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 管道對(duì)電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)影響
發(fā)布時(shí)間:2017-12-21

摘要:運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)電磁流量計(jì)中存在非導(dǎo)電物體建立的仿真模型,研究了不同內(nèi)徑管道對(duì)電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)響應(yīng)特性的影響,為電磁流量計(jì)測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)傳感器電極尺寸設(shè)計(jì)提供一定的參考,也為電磁流量計(jì)在一定管徑下兩相流測(cè)量的誤差分析提供理論依據(jù)。
0引言
  電磁流量計(jì)是一種利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量的儀表。電磁流量計(jì)應(yīng)用于多相流中時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如對(duì)流速分布不太敏感,管道中無(wú)阻礙流動(dòng)的部件等[1]。近年來(lái),在一些特殊領(lǐng)域中電磁流量計(jì)逐步開始應(yīng)用于多相流流速的測(cè)量。許多學(xué)者對(duì)電磁流量計(jì)在多相流的測(cè)量問(wèn)題上開始了研究。張小章在簡(jiǎn)化的二維模型下分別求解了單個(gè)氣泡處于流量計(jì)管軸線和橫截面不同位置時(shí)虛電流的分布情況[2-3],并對(duì)流體中含有一個(gè)氣泡時(shí)電磁流量計(jì)虛電流的三維特性進(jìn)行了研究[4];Jae.Euncha等運(yùn)用2個(gè)流量計(jì)來(lái)計(jì)算空隙率的大。5];王月明等對(duì)電磁流量法測(cè)量油氣水多相流進(jìn)行了一系列的研究[6-9]。
  本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)電磁流量計(jì)中存在非導(dǎo)電物體建立仿真模型,在此模型下研究了流量計(jì)傳感器的管直徑大小與非導(dǎo)電物質(zhì)大小變化對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)影響。研究結(jié)果可為電磁流量計(jì)在一定管徑下兩相流測(cè)量誤差提供一定的分析依據(jù)。
1敏感場(chǎng)靈敏度定義
  當(dāng)導(dǎo)電流體流過(guò)外加磁場(chǎng)時(shí),作切割磁力線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值來(lái)求出流體速度和流量。這就是電磁流量計(jì)測(cè)量流量的基本原理。當(dāng)流體中出現(xiàn)非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí),會(huì)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的分布發(fā)生變化。電磁流量計(jì)的基本方程:

  式中:U為兩極的電勢(shì)差;A為對(duì)空間積分;W為矢量權(quán)函數(shù),它是一個(gè)只由電磁流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)決定的量,其表達(dá)式為

  虛電流是電磁流量計(jì)理論中一個(gè)重要的量。它決定著電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域權(quán)重函數(shù)分布情況[4]。也就決定著電磁流量計(jì)內(nèi)部敏感場(chǎng)分布情況。
  為了定量地考查電磁流量計(jì)內(nèi)部非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)的分布影響,定義c為敏感場(chǎng)靈敏度,其定義如式(3)所示:

  為了清晰地描述電磁流量計(jì)中流體中存在非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí),電磁流量計(jì)的響應(yīng)特性情況,運(yùn)用敏感場(chǎng)靈敏度c來(lái)刻畫這一響應(yīng)結(jié)果。
2仿真模型及仿真實(shí)驗(yàn)
2.1仿真模型
  仿真實(shí)驗(yàn)是在ANSYS環(huán)境下進(jìn)行的,為了考查電磁流量計(jì)傳感器中不同管徑大小對(duì)流量計(jì)存在非導(dǎo)電物質(zhì)流體響應(yīng)特性影響情況。仿真模型為垂直上升管,如圖1所示,ANSYS仿真模型中只對(duì)電磁流量計(jì)中的流體進(jìn)行建模,2個(gè)電極中心方向稱為x軸,2個(gè)電極相距為2R,流體中心軸稱為y軸,x軸與y軸構(gòu)成直角坐標(biāo)系,兩軸交匯點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)定仿真模型高度為10R(即y軸是從-5R到5R),分別如圖1所示。電極兩端給一定的電壓值,一定半徑的非導(dǎo)電物質(zhì)由流體底部進(jìn)入,沿著y軸隨著上升的流體向上運(yùn)動(dòng),仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)電磁流量計(jì)中流體的虛電流進(jìn)行考查,從y軸-4.5R到4.5R每隔0.5R采集1次仿真數(shù)據(jù)。通過(guò)分析,以獲得電磁流量計(jì)存在相同半徑非導(dǎo)電物質(zhì)在不同半徑管道或不同電極大小時(shí)對(duì)流量計(jì)響應(yīng)特性影響情況。
電磁流量計(jì)ANSYS仿真模型
2.2仿真實(shí)驗(yàn)
  仿真實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定通過(guò)電磁流量計(jì)的非導(dǎo)電物質(zhì)大小不變,流量計(jì)內(nèi)壁管徑的直徑設(shè)定為0.8R,R,1.2R,1.4R,1.6R,流量計(jì)流體中設(shè)定半徑為0.1R的非導(dǎo)電物質(zhì)通過(guò)電磁流量計(jì)的中心軸,對(duì)電磁流量計(jì)中流體的虛電流進(jìn)行考查,以獲得流體中相同大小非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)不同半徑管道的電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)影響情況。
  為了節(jié)省篇幅,這里只顯示其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)的部分仿真圖,如圖2所示。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不同管徑大小對(duì)電磁流量計(jì)的虛電流分布是有一定影響的,但這些分布性的仿真結(jié)果無(wú)法較好地在數(shù)值上給予電極大小與管徑變化對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)影響大小情況的說(shuō)明。下面將在仿真結(jié)果分析中通過(guò)敏感場(chǎng)靈敏度c對(duì)仿真數(shù)據(jù)分析。
電磁流量計(jì)管徑為R時(shí)敏感場(chǎng)分布圖
3仿真結(jié)果分析
  為了詳實(shí)地考查管直徑變化下對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度影響,運(yùn)用敏感場(chǎng)靈敏度c分別對(duì)每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析并對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
  圖3為不同大小內(nèi)徑管道與流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度關(guān)系圖,橫軸表示非導(dǎo)電物質(zhì)在電磁流量計(jì)y軸的位置,縱軸為敏感場(chǎng)靈敏度c,圖中各條線分別代表了不同測(cè)量管徑大小時(shí)非導(dǎo)電物質(zhì)在不同位置時(shí)敏感場(chǎng)靈敏度c的變化情況。
  對(duì)于半徑一定的(本例為0.1R)非導(dǎo)電物質(zhì),管道半徑越大,在電極(y軸坐標(biāo)原點(diǎn))附近非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)電磁流量計(jì)的敏感場(chǎng)靈敏度c的響應(yīng)特性就越小,仿真實(shí)驗(yàn)也可以說(shuō)明,當(dāng)電磁流量計(jì)管道半徑變小時(shí),非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)電磁流量計(jì)的敏感場(chǎng)靈敏度影響在電極(y軸坐標(biāo)原點(diǎn))附近變化是比較快的;流量計(jì)管道半徑變大時(shí),非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)電磁流量計(jì)的敏感場(chǎng)靈敏度影響在電極附近變化變得緩慢。仿真實(shí)驗(yàn)可得出:在電磁流量計(jì)電極一定時(shí),根據(jù)測(cè)量流體中非導(dǎo)電物質(zhì)的大小以及電磁流量計(jì)管道半徑可以估計(jì)出該電磁流量計(jì)的兩相流測(cè)量精度(敏感場(chǎng)靈敏度響應(yīng)情況),為測(cè)量?jī)上嗔鞯碾姶帕髁坑?jì)傳感器誤差分析提供一定分析依據(jù)。
電磁流量計(jì)不同大小內(nèi)徑管道與敏感度關(guān)系圖
4結(jié)束語(yǔ)
  本文運(yùn)用有限元軟件對(duì)流體中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)對(duì)電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)響應(yīng)特性進(jìn)行建模仿真,通過(guò)模型分析了流量計(jì)管道內(nèi)徑大小與流量計(jì)的敏感場(chǎng)靈敏度響應(yīng)特性的關(guān)系。研究結(jié)果為一定管徑下電磁流量計(jì)兩相流測(cè)量的誤差分析提供一定的理論依據(jù)。

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