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電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度定義及仿真結(jié)果分析
閱讀次數(shù)：519 發(fā)布時(shí)間：2019/11/9 9:45:56
電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度定義及仿真結(jié)果分析
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。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，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；運(yùn)用２個(gè)流量計(jì)來(lái)計(jì)算空隙率的大小；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。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為兩電極的電勢(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
式中：為虛電流密度，是一個(gè)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(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。
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：
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。
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)管道半徑變小萬(wàn)方數(shù)據(jù)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)。
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)。
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。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，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；運(yùn)用２個(gè)流量計(jì)來(lái)計(jì)算空隙率的大小；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。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為兩電極的電勢(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
式中：為虛電流密度，是一個(gè)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(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。
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：
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。
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)管道半徑變小萬(wàn)方數(shù)據(jù)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)。
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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