摘要:通(tong)過有限元(yuan)軟件ANSYS對流(liu)量計測量(liang)管内部的(de)磁場分布(bu)建立🙇‍♀️了仿(pang)真模型,運(yun)用FLU-ENT對流量(liang)計的流體(ti)建立仿真(zhen),最後結合(he)權重函數(shu)建立了電(dian)磁流量計(ji) 檢測電極(ji)感應信号(hao)的數值計(ji)算方法,爲(wei)電磁流量(liang)✔️計幹‼️标定(ding)的研究提(ti)供-種基礎(chu)的計算方(fang)法.
　　電磁流(liu)量計是工(gong)業生産中(zhong)重要的流(liu)量測量儀(yi)表,電💋磁流(liu)量計♍的标(biao)定分爲實(shi)流标定和(he)幹标定兩(liang)種，實流标(biao)定由大功(gong)率🔴的泵站(zhan)、管道、大型(xing)儲液箱等(deng)構成,以實(shi)際流動的(de)液體對流(liu)量計進行(hang)标定,這一(yi)标定方法(fa)成本較高(gao).幹标定是(shi)相⛱️對實流(liu)标定而言(yan)，是一種不(bu)用實流标(biao)定流量計(ji)系數的方(fang)法.随着工(gong)業的發展(zhan),電磁流量(liang)計因口徑(jing)增大給儀(yi)表實流✍️标(biao)定帶來技(ji)術🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和資金(jin)上的巨😘大(da)困難";電磁(ci)流量計因(yin)其測量原(yuan)理可追溯(su)性好,與其(qi)它流量計(ji)(超聲波流(liu)量計 .壓差(cha)流量計 .渦(wo)街流量計(ji) )相比被認(ren)爲最适合(he)幹标定的(de)流量計.因(yin)此,電磁流(liu)量計🔅的幹(gan)标定方法(fa)是許多研(yan)究人員以(yi)及電磁流(liu)量計生産(chan)廠商關注(zhu)的工💚程問(wen)題之一.張(zhang)小章在電(dian)磁流量計(ji)理論模型(xing)下進行對(dui)流量計幹(gan)标定研究(jiu)💃🏻.本文通過(guo)Ansys仿真測量(liang)管内部磁(ci)場分布，應(ying)用FLUENT對測量(liang)管内部流(liu)體進行仿(pang)真,最後結(jie)合權重函(han)數對電磁(ci)流量計感(gan)應電勢進(jin)行數值計(ji)算,并且得(de)到電磁流(liu)量計感應(ying)電勢與流(liu)速關系圖(tu).對電🈲磁流(liu)量計檢測(ce)電✏️極獲取(qu)的感應電(dian)勢進行二(er)次轉換器(qi)标定,可完(wan)成電磁流(liu)量計的幹(gan)标定,從而(er)🔴不用實流(liu)标定,可對(dui)電磁流量(liang)計流量測(ce)量進🍉行幹(gan)标定.
1流量(liang)計感應電(dian)勢理論基(ji)礎
　　當導電(dian)流體流過(guo)外加磁場(chang)時,在作切(qie)割磁力線(xian)運動.根據(ju)🥵法拉第電(dian)磁感應定(ding)律,在流體(ti)中就會産(chan)生感應電(dian)動勢,且通(tong)過👨‍❤️‍👨測量感(gan)應電動勢(shi)的值來獲(huo)取流體的(de)速度和流(liu)量,這就是(shi)電磁流量(liang)🚩計測量流(liu)量的基本(ben)原理.在一(yi)定的條件(jian)下由maxwell方程(cheng)可得電磁(ci)流量計的(de)感應電勢(shi)的表達方(fang)程:
 
　　式中:U2-U1是(shi)兩電極的(de)電勢差;A表(biao)示對所有(you)空間積分(fen);r爲流🔴量計(ji)👉截🏃‍♂️面管半(ban)徑;矢量V是(shi)導電流體(ti)的流速;B是(shi)磁🌏感應強(qiang)度✉️;W爲矢量(liang)權重函數(shu),它是-一個(ge)隻由電磁(ci)流❓量計本(ben)♈身結構決(jue)定的量.
　　由(you)流量計的(de)感應電勢(shi)理論基礎(chu)可知，隻要(yao)确定了流(liu)✔️體的流👄速(su)V、磁感應強(qiang)度B、以及權(quan)重函數W，流(liu)量計管徑(jing)半徑,就可(ke)以求流量(liang)計的感應(ying)電勢差,在(zai)流量計感(gan)應電勢計(ji)算💯中,一般(ban)來說,電磁(ci)流量計内(nei)部磁場🛀🏻大(da)小的獲🔱取(qu)是較難🐉的(de)問題，傳✨統(tong)幹标定法(fa)中需要進(jin)行的複雜(za)的空間三(san)維磁場的(de)測量,工作(zuo)量大.英國(guo)HEMP提出的渦(wo)電場測量(liang)法是通過(guo)檢測由磁(ci)場交變産(chan)生的渦電(dian)場強度獲(huo)取👉磁場信(xin)息[5],實現電(dian)磁流量計(ji)👄一-次傳感(gan)器轉換系(xi)數的測量(liang),無需測量(liang)有效區域(yu)内各點磁(ci)通量密度(du)與體權重(zhong)函數,但它(ta)隻🤟能模♊拟(ni)速度分布(bu)平坦的流(liu)場情況,無(wu)法對非理(li)想流場👅情(qing)況下的電(dian)磁流量計(ji)進🏃🏻‍♂️行标定(ding);俄羅斯VELT提(ti)出的面⚽權(quan)重函數法(fa)是按面權(quan)重函數👄等(deng)值線繞制(zhi)的感應線(xian)圈與電磁(ci)流量計勵(li)磁線圈的(de)互感效應(ying)獲取磁場(chang)信息,實現(xian)電磁流量(liang)計一次傳(chuan)感器轉換(huan)系數的測(ce)量'6],無需測(ce)量有效區(qu)域内各點(dian)磁通量密(mi)度,但它需(xu)要用幹濕(shi)标定對比(bi)試♻️驗進行(hang)修正,對比(bi)試驗工作(zuo)量較大.本(ben)文方法結(jie)合電磁流(liu)量計管段(duan)以及勵磁(ci)線圈的幾(ji)何尺寸運(yun)用ANSYS電磁場(chang)仿真獲得(de)流量計測(ce)量區域❗磁(ci)感應強度(du)B的分🏃‍♀️布，同(tong)時運用MATLAB計(ji)算流量✊計(ji)的權重函(han)數在測♉量(liang)管中的分(fen)布;利用FLUENT軟(ruan)件對流體(ti)中不同流(liu)量下流體(ti)在傳感器(qi)管道内的(de)🏃🏻速度分布(bu)進行仿真(zhen);最後完成(cheng)電磁流量(liang)計感應電(dian)勢響應🌈計(ji)算✉️.
2理論仿(pang)真模型
2.1磁(ci)場仿真
　　根(gen)據電磁流(liu)量計傳感(gan)器結構尺(chi)寸,以及通(tong)電電流大(da)小以✍️及勵(li)🐪磁線圈匝(za)數等相關(guan)參數設定(ding)流量計傳(chuan)感器勵磁(ci)仿真結構(gou),通過ANSYS仿真(zhen)獲取流量(liang)計測量區(qu)域的磁感(gan)應♉強度分(fen)布,并對其(qi)數據進行(hang)記錄”.磁感(gan)應強度在(zai)x軸與y軸🏃🏻‍♂️的(de)分量分别(bie)爲Bx和By,因爲(wei)磁感應強(qiang)度By對電磁(ci)流量計電(dian)極方向上(shang)的感應電(dian)勢貢獻♉很(hen)小且By比Bx小(xiao)的多,對流(liu)量計感應(ying)電勢可以(yi)不考慮Br,隻(zhi)考慮Bx.故而(er)将公式(1)中(zhong)的B可以近(jin)似🌏爲Bx.
　　通過(guo)數據處理(li)獲得測量(liang)區域磁感(gan)應強度在(zai)x軸方向的(de)分布情🔞況(kuang).如圖1所示(shi)爲電磁流(liu)量計測量(liang)區域磁感(gan)🐪應強度x方(fang)向分布圖(tu).圖中x軸與(yu)y軸分别代(dai)表測量區(qu)域的“電極(ji)方向”與“磁(ci)場方向"(x軸(zhou)與y軸所形(xing)成的面平(ping)行于測量(liang)管的檢測(ce)電極徑向(xiang)截面).從仿(pang)真圖上可(ke)以看出流(liu)量計的磁(ci)🧡感應強度(du)分🤞布不是(shi)一個恒定(ding)的值.
 
2.2流體(ti)速度分布(bu)仿真
　　采用(yong)FLUENT仿真出傳(chuan)感器管道(dao)内不同徑(jing)向的速度(du)分布,提取(qu)不同徑🐕向(xiang)的流體速(su)度,并進行(hang)數值分析(xi),建立測量(liang)區域的速(su)度分布圖(tu).如圖2所示(shi)爲某--流量(liang)下電磁流(liu)量計内部(bu)🈲流體速❗度(du)分布圖,圖(tu)中，x軸、y軸方(fang)向分🧡别爲(wei)磁場方向(xiang)與電極方(fang)向,0軸爲速(su)度值大小(xiao),方向👈爲z軸(zhou).并保存數(shu)據在計算(suan)流量計感(gan)應電勢時(shi)運用.
2.3權重(zhong)函數
　　關于(yu)權重函數(shu)問題:由中(zhong)國石化出(chu)版社出版(ban)編著的✏️《電(dian)磁流量計(ji)》中長筒式(shi)電磁流量(liang)計的權重(zhong)函數表達(da)式近似爲(wei)(2)式.因㊙️爲權(quan)重函數Wx對(dui)電磁流量(liang)計電極方(fang)向🛀🏻.上的感(gan)應電勢💜貢(gong)獻很💔小且(qie)Wx比Wr小的多(duo),式(1)中對流(liu)量計🏃🏻感應(ying)電勢計算(suan)的權重函(han)數W可以近(jin)似爲❌在y軸(zhou)方向，上💋的(de)Wy.
 
　　如圖3所示(shi)爲電磁流(liu)量計測量(liang)管中近似(si)的權重函(han)數💃🏻分布圖(tu).由👉于權重(zhong)函數電極(ji)方向的分(fen)量與權重(zhong)函數近似(si)❓相等⚽,所以(yi)♊權重函數(shu)的分布數(shu)值可以用(yong)💃來計算截(jie)面上瞬時(shi)的感應電(dian)⁉️勢.
2.4感應電(dian)勢的數值(zhi)計算
　　在計(ji)算電磁流(liu)量計感應(ying)信号時,截(jie)取電磁流(liu)量計傳感(gan)🏃‍♀️器電極高(gao)度的柱形(xing)空間爲積(ji)分空間A.在(zai)這一空間(jian)下電磁流(liu)量計傳感(gan)器電極高(gao)度範圍内(nei)的測量區(qu)域中任意(yi)徑向截面(mian)上的磁感(gan)應強度分(fen)布基本上(shang)是相同的(de),内部流體(ti)中的流體(ti)速度🈲分布(bu)在徑向截(jie)面上對㊙️應(ying)位置近似(si)相同,測量(liang)區域徑向(xiang)截面相對(dui)位置的權(quan)重函數近(jin)似相同.分(fen)别對流量(liang)計傳🔞感器(qi)電極🌈範圍(wei)内截面的(de)磁感應強(qiang)度分布以(yi)及流量㊙️計(ji)内部流體(ti)速度分布(bu)進行仿真(zhen),并結合權(quan)重函數根(gen)據(1)式進行(hang)對流量計(ji)傳感器的(de)感應信号(hao)進行計算(suan).進而獲得(de)電🐆極範圍(wei)内感應電(dian)勢值,由于(yu)電極🎯範圍(wei)内感應信(xin)号是電磁(ci)流量計測(ce)量值的主(zhu)要貢獻值(zhi),這個計算(suan)值就近似(si)于電磁流(liu)量計電極(ji).上獲得的(de)感應信号(hao).
如圖4所示(shi)在一定的(de)磁場.流速(su)下流量計(ji)電極範圍(wei)内某-截面(mian)上流體感(gan)應電勢貢(gong)獻分布圖(tu).圖中x軸爲(wei)🤟磁場✨方向(xiang),y軸爲電極(ji)方向.
 
3仿真(zhen)實驗分析(xi)
　　前面介紹(shao)了電磁流(liu)量計感應(ying)電勢數值(zhi)計算方法(fa),在電磁流(liu)量計電極(ji)範圍内任(ren)意截面中(zhong)相對位置(zhi)的磁📧場、權(quan)重函數、流(liu)體速🐕度基(ji)本相同,根(gen)據公式(1)即(ji)可獲得電(dian)極兩端感(gan)應信号的(de)近似值.下(xia)面對仿真(zhen)✉️實驗進行(hang)驗證性分(fen)析.
　　仿真實(shi)驗中,電磁(ci)流量計中(zhong)流體平均(jun)流速分别(bie)設定⛹🏻‍♀️爲🈲0.6687m/s.1.6717m/s.2.6747m/s.3.3433m/s,分(fen)别進行仿(pang)真與數值(zhi)計算電磁(ci)流量計感(gan)應電勢差(cha).如☀️圖5所✨示(shi)爲流量與(yu)電磁流量(liang)計感應電(dian)勢差關系(xi)圖,從仿真(zhen)結果可以(yi)看出流量(liang)越大,感應(ying)電勢差也(ye)就越大,總(zong)體上說,流(liu)量與感應(ying)信号基本(ben)上成線性(xing)關系，仿真(zhen)結果符合(he)電磁流量(liang)計的相關(guan)理🚩論.
　　仿真(zhen)與數值計(ji)算方法爲(wei)電磁流量(liang)計此感應(ying)電動勢的(de)✍️計算📧提供(gong)了-種新的(de)解決方案(an),利用該方(fang)法求出了(le)流量計的(de)感應電勢(shi)差,即完成(cheng)電磁流量(liang)計一-次傳(chuan)感系數轉(zhuan)換.流量計(ji)傳感器獲(huo)取的感應(ying)電勢差(感(gan)應信号)一(yi)般需通過(guo)信号預處(chu)理,信号放(fang)大單✨元,高(gao)通低通濾(lü)波,進行信(xin)号提升單(dan)元等環節(jie)最後輸出(chu)流量測量(liang)顯示值.二(er)次儀表轉(zhuan)換是将電(dian)極間的感(gan)應電勢差(cha)轉換爲顯(xian)示的流量(liang),二次儀表(biao)轉化技術(shu)已經基本(ben)成熟⭐.當然(ran)本文爲仿(pang)真⛹🏻‍♀️實驗在(zai)工業實際(ji)應用中需(xu)要運用大(da)量的幹濕(shi)标定對比(bi)實驗🔆進行(hang)對流量計(ji)标🐇定進行(hang)修正,獲取(qu)一定的修(xiu)正經驗值(zhi)後,然後對(dui)流量計幹(gan)标定結果(guo)進行修正(zheng),從而獲得(de)正确有效(xiao)的電極此(ci)感應電動(dong)勢.
4結論
　　通(tong)過仿真的(de)方法建立(li)了電磁流(liu)量計電極(ji)磁感應信(xin)号🌏的數值(zhi)計算模型(xing),并在模型(xing)下對電磁(ci)流量計不(bu)同流量下(xia)的感應🏒信(xin)号進行計(ji)算,該模型(xing)爲電磁💁流(liu)量計的流(liu)量的測量(liang)提供一次(ci)傳感🌈轉換(huan)系數,仿☔真(zhen)與數值計(ji)算方法爲(wei)電磁流☁️量(liang)計幹标定(ding)提供了一(yi)種新的解(jie)🌈決思路.當(dang)然本文隻(zhi)是從理論(lun)上對電😍磁(ci)流量計檢(jian)測電極感(gan)應信号的(de)計算方法(fa),該方法㊙️要(yao)真正的應(ying)用于工業(ye)生🤩産中,電(dian)磁流量計(ji)幹标定仍(reng)需大量的(de)、更嚴格的(de)實驗數據(ju)對該方法(fa)幹标定誤(wu)差修正值(zhi)進行研究(jiu)📱.

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