電磁流量計傳(chuán)感器電極高度(dù)範圍内的測量(liang)區域🎯中任意徑(jing)向截👣面上的👅磁(ci)感應強度分布(bù)基本上是相同(tóng)的,内部流體中(zhong)的流體速度分(fen)布在徑🈚向截面(mian)上對應位置近(jìn)似相同,測量區(qu)🛀🏻域徑向截面相(xiàng)對位置的權重(zhòng)函數近似相同(tong).分别對流量⚽計(ji)傳感器電極範(fan)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(fèn)布進行仿真,并(bìng)結合權重函數(shù)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(huò)得電極範圍内(nei)感應電勢值,由(yóu)于電極範圍内(nei)感應信号是電(dian)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(shàng)獲得的感應信(xìn)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(ying)電勢貢獻分布(bu)圖.圖中x軸爲磁(ci)場方向,y軸爲電(dian)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(shù)值計算方法,在(zai)電磁流量計電(dian)極範圍内任意(yi)截面中相對位(wèi)置💜的磁場、權🔆重(zhong)函數、流🎯體速度(du)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(zhi).下面對仿真實(shí)驗進行驗證性(xìng)分析.
　　仿真實驗(yan)中,電磁流量計(jì)中流體平均流(liú)速分别設定爲(wèi)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(diàn)磁流量計感應(ying)✔️電勢差.如㊙️圖5所(suǒ)示爲流量與電(diàn)磁流量計感應(yīng)電勢差關系圖(tu),從仿♌真結果💔可(ke)以看出流量越(yue)大,感應電勢差(chà)也就越大,總體(tǐ)上說,流量與感(gan)應信号基本上(shang)成線性關系，仿(pang)真結果符合電(dian)磁流量計的相(xiàng)關理論.
　　仿真與(yǔ)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(gǎn)👈系數轉換.流量(liang)計傳感器獲取(qǔ)的感應電勢差(chà)(感應信号)一般(ban)需💯通過信号預(yu)處理,信号放大(dà)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(liú)量測‼️量顯示值(zhí).二次儀表轉換(huan)是将電極間的(de)感應電勢差轉(zhuan)♻️換爲顯🆚示的流(liu)量,二次儀表轉(zhuǎn)化技術已經基(ji)本成熟.當然本(ben)文爲仿真實驗(yan)在工業實際應(yīng)用中需要運用(yòng)大量的幹濕标(biāo)定對比💞實驗⁉️進(jìn)行對流量計标(biao)🚩定進行修正,獲(huò)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(xiū)正,從而獲得正(zhèng)确有效的電極(ji)此感應電❄️動勢(shì).
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(xià)對電磁流量計(ji)🈲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(tí)供一🏃🏻‍♂️次傳感轉(zhuan)換系數,仿真與(yǔ)數值計算方法(fǎ)爲電磁流量計(ji)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(shàng)對電磁流量計(jì)檢測電極感應(yīng)信号的計算方(fang)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(ding)仍需大量的、更(gèng)嚴格🔞的實驗數(shù)據對該💔方法幹(gan)标定💘誤差修正(zheng)值進行研究.

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