摘要:通过有限元软件ANSYS对流量计测量管内部的磁场分布建立了仿真模型,运用FLU-ENT对流量计的流体建立仿真,最后结合权重函数建立了电磁流量计检测电极感应信号的数值计算方法,为电磁流量计干标定的研究提供-种基础的计算方法.
电磁流量计是工业生产中重要的流量测量仪表,电磁流量计的标定分为实流标定和干标定两种，实流标定由大功率的泵站、管道、大型储液箱等构成,以实际流动的液体对流量计进行标定,这一标定方法成本较高.干标定是相对实流标定而言，是一种不用实流标定流量计系数的方法.随着工业的发展,电磁流量计因口径增大给仪表实流标定带来技术和资金上的巨大困难";电磁流量计因其测量原理可追溯性好,与其它流量计(超声波流量计.压差流量计.涡街流量计)相比被认为最适合干标定的流量计.因此,电磁流量计的干标定方法是许多研究人员以及电磁流量计生产厂商关注的工程问题之一.张小章在电磁流量计理论模型下进行对流量计干标定研究.本文通过Ansys仿真测量管内部磁场分布，应用FLUENT对测量管内部流体进行仿真,最后结合权重函数对电磁流量计感应电势进行数值计算,并且得到电磁流量计感应电势与流速关系图.对电磁流量计检测电极获取的感应电势进行二次转换器标定,可完成电磁流量计的干标定,从而不用实流标定,可对电磁流量计流量测量进行干标定.
1流量计感应电势理论基础
当导电流体流过外加磁场时,在作切割磁力线运动.根据法拉第电磁感应定律,在流体中就会产生感应电动势,且通过测量感应电动势的值来获取流体的速度和流量,这就是电磁流量计测量流量的基本原理.在一定的条件下由maxwell方程可得电磁流量计的感应电势的表达方程:
式中:U2-U1是两电极的电势差;A表示对所有空间积分;r为流量计截面管半径;矢量V是导电流体的流速;B是磁感应强度;W为矢量权重函数,它是-一个只由电磁流量计本身结构决定的量.
由流量计的感应电势理论基础可知，只要确定了流体的流速V、磁感应强度B、以及权重函数W，流量计管径半径,就可以求流量计的感应电势差,在流量计感应电势计算中,一般来说,电磁流量计内部磁场大小的获取是较难的问题，传统干标定法中需要进行的复杂的空间三维磁场的测量,工作量大.英国HEMP提出的涡电场测量法是通过检测由磁场交变产生的涡电场强度获取磁场信息[5],实现电磁流量计一-次传感器转换系数的测量,无需测量有效区域内各点磁通量密度与体权重函数,但它只能模拟速度分布平坦的流场情况,无法对非理想流场情况下的电磁流量计进行标定;俄罗斯VELT提出的面权重函数法是按面权重函数等值线绕制的感应线圈与电磁流量计励磁线圈的互感效应获取磁场信息,实现电磁流量计一次传感器转换系数的测量'6],无需测量有效区域内各点磁通量密度,但它需要用干湿标定对比试验进行修正,对比试验工作量较大.本文方法结合电磁流量计管段以及励磁线圈的几何尺寸运用ANSYS电磁场仿真获得流量计测量区域磁感应强度B的分布，同时运用MATLAB计算流量计的权重函数在测量管中的分布;利用FLUENT软件对流体中不同流量下流体在传感器管道内的速度分布进行仿真;最后完成电磁流量计感应电势响应计算.
2理论仿真模型
2.1磁场仿真
根据电磁流量计传感器结构尺寸,以及通电电流大小以及励磁线圈匝数等相关参数设定流量计传感器励磁仿真结构,通过ANSYS仿真获取流量计测量区域的磁感应强度分布,并对其数据进行记录”.磁感应强度在x轴与y轴的分量分别为Bx和By,因为磁感应强度By对电磁流量计电极方向上的感应电势贡献很小且By比Bx小的多,对流量计感应电势可以不考虑Br,只考虑Bx.故而将公式(1)中的B可以近似为Bx.
通过数据处理获得测量区域磁感应强度在x轴方向的分布情况.如图1所示为电磁流量计测量区域磁感应强度x方向分布图.图中x轴与y轴分别代表测量区域的“电极方向”与“磁场方向"(x轴与y轴所形成的面平行于测量管的检测电极径向截面).从仿真图上可以看出流量计的磁感应强度分布不是一个恒定的值.
2.2流体速度分布仿真
采用FLUENT仿真出传感器管道内不同径向的速度分布,提取不同径向的流体速度,并进行数值分析,建立测量区域的速度分布图.如图2所示为某--流量下电磁流量计内部流体速度分布图,图中，x轴、y轴方向分别为磁场方向与电极方向,0轴为速度值大小,方向为z轴.并保存数据在计算流量计感应电势时运用.
2.3权重函数
关于权重函数问题:由中国石化出版社出版编著的《电磁流量计》中长筒式电磁流量计的权重函数表达式近似为(2)式.因为权重函数Wx对电磁流量计电极方向.上的感应电势贡献很小且Wx比Wr小的多,式(1)中对流量计感应电势计算的权重函数W可以近似为在y轴方向，上的Wy.
如图3所示为电磁流量计测量管中近似的权重函数分布图.由于权重函数电极方向的分量与权重函数近似相等,所以权重函数的分布数值可以用来计算截面上瞬时的感应电势.
2.4感应电势的数值计算
在计算电磁流量计感应信号时,截取电磁流量计传感器电极高度的柱形空间为积分空间A.在这一空间下电磁流量计传感器电极高度范围内的测量区域中任意径向截面上的磁感应强度分布基本上是相同的,内部流体中的流体速度分布在径向截面上对应位置近似相同,测量区域径向截面相对位置的权重函数近似相同.分别对流量计传感器电极范围内截面的磁感应强度分布以及流量计内部流体速度分布进行仿真,并结合权重函数根据(1)式进行对流量计传感器的感应信号进行计算.进而获得电极范围内感应电势值,由于电极范围内感应信号是电磁流量计测量值的主要贡献值,这个计算值就近似于电磁流量计电极.上获得的感应信号.
如图4所示在一定的磁场.流速下流量计电极范围内某-截面上流体感应电势贡献分布图.图中x轴为磁场方向,y轴为电极方向.
3仿真实验分析
前面介绍了电磁流量计感应电势数值计算方法,在电磁流量计电极范围内任意截面中相对位置的磁场、权重函数、流体速度基本相同,根据公式(1)即可获得电极两端感应信号的近似值.下面对仿真实验进行验证性分析.
仿真实验中,电磁流量计中流体平均流速分别设定为0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分别进行仿真与数值计算电磁流量计感应电势差.如图5所示为流量与电磁流量计感应电势差关系图,从仿真结果可以看出流量越大,感应电势差也就越大,总体上说,流量与感应信号基本上成线性关系，仿真结果符合电磁流量计的相关理论.
仿真与数值计算方法为电磁流量计此感应电动势的计算提供了-种新的解决方案,利用该方法求出了流量计的感应电势差,即完成电磁流量计一-次传感系数转换.流量计传感器获取的感应电势差(感应信号)一般需通过信号预处理,信号放大单元,高通低通滤波,进行信号提升单元等环节最后输出流量测量显示值.二次仪表转换是将电极间的感应电势差转换为显示的流量,二次仪表转化技术已经基本成熟.当然本文为仿真实验在工业实际应用中需要运用大量的干湿标定对比实验进行对流量计标定进行修正,获取一定的修正经验值后,然后对流量计干标定结果进行修正,从而获得正确有效的电极此感应电动势.
4结论
通过仿真的方法建立了电磁流量计电极磁感应信号的数值计算模型,并在模型下对电磁流量计不同流量下的感应信号进行计算,该模型为电磁流量计的流量的测量提供一次传感转换系数,仿真与数值计算方法为电磁流量计干标定提供了一种新的解决思路.当然本文只是从理论上对电磁流量计检测电极感应信号的计算方法,该方法要真正的应用于工业生产中,电磁流量计干标定仍需大量的、更严格的实验数据对该方法干标定误差修正值进行研究.
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