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插入式电磁流量计

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研究提高插入式电磁流量计的准确度问题

来源:作者:发表时间:2017-09-12 10:41:52

          摘 要: 研究提高插入式电磁流量计的准确度问题。通过改进流量计内部所插入线圈的物理结构与改进流量计的物理结构来提高测量精度。分别计算出传统流量计与改进后的流量计的磁通密度,并对流场进行数值耦合,获得电极两端的电动势,并与实验数值对比,误差分别为 11. 3 %,4. 25 %,证明了所用方法的合理性。

 
 引 言
         插入式电磁流量计是在管道式电磁流量计的基础上发展起来的一种流体流量仪表,保留了电磁流量计测量原有的优点,克服了电磁流量计在大口径管道上安装困难、费用高等缺陷。
 
         插入式电磁流量计主要由传感器和变送器组成。传感器将液体流量变换成感应电动势信号,并传输到转换器;转换器将传感器送来的流量信号进行放大,并将流量信号转换成电信号 [1] 。电极检测出的感应电势数值很小,通常是μV,因此,测量精度很容易受外界影响。
 
         本文提出了通过向流量计内部插入铁芯和改进流量计的物理结构的方法,重新检测电极两端的电动势,并与实验数据相对比误差较小,比传统的插入式电磁流量计有着更好的精确度。
 
1 插入式电磁流量计的基本方程
         如图 1 所示,流体做切割磁感线运动所产生的感应电动势,通过电极引入到转换器中进行测量,以线圈匝数为2620匝的传感器的物理模型为例,给出了插入式电磁流量计的基本方程解。
插入式电磁流量计原理图
         已知插入式电磁流量计的基本方程为
         U AB =2RB z v y = BDEv (1)
         如图2,当圆柱绕流为平面势流且磁场在 z 轴方向分布均匀时,磁场为定值 B z ,流体流速为定值 v y ,两个电极间距为 D,考虑有限区域影响时,两电极间的电位差通过辅助公式 G(格林公式)可得
椭圆柱型传感器的三维模型
20170912104247.jpg
         由式(2)可知,当测量区域的边界固定,即 h 固定时,k 为常数,且当 h 趋近于无穷大时,k 值趋近于 1。
 
2 流量计电磁场的求解
         当电流通过线圈时,会在线圈周围产生磁场。流量计测量杆的两侧各设置了一对电极,在流量计进行测量时,只需将电极置于管道的平均流速点上即可  。本文采用 Matlab PDE 工具箱进行仿真,设置 PDE 参数,磁导率 μ =1,电流密度:左边的线圈电流密度 J = -1,右边的线圈电流密度 J = 1,其余传感器、管道、电极和铁芯区域电流密度均为 0,传感器周围的电磁场如图 3 所示[2] 。
 
         如图3,传感器1,2 对电极与3,4 对电极连成的直线和磁场以及平均流速成相互垂直关系,由于电极所在位置的磁感应强度 B 较小,所以,液体流经电极时产生的感生电动势数值较小,容易受到外界的干扰。
 
3 改进的流量计电磁场求解
         为了可以增加管道内的磁场强度,在线圈中插入“工”字型铁芯,并在测量杆的两侧安置新的电极 [5] 。铁芯二维模型如图 4 所示。
 
         设置 PDE 参数,铁芯的磁导率 μ =200,其余各个区域磁导率 μ =1,左线圈中电流密度 J = -1,右线圈中电流密度 J =1,其余传感器、管道、电极和铁芯区域电流密度均为0。传感器周围的电磁场如图 5 所示。1,2 对电极与 3,4 对电极连成的直线和磁场以及平均流速成相互垂直关系,液体流经电极时产生感生电动势。表 1 中 B 1 代表未插入铁芯的传感器电极所处位置的磁场强度,B 2 代表插入铁芯后电极所处位置的磁场强度。插入铁芯后,电极所在区域内的磁场强度明显增大,液体流经电极时产生的感生电动势数值较大,其抗干扰能力也得到了很大的提升。
 
         传感器的探入会使流体产生绕流现象,对流速的影响很大,降低了测量精度。雷诺数 Re 在绕流现象中起决定性作用,其公式如下
 
         Re = ρvL/μ(3)
 
               式中 ρ,μ 分别为流体密度和粘度,v,L 分别为液体流场的特征速度和特征直径。本文所测量的流体为水,其粘度为μ =1. 0 ×10-3 Pa·s。随着 Re 的增大,圆柱背后的漩涡进一步扩大,并逐步周期性地脱落出旋转方向相反且排列规则的双列漩涡,经非线性作用后形成了著名的卡门涡街,导致两侧电极所检测到的流场产生严重的失真。为了降低绕流物体的压差阻力,可以通过减小后部逆压梯度,将圆柱型传感器改造成椭圆柱型。格子 Bolzmann 方法是一种计算流体力学的算法,将流体的宏观运动作为大量微观粒子运动的统计平均结果,宏观的物理量可由微观粒子的统计平均值得到。
 
               因此,在插入式电磁流量计的传感器所受外力不变的条件下,阻力系数与椭圆的半轴长 b 呈反比。流体经过传感器时所受阻力越小,流体流速所受传感器的影响越低。图 8 为阻力系数与椭圆柱的 a/b 比值变换关系,阻力系数随着 a/b 的增大而减小,液体绕流阻力减小,当 a/b >25 时,阻力系数增大 。由此可知,若保持 a 不变,将圆柱改为椭圆柱,即 b 增加,则 a/b 减小,阻力系数增加,此时阻力系数与 Re 数呈反比,因此,Re 数减小,圆柱绕流程度降低。由此可知,将圆柱改为椭圆柱可以有效地降低绕流物体的压差阻力。本实验所使用的传感器为 a/b = 2 的椭圆柱型。
 
               本文利用 Fluent 软件分别对圆柱型传感器与椭圆柱型传感器周围的流场进行仿真,参数设置如表 2 所示。
 
               圆柱体与椭圆体形状的传感器流场速度矢量仿真如图 9 ~ 图 11,v c 为圆柱体传感器所在管道的进口流速,v e 为椭圆柱体传感器所在管道的进口流速。
传感器与管道模型图
               仿真结果图中,当传感器为圆柱型时,随着 Re 的增大,圆柱背后的漩涡进一步扩大,并形成著名的卡门涡街,两侧电极所检测到的流场流速严重失真。
 
               从表 3 可知,当传感器为椭圆柱体时,插入式电磁流量计的电极检测出的流速误差更小。这是因为其后部逆压梯度减小,绕流物体的压差阻力减小,从而降低了传感器两侧的电极受扰流的影响,提高了电极检测流速的精确度。
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