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技術(shù)文章
電磁流量計敏感場靈敏度定義及仿真結(jié)果分析
閱讀次數(shù)：516 發(fā)布時間：2019/11/9 9:45:56
電磁流量計敏感場靈敏度定義及仿真結(jié)果分析
電磁流量計是一種利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測量的儀表。電磁流量計應(yīng)用于多相流中時具有獨特的優(yōu)點，如對流速分布不太敏感，管道中無阻礙流動的部件等。近年來，在一些特殊領(lǐng)域中電磁流量計逐步開始應(yīng)用于多相流流速的測量。許多學(xué)者對電磁流量計在多相流的測量問題上開始了研究。張小章在簡化的二維模型下分別求解了單個氣泡處于流量計管軸線和橫截面不同位置時虛電流的分布情況，并對流體中含有一個氣泡時電磁流量計虛電流的三維特性進(jìn)行了研究；運(yùn)用２個流量計來計算空隙率的大��；對電磁流量法測量油氣水多相流進(jìn)行了一系列的研究。本文運(yùn)用有限元軟件ＡＮＳＹＳ對電磁流量計中存在非導(dǎo)電物體建立仿真模型，在此模型下研究了流量計傳感器的管直徑大小與非導(dǎo)電物質(zhì)大小變化對流量計敏感場影響。研究結(jié)果可為電磁流量計在一定管徑下兩相流測量誤差提供一定的分析依據(jù)。
１敏感場靈敏度定義
當(dāng)導(dǎo)電流體流過外加磁場時，作切割磁力線運(yùn)動。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量感應(yīng)電動勢的值來求出流體速度和流量。這就是電磁流量計測量流量的基本原理。當(dāng)流體中出現(xiàn)非導(dǎo)電物質(zhì)時，會使感應(yīng)電動勢的分布發(fā)生變化。電磁流量計的基本方程：
式中：Ｕ為兩電極的電勢差；Ａ為對空間積分；Ｗ為矢量權(quán)函數(shù)，它是一個只由電磁流量計本身結(jié)構(gòu)決定的量，其表達(dá)式為
式中：為虛電流密度，是一個完全由Ａ上的電邊界條件所決定的量；Ｂ為磁感應(yīng)強(qiáng)度。虛電流是電磁流量計理論中一個重要的量。它決定著電磁流量計測量區(qū)域權(quán)重函數(shù)分布情況。
也就決定著電磁流量計內(nèi)部敏感場分布情況。為了定量地考查電磁流量計內(nèi)部非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計敏感場的分布影響，定義ｃ為敏感場靈敏度，其定義如式（３）所示：
２．２仿真實驗
仿真實驗中，設(shè)定通過電磁流量計的非導(dǎo)電物質(zhì)大小不變，流量計內(nèi)壁管徑的直徑設(shè)定為０．８Ｒ，Ｒ，１．２Ｒ，１．４Ｒ，１．６Ｒ，流量計流體中設(shè)定半徑為０．１Ｒ的非導(dǎo)電物質(zhì)通過電磁流量計的中心軸，對電磁流量計中流體的虛電流進(jìn)行考查，以獲得流體中相同大小非導(dǎo)電物質(zhì)對不同半徑管道的電磁流量計敏感場影響情況。為了節(jié)省篇幅，這里只顯示其中一個實驗的部分仿真圖，如圖２所示。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不同管徑大小對電磁流量計的虛電流分布是有一定影響的，但這些分布性的仿真結(jié)果無法較好地在數(shù)值上給予電極大小與管徑變化對流量計敏感場影響大小情況的說明。下面將在仿真結(jié)果分析中通過敏感場靈敏度ｃ對仿真數(shù)據(jù)分析。
３仿真結(jié)果分析
為了詳實地考查管直徑變化下對流量計敏感場靈敏度影響，運(yùn)用敏感場靈敏度ｃ分別對每個仿真實驗進(jìn)行分析并對比實驗結(jié)果。
圖３為不同大小內(nèi)徑管道與流量計敏感場靈敏度關(guān)系圖，橫軸表示非導(dǎo)電物質(zhì)在電磁流量計ｙ軸的位置，縱軸為敏感場靈敏度ｃ，圖中各條線分別代表了不同測量管徑大小時非導(dǎo)電物質(zhì)在不同位置時敏感場靈敏度ｃ的變化情況。
對于半徑一定的（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）附近非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度ｃ的響應(yīng)特性就越小，仿真實驗也可以說明，當(dāng)電磁流量計管道半徑變小萬方數(shù)據(jù)時，非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度影響在
電極（ｙ軸坐標(biāo)原點）附近變化是比較快的；流量計管道半徑變大時，非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度影響在電極附近變化變得緩慢。仿真實驗可得出：在電磁流量計電極一定時，根據(jù)測量流體中非導(dǎo)電物質(zhì)的大小以及電磁流量計管道半徑可以估計出該電磁流量計的兩相流測量精度（敏感場靈敏度響應(yīng)情況），為測量兩相流的電磁流量計傳感器誤差分析提供一定分析依據(jù)。
４結(jié)束語
本文運(yùn)用有限元軟件對流體中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時對電磁流量計敏感場響應(yīng)特性進(jìn)行建模仿真，通過模型分析了流量計管道內(nèi)徑大小與流量計的敏感場靈敏度響應(yīng)特性的關(guān)系。研究結(jié)果為一定管徑下電磁流量計兩相流測量的誤差分析提供一定的理論依據(jù)。
電磁流量計是一種利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測量的儀表。電磁流量計應(yīng)用于多相流中時具有獨特的優(yōu)點，如對流速分布不太敏感，管道中無阻礙流動的部件等。近年來，在一些特殊領(lǐng)域中電磁流量計逐步開始應(yīng)用于多相流流速的測量。許多學(xué)者對電磁流量計在多相流的測量問題上開始了研究。張小章在簡化的二維模型下分別求解了單個氣泡處于流量計管軸線和橫截面不同位置時虛電流的分布情況，并對流體中含有一個氣泡時電磁流量計虛電流的三維特性進(jìn)行了研究；運(yùn)用２個流量計來計算空隙率的大��；對電磁流量法測量油氣水多相流進(jìn)行了一系列的研究。本文運(yùn)用有限元軟件ＡＮＳＹＳ對電磁流量計中存在非導(dǎo)電物體建立仿真模型，在此模型下研究了流量計傳感器的管直徑大小與非導(dǎo)電物質(zhì)大小變化對流量計敏感場影響。研究結(jié)果可為電磁流量計在一定管徑下兩相流測量誤差提供一定的分析依據(jù)。
１敏感場靈敏度定義
當(dāng)導(dǎo)電流體流過外加磁場時，作切割磁力線運(yùn)動。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量感應(yīng)電動勢的值來求出流體速度和流量。這就是電磁流量計測量流量的基本原理。當(dāng)流體中出現(xiàn)非導(dǎo)電物質(zhì)時，會使感應(yīng)電動勢的分布發(fā)生變化。電磁流量計的基本方程：
式中：Ｕ為兩電極的電勢差；Ａ為對空間積分；Ｗ為矢量權(quán)函數(shù)，它是一個只由電磁流量計本身結(jié)構(gòu)決定的量，其表達(dá)式為
式中：為虛電流密度，是一個完全由Ａ上的電邊界條件所決定的量；Ｂ為磁感應(yīng)強(qiáng)度。虛電流是電磁流量計理論中一個重要的量。它決定著電磁流量計測量區(qū)域權(quán)重函數(shù)分布情況。
也就決定著電磁流量計內(nèi)部敏感場分布情況。為了定量地考查電磁流量計內(nèi)部非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計敏感場的分布影響，定義ｃ為敏感場靈敏度，其定義如式（３）所示：
２．２仿真實驗
仿真實驗中，設(shè)定通過電磁流量計的非導(dǎo)電物質(zhì)大小不變，流量計內(nèi)壁管徑的直徑設(shè)定為０．８Ｒ，Ｒ，１．２Ｒ，１．４Ｒ，１．６Ｒ，流量計流體中設(shè)定半徑為０．１Ｒ的非導(dǎo)電物質(zhì)通過電磁流量計的中心軸，對電磁流量計中流體的虛電流進(jìn)行考查，以獲得流體中相同大小非導(dǎo)電物質(zhì)對不同半徑管道的電磁流量計敏感場影響情況。為了節(jié)省篇幅，這里只顯示其中一個實驗的部分仿真圖，如圖２所示。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不同管徑大小對電磁流量計的虛電流分布是有一定影響的，但這些分布性的仿真結(jié)果無法較好地在數(shù)值上給予電極大小與管徑變化對流量計敏感場影響大小情況的說明。下面將在仿真結(jié)果分析中通過敏感場靈敏度ｃ對仿真數(shù)據(jù)分析。
３仿真結(jié)果分析
為了詳實地考查管直徑變化下對流量計敏感場靈敏度影響，運(yùn)用敏感場靈敏度ｃ分別對每個仿真實驗進(jìn)行分析并對比實驗結(jié)果。
圖３為不同大小內(nèi)徑管道與流量計敏感場靈敏度關(guān)系圖，橫軸表示非導(dǎo)電物質(zhì)在電磁流量計ｙ軸的位置，縱軸為敏感場靈敏度ｃ，圖中各條線分別代表了不同測量管徑大小時非導(dǎo)電物質(zhì)在不同位置時敏感場靈敏度ｃ的變化情況。
對于半徑一定的（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）附近非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度ｃ的響應(yīng)特性就越小，仿真實驗也可以說明，當(dāng)電磁流量計管道半徑變小萬方數(shù)據(jù)時，非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度影響在
電極（ｙ軸坐標(biāo)原點）附近變化是比較快的；流量計管道半徑變大時，非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度影響在電極附近變化變得緩慢。仿真實驗可得出：在電磁流量計電極一定時，根據(jù)測量流體中非導(dǎo)電物質(zhì)的大小以及電磁流量計管道半徑可以估計出該電磁流量計的兩相流測量精度（敏感場靈敏度響應(yīng)情況），為測量兩相流的電磁流量計傳感器誤差分析提供一定分析依據(jù)。
４結(jié)束語
本文運(yùn)用有限元軟件對流體中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時對電磁流量計敏感場響應(yīng)特性進(jìn)行建模仿真，通過模型分析了流量計管道內(nèi)徑大小與流量計的敏感場靈敏度響應(yīng)特性的關(guān)系。研究結(jié)果為一定管徑下電磁流量計兩相流測量的誤差分析提供一定的理論依據(jù)。
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