摘要:通過(guo)有限元軟(ruǎn)件ANSYS對流量(liàng)計測量管(guan)内部的磁(ci)場分布建(jiàn)立了仿真(zhēn)模型,運用(yòng)FLU-ENT對流量計(jì)的流體建(jiàn)立仿真,最(zuì)後結☂️合權(quán)重函㊙️數建(jian)立了電磁(ci)流量計 檢(jiǎn)測電極感(gan)應信号的(de)數值計算(suan)方法,爲電(dian)磁流量計(jì)✔️幹📞标定的(de)研究提供(gòng)-種基礎的(de)計算方法(fa).
　　電磁流量(liàng)計是工業(ye)生産中重(zhòng)要的流量(liang)測量儀表(biao)🏃🏻‍♂️,電磁流量(liàng)計的标定(ding)分爲實流(liú)标定和幹(gàn)标定兩種(zhong)，實流标定(ding)由大功率(lü)的泵站、管(guan)道、大型儲(chǔ)液箱等構(gòu)⛷️成,以實際(jì)流動的液(yè)體對流量(liang)☁️計進行标(biao)定,這一标(biao)定方法成(cheng)本較高.幹(gàn)标定是相(xiang)對實流标(biāo)定而言，是(shì)一種不用(yong)實流标定(ding)流量計系(xì)數的方法(fǎ).随着工業(ye)的發展,電(diàn)磁流量計(ji)因口徑增(zeng)大給儀表(biao)實流标定(dìng)🍉帶來技術(shù)🆚和資金上(shàng)的巨大困(kùn)難";電🔞磁流(liu)量計因其(qí)測量原理(lǐ)可追溯性(xìng)好,與其它(tā)流量計(超(chao)聲波流量(liàng)計 .壓差流(liu)量計 .渦街(jie)流量計 )相(xiang)比被認爲(wèi)最适合幹(gan)标定的流(liu)量計.因此(ci),電磁流🌐量(liàng)🏃計的幹标(biao)定方法是(shi)許多研究(jiū)人員以及(jí)電磁流量(liàng)計生産廠(chang)商關注的(de)工程問題(tí)之一.張小(xiao)章在電👅磁(ci)流量計理(lǐ)論模型下(xia)🚶進行對流(liú)量計幹标(biao)定研究🧑🏾‍🤝‍🧑🏼.本(ben)文通過Ansys仿(pang)真測量管(guǎn)内部磁場(chang)分布，應用(yòng)FLUENT對測量管(guan)内部流體(tǐ)進行仿真(zhēn),最後結合(he)權重函數(shù)對電磁流(liu)量計感應(ying)電😄勢進行(hang)數值計算(suan),并且得到(dao)電☂️磁流量(liang)計感應電(dian)勢與🐕流速(sù)關系圖.對(dui)電磁流量(liang)計檢測電(dian)極獲取的(de)感應電✔️勢(shì)進行二次(ci)轉換器标(biāo)定,可完成(chéng)電磁流量(liang)計的幹标(biao)☔定,從而不(bú)用實流标(biao)定,可對❗電(diàn)磁流量計(jì)流量測量(liang)進行幹标(biāo)定.
1流量計(ji)感應電勢(shì)理論基礎(chǔ)
　　當導電流(liu)體流過外(wai)加磁場時(shi),在作切割(gē)磁力線運(yùn)動🚶.根據法(fǎ)拉第電磁(cí)感應定律(lü),在流體中(zhōng)就會産生(sheng)感應✂️電動(dong)勢,且通過(guò)測量感應(ying)電動勢的(de)值來獲取(qǔ)流體的速(su)度和流量(liàng),這就是電(diàn)磁流量計(ji)測量流量(liàng)☔的基本原(yuán)理.在一定(ding)的條件下(xia)由maxwell方程可(kě)得電磁流(liu)量計的感(gan)應☀️電勢的(de)表達方程(chéng):
 
　　式中:U2-U1是兩(liǎng)電極的電(dian)勢差;A表示(shi)對所有空(kōng)間積分;r爲(wèi)❤️流量計🎯截(jie)☀️面管半徑(jing);矢量V是導(dao)電流體的(de)流速;B是磁(cí)感應🐕強度(du);W爲矢量權(quán)重函數,它(tā)是-一個隻(zhī)由電磁流(liu)量計本🌏身(shēn)結構決定(ding)的💚量.
　　由流(liu)量計的感(gan)應電勢理(lǐ)論基礎可(kě)知，隻要确(què)定了流體(tǐ)的流速V、磁(cí)感應強度(dù)B、以及權重(zhong)函數W，流量(liang)計管徑半(ban)💋徑,就可以(yi)求流量計(ji)的感應電(dian)勢差,在流(liu)量計感應(yīng)電勢計算(suàn)中,一般來(lai)說,電磁流(liu)量計内部(bù)磁場大小(xiǎo)的獲取是(shi)較難的問(wen)題，傳統幹(gan)标定法中(zhōng)需要進行(hang)的複雜的(de)空間三維(wei)磁場的測(cè)量✏️,工作量(liang)大.英國HEMP提(tí)出的渦電(diàn)場測量法(fa)是通過檢(jian)測由磁場(chang)交變産生(shēng)的渦🐉電場(chang)強度獲取(qǔ)磁場信息(xi)[5],實現電磁(cí)流量計一(yī)-次傳感器(qi)轉換系數(shù)的測量,無(wú)需測量有(you)效區✂️域内(nei)各點磁通(tong)量密度與(yu)體權重函(han)數,但它隻(zhī)能模拟速(sù)度分布平(píng)坦‼️的流場(chǎng)情況,無法(fǎ)對非理想(xiang)流場💜情況(kuang)下的電磁(cí)流量計進(jin)行标定;俄(e)羅斯VELT提出(chu)的面🥵權重(zhòng)函數法是(shì)按面權重(zhòng)💛函數🏒等值(zhi)線繞制的(de)感應線圈(quan)與電磁流(liú)量計勵磁(ci)線圈的互(hù)感效應獲(huò)取磁場信(xin)息,實現電(dian)磁流量計(ji)一次傳感(gan)⁉️器轉換系(xì)數的測量(liàng)'6],無需測量(liàng)有效🆚區域(yu)内各點磁(ci)通量密度(du),但它需要(yào)💚用幹濕标(biao)定對比試(shi)驗進行修(xiu)正,對比試(shì)驗工作量(liang)較大.本文(wén)方法結合(he)電磁流量(liàng)計管段以(yi)及勵磁線(xiàn)圈的幾何(he)尺寸運用(yong)ANSYS電磁場仿(páng)❌真獲得流(liu)量計測量(liang)區域磁感(gan)應強度B的(de)分布，同時(shi)運用MATLAB計算(suàn)流量計的(de)權重函數(shu)在測量管(guan)中的分布(bù);利用FLUENT軟件(jian)對流體中(zhong)不同流量(liàng)下流體在(zai)傳感器管(guan)道内的🏃🏻速(sù)度分🌍布🈲進(jìn)行仿真;最(zuì)後完成電(dian)磁流量計(jì)感應電勢(shi)響應🈲計算(suàn).
2理論仿真(zhen)模型
2.1磁場(chang)仿真
　　根據(ju)電磁流量(liàng)計傳感器(qì)結構尺寸(cùn),以及通電(dian)電流大小(xiao)以及勵磁(cí)線圈匝數(shù)等相關參(can)數設定流(liú)量計傳感(gan)器勵磁仿(pang)真結構,通(tong)過ANSYS仿真獲(huò)取流量計(ji)測量區域(yù)的磁感應(ying)強度分❤️布(bu),并對其數(shu)據進行記(ji)錄”.磁感應(ying)強度⛷️在x軸(zhóu)與y軸的分(fen)量分别爲(wei)Bx和By,因🙇🏻爲磁(cí)感應🔴強度(dù)By對電磁流(liú)量計電極(ji)方向上的(de)感應電勢(shi)貢獻🥵很小(xiao)且By比Bx小的(de)多,對流量(liàng)計感應電(dian)勢可以不(bu)考慮Br,隻考(kao)慮Bx.故而将(jiāng)公式(1)中的(de)B可以近似(si)👨‍❤️‍👨爲Bx.
　　通過數(shù)據處理獲(huo)得測量區(qū)域磁感應(yīng)強度在x軸(zhou)方向的分(fèn)🌈布♊情況.如(ru)圖1所示爲(wei)電磁流量(liang)計測量區(qu)域磁感㊙️應(yīng)強📱度x方向(xiang)分布圖.圖(tú)中x軸與y軸(zhóu)分别代表(biao)測量區域(yù)的“電極方(fāng)向”與“磁場(chang)方向"(x軸與(yǔ)🚶‍♀️y軸所形成(chéng)的面平行(háng)于測量管(guǎn)的檢測電(dian)極徑向截(jié)面).從仿真(zhen)圖上可以(yǐ)看出⁉️流量(liang)計的磁🌏感(gǎn)應強度分(fèn)布不是一(yī)個恒定的(de)值.
 
2.2流體速(sù)度分布仿(páng)真
　　采用FLUENT仿(páng)真出傳感(gǎn)器管道内(nèi)不同徑向(xiang)的速度分(fèn)布,提取🎯不(bú)👣同徑向的(de)流體速度(du),并進行數(shu)值分析,建(jiàn)立測量區(qū)域的速度(du)分布圖❌.如(ru)圖2所示爲(wei)某--流量下(xia)電磁流量(liàng)計内部流(liú)體速度分(fen)布圖,圖中(zhong)，x軸、y軸方向(xiàng)分别爲磁(ci)場🏃方向與(yu)電極方向(xiàng),0軸爲速度(dù)值大小,方(fāng)向🔱爲z軸.并(bìng)保存數據(jù)在計算流(liu)量計感應(ying)電勢時運(yun)用.
2.3權重函(han)數
　　關于權(quán)重函數問(wen)題:由中國(guó)石化出版(bǎn)社出版編(biān)著的《電磁(cí)流量計》中(zhong)長筒式電(diàn)磁流量計(ji)的權重函(han)數表達式(shì)近似爲(2)式(shi).因爲權重(zhòng)函數Wx對電(dian)磁流量計(jì)電極方向(xiàng).上的感應(ying)電勢貢獻(xian)很小且Wx比(bǐ)Wr小的多,式(shì)(1)中🔴對流量(liàng)計感應電(diàn)勢計算的(de)權重函數(shù)W可✉️以近似(sì)爲在y軸方(fāng)向，上的Wy.
 
　　如(ru)圖3所示爲(wei)電磁流量(liàng)計測量管(guan)中近似的(de)權重函數(shù)分布🔴圖👉.由(you)‼️于權重函(han)數電極方(fang)向的分量(liang)與權重函(hán)數近似相(xiàng)等,所以權(quán)重函數的(de)分布數值(zhi)可以用✊來(lái)計算截面(mian)上🛀瞬時的(de)感應電勢(shi).
2.4感應電勢(shì)的數值計(ji)算
　　在計算(suan)電磁流量(liang)計感應信(xin)号時,截取(qu)電磁流量(liang)計💋傳感器(qi)電極高度(du)的柱形空(kong)間爲積分(fen)空間A.在這(zhe)一空間下(xià)電磁流量(liang)計傳感器(qì)電極高度(dù)範圍内的(de)測量區域(yù)⭐中任意徑(jìng)向截面上(shang)的磁感應(yīng)強度分布(bù)基本上是(shì)相同的,内(nei)部流體中(zhong)的流體速(sù)度🏃🏻分布在(zài)徑向截面(mian)上對應位(wèi)置近似相(xiàng)同,測量區(qu)域徑向截(jié)面🔞相對位(wei)置的權重(zhong)函數近似(si)相同.分别(bie)對流量計(jì)傳感器電(diàn)極👈範圍内(nèi)截面的☔磁(cí)感應強度(du)分布以及(jí)流量計内(nèi)部流體速(su)度分布進(jìn)行仿真,并(bing)結合權重(zhòng)函數根據(jù)(1)式進行對(duì)流量🔞計傳(chuan)感㊙️器的感(gan)應信号進(jìn)行⭐計算.進(jìn)而獲得電(dian)極範圍🏒内(nei)感應電勢(shì)值,由于電(diàn)極範圍内(nei)感應信号(hào)是電磁🙇🏻流(liu)量計測量(liàng)值的主要(yao)貢獻值,這(zhe)個計算值(zhi)就近似于(yu)電磁🈚流量(liàng)計電極.上(shang)獲♻️得的感(gan)應♻️信号.
如(rú)圖4所示在(zai)一定的磁(ci)場.流速下(xià)流量計電(dian)極範圍内(nei)💔某-截面上(shang)流體感應(yīng)電勢貢獻(xiàn)分布圖.圖(tú)中x軸爲磁(cí)場㊙️方向,y軸(zhou)爲⁉️電極方(fang)向.
 
3仿真實(shi)驗分析
　　前(qian)面介紹了(le)電磁流量(liàng)計感應電(diàn)勢數值計(jì)算方法,在(zai)電磁流量(liang)計電極範(fàn)圍内任意(yi)截面中相(xiàng)對位置💯的(de)磁場、權重(zhòng)函數、流體(ti)速度基本(běn)相同,根據(ju)公式(1)即可(kě)獲得♈電極(ji)兩端感應(ying)信号的近(jìn)似值.下面(miàn)對仿真實(shi)驗進行驗(yàn)證性分析(xi).
　　仿真實驗(yan)中,電磁流(liú)量計中流(liú)體平均流(liu)速分别設(shè)定爲0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分别(bie)進行仿真(zhen)與數值計(ji)算電磁流(liú)量計感應(yīng)電勢差.如(ru)圖5所示爲(wei)流量與電(diàn)磁流量計(ji)感應電勢(shì)差關系圖(tu),從仿真結(jie)果可以看(kàn)🔞出流量越(yuè)大,感應電(dian)勢差也就(jiù)🐆越大,總體(tǐ)上說,流量(liàng)與感應信(xin)号基本上(shang)🤟成線性關(guān)系，仿真結(jie)果符合電(dian)磁流量計(jì)的相關理(li)論.
　　仿真與(yu)數值計算(suan)方法爲電(diàn)磁流量計(ji)此感應電(diàn)動勢的計(jì)算🌈提供了(le)-種新的解(jie)決方案,利(li)用該方法(fǎ)求出了🔴流(liú)量計的感(gan)應🐪電勢差(chà),即完成電(dian)磁流量計(jì)一-次傳感(gan)系數轉換(huàn).流量🐇計傳(chuan)感器獲取(qǔ)的感應電(dian)勢差(感應(yīng)信号)一般(bān)需通過信(xin)号預處理(lǐ),信号放大(dà)單元,高通(tōng)低通濾波(bō),進行信号(hào)提升單元(yuan)等環節最(zui)後輸出流(liu)量測量顯(xiǎn)示值.二次(ci)儀表轉換(huan)是将電極(ji)間🏃的感應(yīng)電勢差轉(zhuǎn)🈲換爲顯示(shì)的流量,二(èr)次儀表轉(zhuan)化🐆技術已(yi)經基本成(cheng)熟.當然本(běn)文爲仿真(zhen)實驗在工(gong)業實際應(yīng)用中需要(yao)運用大量(liàng)的✊幹濕标(biao)定對比📐實(shí)驗進行對(duì)流量計标(biao)定進行修(xiū)正,獲取一(yi)定的修正(zhèng)經🍉驗值後(hou),然後對流(liu)量計幹标(biao)定結果進(jìn)行修正,從(cóng)而🈲獲得🔞正(zhèng)确有效的(de)電極此感(gan)應電動勢(shì).
4結論
　　通過(guo)仿真的方(fāng)法建立了(le)電磁流量(liang)計電極磁(cí)感應信号(hào)的數值計(jì)算模型,并(bing)在模型下(xià)對電磁流(liú)量計不同(tong)流量🙇‍♀️下的(de)感應信号(hào)進行計算(suan),該模型爲(wèi)電磁流量(liàng)計的流量(liàng)的測量提(ti)供一次傳(chuán)感轉換系(xi)數,仿♌真與(yǔ)數值計算(suàn)方法爲電(dian)磁流量計(ji)幹标定提(tí)供了㊙️一種(zhong)新的解決(jue)思路.當然(rán)🍓本文隻是(shì)從理論上(shàng)對電磁流(liú)量計檢測(ce)電極感應(ying)信号🐅的計(ji)算方法,該(gai)方法要真(zhen)正的應用(yòng)于工業生(shēng)産中,電磁(ci)流量計幹(gan)标定仍需(xū)大量的、更(gèng)嚴格的實(shi)驗數據對(dui)該方法幹(gan)标定誤差(chà)修正值進(jin)行研究.

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