摘要:通(tong)過有限元軟(ruǎn)件ANSYS對流量計(ji)測量管内部(bu)的磁場🌈分布(bu)建立了仿真(zhēn)模型,運用FLU-ENT對(duì)流量計的流(liu)體建立仿真(zhen),最後結合權(quan)重函數建立(li)了電磁流量(liàng)計
檢測電極(ji)感應信号的(de)數值計算方(fang)法,爲電磁流(liú)量計幹标定(dìng)的研究提供(gòng)-種基礎的計(jì)算方法.
電磁(ci)流量計是工(gōng)業生産中重(zhòng)要的流量測(ce)量儀表🏃♂️,電磁(cí)流量計的标(biāo)定分爲實流(liu)标定和幹标(biao)定兩種，實流(liú)标定由大功(gong)率的泵站、管(guǎn)道、大型儲液(ye)箱等構❄️成,以(yi)實際流動的(de)液體對流量(liang)計進行标定(dìng),這一标定方(fāng)法成本較高(gao).幹标定是相(xiàng)對實流标定(dìng)而言，是⛹🏻♀️一種(zhong)不用實🐪流标(biāo)定流量計系(xì)數的方法.随(suí)着工業🌐的發(fa)展,電磁流量(liàng)計因口徑增(zēng)大給儀表實(shí)流标定帶來(lái)技術和資金(jin)上的巨大困(kun)難";電磁流量(liang)計因其測量(liang)原理可追溯(su)性好,與其它(tā)流量計(超聲(shēng)波流量計
.壓(ya)差流量計
.渦(wō)街流量計
)相(xiang)比被認爲最(zuì)适合幹标定(dìng)的流量計.因(yin)此,電磁流量(liang)計的幹标✨定(ding)方法是許多(duo)研究人員以(yi)及電磁流量(liang)計生産廠商(shāng)關注的工程(cheng)問題之一.張(zhang)小章在電磁(ci)流量計理論(lùn)模型下進行(háng)對流量計幹(gàn)标定研究.本(ben)文通過🚩Ansys仿真(zhēn)測量管内部(bù)磁場分布，應(yīng)用FLUENT對測量管(guǎn)内部流體進(jin)行仿真,最後(hòu)結合權重函(hán)數對電磁🌍流(liu)量計感應📱電(dian)勢進行數值(zhi)計✂️算,并且得(de)到電磁流量(liang)計感應電勢(shì)與流速關系(xi)圖.對電磁流(liú)量計檢測電(dian)⛹🏻♀️極獲取的感(gan)應電🈚勢進行(háng)二次轉換器(qi)标定,可完成(chéng)電磁流量計(ji)的幹标定,從(cong)而不用實流(liú)标定,可對電(diàn)磁流量計流(liu)量測量進行(hang)幹标定.
1流量(liàng)計感應電勢(shi)理論基礎
當(dang)導電流體流(liu)過外加磁場(chang)時,在作切割(gē)磁力線運🍉動(dong).根據法拉第(di)電磁感應定(dìng)律,在流體中(zhōng)就會産生感(gǎn)應電動勢,且(qie)通過🙇♀️測量感(gan)應電動勢的(de)值來獲取☔流(liú)體的速度和(he)流量,這就是(shi)電磁流量計(jì)測量流量的(de)基本原理.在(zài)一定的條件(jiàn)下由maxwell方程可(kě)❤️得電磁流量(liang)計的感應電(diàn)勢的表達💔方(fang)程:
式中:U2-U1是兩(liǎng)電極的電勢(shì)差;A表示對所(suǒ)有空間積分(fen);r爲🌂流量計🏒截(jié)面管半徑;矢(shǐ)量V是導電流(liú)體的流速;B是(shi)磁感應強度(dù);W爲矢♌量權重(zhòng)函數,它是-一(yi)個隻由電磁(cí)流量計本身(shēn)結構決定的(de)👅量.
由流量計(jì)的感應電勢(shi)理論基礎可(ke)知，隻要确定(dìng)了流體的流(liu)速V、磁感應強(qiang)度B、以及權重(zhòng)函數W，流量計(jì)管徑半徑,就(jiu)可以求流量(liang)計的感應電(diàn)勢差,在流量(liàng)計感應電勢(shi)計算✉️中,一般(bān)來說,電磁流(liú)量計内部磁(cí)場😘大小的獲(huò)取是較難的(de)問題，傳⭐統幹(gan)标定法中需(xū)要🏃♂️進行的複(fu)雜的空間三(sān)維磁場的測(ce)量,工作量大(dà).英㊙️國HEMP提出的(de)渦電場測量(liang)法是通過檢(jian)測由磁場交(jiāo)變産生的渦(wo)電場強度獲(huò)取磁場信息(xi)🍉[5],實現電磁流(liu)量計👅一-次傳(chuán)感器轉換👈系(xì)數的測量,無(wu)需測量有效(xiao)區域内各點(dian)磁通量密度(du)與體權重函(hán)數,但它隻能(neng)模🔆拟速度分(fèn)布平坦的流(liu)場⭐情況,無法(fa)對非理想流(liu)場🌍情況下的(de)電磁流量計(jì)進㊙️行标定;俄(e)羅斯VELT提出的(de)面🍓權重函數(shu)法是按面權(quan)重函數等值(zhi)線繞制的感(gan)應線圈與電(dian)磁流量計勵(lì)磁線圈的互(hu)感🚶♀️效應獲取(qu)磁場信息,實(shí)現電磁流量(liang)計一次傳感(gǎn)器轉換系數(shù)的測量'6],無需(xū)測量有效區(qū)域内各點磁(cí)通量密度,但(dan)它需要🔆用幹(gàn)濕标定對比(bǐ)試驗進行修(xiū)正,對比試驗(yàn)工作量較大(dà).本✌️文方法結(jié)合電磁流量(liang)計管段以及(ji)勵♻️磁線圈的(de)幾何尺寸運(yun)用ANSYS電磁場仿(páng)真獲得流量(liàng)計測量區域(yù)磁感應強度(dù)B的分布，同時(shí)運用🌈MATLAB計算流(liú)📞量計的權重(zhòng)函數在測量(liang)管中的分布(bù);利用FLUENT軟件對(duì)流🌈體中不同(tóng)流量下流體(ti)在傳感器管(guan)道内的速度(dù)分布進行仿(pang)真;最後完成(cheng)電磁流量計(ji)感應⛹🏻♀️電勢響(xiang)應計算✉️.
2理論(lun)仿真模型
2.1磁(ci)場仿真
根據(jù)電磁流量計(ji)傳感器結構(gòu)尺寸,以及通(tōng)電電流大♍小(xiǎo)以❄️及勵☔磁線(xian)圈匝數等相(xiàng)關參數設定(dìng)流量計傳感(gan)📞器勵磁仿真(zhen)結構,通過ANSYS仿(pang)真獲取流量(liàng)計測量區域(yù)的磁感應強(qiang)度分布,并對(duì)其數據進行(háng)記錄”.磁📐感應(yīng)強度在x軸與(yǔ)y軸的分量分(fèn)别爲Bx和By,因爲(wei)磁感應✔️強度(dù)By對電磁🌈流量(liang)計電極方向(xiang)上的感應電(diàn)勢貢獻📱很小(xiǎo)且By比Bx小的多(duō),對流量計感(gan)應電勢可以(yǐ)不🏃♂️考慮🈚Br,隻考(kǎo)慮Bx.故而将公(gōng)式(1)中的B可以(yǐ)近似爲Bx.
通過(guò)數據處理獲(huò)得測量區域(yu)磁感應強度(du)在x軸方向的(de)分布情況.如(rú)圖1所示爲電(diàn)磁流量計測(cè)量區域磁感(gan)應強度x方♌向(xiang)分布圖.圖中(zhōng)x軸與y軸分别(bie)代表測⛱️量區(qū)域的“電極方(fāng)向”與“磁場方(fang)向"(x軸與y軸所(suo)形成的面平(píng)行于測量管(guǎn)的檢測電極(ji)徑向截面).從(cong)仿真圖上可(ke)以看出流量(liàng)計的磁🔆感應(ying)強度分布不(bú)是一個恒定(ding)的值.
2.2流體速(sù)度分布仿真(zhēn)
采用FLUENT仿真出(chū)傳感器管道(dao)内不同徑向(xiang)的速度分布(bù)🔞,提取不同徑(jing)向的流體速(sù)度,并進行數(shù)值分析,建立(li)測量📞區域的(de)速度分布圖(tu).如圖2所示爲(wèi)某--流量下電(diàn)磁流量計内(nei)部流體速🌍度(dù)分布圖,圖中(zhong)，x軸、y軸方向分(fèn)别爲磁場方(fang)向與電極方(fang)向,0軸🈲爲速度(du)值大小,方向(xiàng)爲z軸.并保存(cun)數據在計算(suan)流量計感應(yīng)電勢時運用(yòng).
2.3權重函數
關(guan)于權重函數(shù)問題:由中國(guo)石化出版社(shè)出版編著🌂的(de)《電磁流量計(ji)》中長筒式電(dian)磁流量計的(de)權重函數表(biao)達❄️式近似爲(wei)(2)式.因爲權重(zhong)函數Wx對電磁(cí)流量計電🏃♀️極(ji)方向👈.上的感(gan)應電勢貢獻(xian)很小且Wx比🌈Wr小(xiǎo)的多,式(1)中對(dui)流量計感應(ying)電勢計算的(de)權重函數W可(ke)以近似爲在(zài)y軸方向，上的(de)Wy.
如圖3所示爲(wèi)電磁流量計(jì)測量管中近(jìn)似的權重函(hán)數分布圖.由(you)于權重函數(shu)電極方向的(de)分量與權重(zhòng)函數近似相(xiàng)等🔴,所以權重(zhòng)函數的分布(bù)數值可以用(yong)🏒來計算截面(mian)上瞬時的感(gan)應電勢.
2.4感應(yīng)電勢的數值(zhi)計算
在計算(suan)電磁流量計(ji)感應信号時(shi),截取電磁流(liú)量計傳感器(qì)電極高度的(de)柱形空間爲(wei)積分空間A.在(zai)這一空間下(xià)電磁流量計(jì)傳感器電極(jí)高度範圍内(nei)的測⚽量區域(yù)中任意徑向(xiang)截面上的磁(ci)感應強度分(fen)布基本上是(shì)相同的,内部(bù)流體中的流(liu)體速度分布(bù)在徑🤩向截面(miàn)上對🔴應位置(zhì)近似✔️相同,測(ce)量區⭐域徑向(xiàng)截面相對位(wei)置的權重函(hán)數近似相同(tong).分别對流量(liang)計傳感器電(diàn)極🏒範圍内截(jie)面的☔磁感應(yīng)強度分布以(yǐ)及流量計内(nei)部流體速度(du)分布進行仿(pang)真,并結♊合權(quan)重函數根據(jù)(1)式🏃♀️進行對流(liú)量計傳感器(qi)的感應信号(hào)進行計算.進(jin)而獲得電極(ji)範圍内感應(yīng)電勢值,由于(yú)電極範圍内(nei)感應信号是(shì)電磁流✉️量計(jì)測量值的主(zhu)要貢獻值,這(zhè)個計算值就(jiu)近似于電磁(cí)流量計電極(ji).上獲得的感(gan)應🍉信号.
如圖(tú)4所示在一定(ding)的磁場.流速(su)下流量計電(diàn)極範圍内某(mǒu)-截面✊上流體(tǐ)感應電勢貢(gòng)獻分布圖.圖(tu)中x軸爲磁場(chǎng)方向,y軸爲🔴電(diàn)極方向.
3仿真(zhēn)實驗分析
前(qián)面介紹了電(dian)磁流量計感(gǎn)應電勢數值(zhí)計算方法,在(zai)電磁🍉流量計(jì)電極範圍内(nèi)任意截面中(zhong)相對位置的(de)磁場、權⛹🏻♀️重函(han)數、流體速度(du)基本相同,根(gēn)據公式(1)即可(ke)獲得電極兩(liang)端感應信号(hào)的近似值.下(xià)面對仿真實(shi)驗進行💁驗證(zheng)性分析.
仿真(zhen)實驗中,電磁(cí)流量計中流(liu)體平均流速(sù)分别設😄定爲(wèi)0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分别進行仿(pang)真與數值計(jì)算電磁流量(liang)計感應電勢(shi)差.如圖5所示(shi)爲🈲流量㊙️與電(diàn)磁流量計感(gǎn)應電勢差關(guan)系圖,從仿真(zhen)結果可以看(kàn)🏃🏻♂️出流量💯越大(da),感應電勢差(chà)也就㊙️越大,總(zǒng)體上說,流量(liang)✂️與感應信号(hao)基本上成線(xian)性關系，仿真(zhen)結果符合電(diàn)磁流量計的(de)相關理♻️論.
仿(pang)真與數值計(jì)算方法爲電(diàn)磁流量計此(ci)感應電動勢(shì)的計算提供(gong)了-種新的解(jie)決方案,利用(yong)該方法求出(chū)了流量計的(de)😘感應電勢㊙️差(cha),即完成電磁(ci)流量計一-次(ci)傳感系數轉(zhuan)換.流量計傳(chuán)感器獲取🏒的(de)感應電勢差(cha)(感應信号)一(yī)般需通過信(xin)号預處理,信(xìn)号放大單元(yuán),高通低通濾(lǜ)波,進行信号(hao)提升單元等(děng)環節最後輸(shū)出流量測🌍量(liang)顯示值.二次(cì)儀表轉換是(shi)将電㊙️極間的(de)感應電⛹🏻♀️勢差(chà)轉換爲顯💔示(shì)的流量,二次(ci)儀表轉化技(jì)☔術已經基本(běn)成熟.當然本(ben)文爲仿真☀️實(shi)驗在工業💔實(shi)際應用中需(xū)要運用大量(liang)的幹濕标定(dìng)對比💛實驗進(jin)行對流量計(ji)标☂️定進行🏒修(xiu)正,獲取一定(dìng)的修正經驗(yan)值後,然後🏃♂️對(duì)流量計幹标(biāo)定結果進行(hang)修正,從而獲(huò)得正确有效(xiao)的電極此感(gǎn)應電動勢.
4結(jié)論
通過仿真(zhen)的方法建立(lì)了電磁流量(liàng)計電極磁感(gǎn)應信号的數(shù)值計算模型(xing),并在模型下(xià)對電磁流量(liang)計不同🈲流量(liang)下的感應信(xìn)号進行計算(suan),該模型爲電(diàn)磁流量計的(de)流量的測量(liang)提供一🐪次傳(chuan)感⭕轉換系數(shu),仿真與數值(zhí)計算方法♈爲(wei)電磁流量計(ji)幹标㊙️定提供(gòng)了一種新的(de)解🤟決思路.當(dang)然本文隻是(shi)從理論上對(duì)電磁流量計(ji)檢測電極感(gan)應信号🔞的計(jì)算方法,該方(fāng)法要真正的(de)應用于工業(ye)生💘産中,電磁(ci)流量計幹标(biāo)定仍需大量(liàng)的、更嚴格的(de)實驗數據對(duì)該方法幹标(biao)定誤差修正(zheng)值進行研究(jiu)🈲.
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