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。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;Jae-EunCha等運(yùn)用2個(gè) 流量計(jì)來(lái)計(jì)算空隙率的大小;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。
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：
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：
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)人，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。
圖1 ANSTS仿真模型
2.2仿真實(shí)驗(yàn)
仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定通過電磁流量計(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0.8及，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 說明。下面將在仿真結(jié)果分析中通過敏感場(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0.1 R)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)對(duì)于管道安裝的要求：
電磁流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝需要注意很多事項(xiàng)，否則會(huì)導(dǎo)致流量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)，因此，客戶在購(gòu)買電磁流量計(jì)時(shí)一定要注意安裝的位置，避免大型干擾源。
1.旁路管的安裝
為便于在工藝管道繼續(xù)流動(dòng)和傳感器停止流動(dòng)時(shí)檢查和調(diào)整零點(diǎn)，應(yīng)裝旁路管。但大管徑管系因投資和位置空間限制，往往不易辦到。根據(jù)電極污染程度來(lái)校正測(cè)量值，或確定一個(gè)不影響測(cè)量值的污染程度判斷基準(zhǔn)是困難的。除前文所述，采用非接觸電極或帶刮刀清除裝置電極的儀表，可解決一些問題外，有時(shí)還需要經(jīng)常清除傳感器內(nèi)壁附著物，則應(yīng)按圖6—18所示便于清洗的管線布置，在不卸下傳感器就地清除。對(duì)于管徑大于1．5～1．6m，測(cè)量原水等易沉積的管系在電磁流量計(jì)附近管道上，預(yù)置人孔，以便管系停止運(yùn)動(dòng)時(shí)清洗傳感器
測(cè)量管內(nèi)壁。
2．管系進(jìn)口處理
流程工業(yè)的管道系統(tǒng)進(jìn)口常接于容器或高位槽，公用事業(yè)管道系統(tǒng)進(jìn)口常接于水池或河渠，進(jìn)口必須在液（水）面下有2～5倍進(jìn)口管直徑的距離。若相距過近，吸入口會(huì)產(chǎn)生漩渦，卷入液體與空氣交界面的空氣，隨漩渦進(jìn)入管道，影響正常測(cè)量。
3．手動(dòng)或自動(dòng)排氣閥的安裝
液體在管中流動(dòng)由于各種原因可能混有氣泡，如流量傳感器水平地安裝在管系的高點(diǎn)或次高點(diǎn)，極易積集于水平管道上部和流量傳感器測(cè)量管內(nèi)，電磁流量計(jì)會(huì)出現(xiàn)輸出晃動(dòng)等故障現(xiàn)象. 為便于檢查故障原因和排除積聚氣體，應(yīng)在高點(diǎn)或次高點(diǎn)的流量傳感器下游附近設(shè)置手動(dòng)排氣閥，定期檢查和排氣。若管系發(fā)生氣泡概率較高或經(jīng)?；煊袣馀?，則應(yīng)在流***傳感器上游設(shè)置集氣罐和自動(dòng)排氣閥，這一技術(shù)措施對(duì)于測(cè)量江河汲取原水的中大型電磁流量計(jì)極為重要，因?yàn)檫@類應(yīng)用場(chǎng)所往往含有氣泡。某儀表制造廠近年在原水應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)遇到這類事例就近20起，占故障案例的4％。
4．接地
傳感器***好單獨(dú)接地（接地電阻10Ω以下或100Ω以下），分離型原則上接地應(yīng)在傳感器一側(cè)，轉(zhuǎn)換器接地應(yīng)在同一接地點(diǎn)。如傳感器裝在有陰極腐蝕保護(hù)管道上，除了傳感器和接地環(huán)一起接地處，還要用較粗銅導(dǎo)線（16立方毫米）傳感器跨接管道兩連接法蘭上，使陰極保護(hù)電流與傳感器之間隔離。有時(shí)候雜散電流過大，如電解槽沿著電解液的漏電流影響電磁流量計(jì)正常測(cè)量，則可采取流量傳感器與其連接的工藝之間電氣隔離的辦法。同樣有陰極保護(hù)的管線上，陰極保護(hù)電流影響電磁流量計(jì)測(cè)量時(shí)，也可采取本方法。
電磁流量精度改變問題解決辦法：
電磁流量計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛地使用，其結(jié)構(gòu)形式通常有一體式、管道式、分體式、插入式，實(shí)際生產(chǎn)中中管道式電磁流量計(jì)的使用量更為大一點(diǎn)，我們?cè)诜治鲭姶帕髁坑?jì)的測(cè)量度發(fā)生改變的現(xiàn)象之前，有必要對(duì)于管道式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)作一個(gè)大致的介紹，電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由磁路系統(tǒng)、測(cè)量導(dǎo)管、電極、外殼、襯里和轉(zhuǎn)換器這幾個(gè)部分組成，每一個(gè)部分對(duì)于測(cè)量精度的保證都有不同的要求，我們?cè)谶x擇產(chǎn)品類型時(shí)要根據(jù)我們測(cè)量環(huán)境的具體要求，作出具體的選擇。
首先是磁路系統(tǒng)，這是管道式電磁流量計(jì)工作的核心部件：作用原理是系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場(chǎng)。直流磁路用磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，受交流磁場(chǎng)的干擾較小，但它易使通過測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的電解質(zhì)液體極化，使正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被正離子包圍，即電極的極化現(xiàn)象，并導(dǎo)致兩電極之間內(nèi)阻增大，因而嚴(yán)重影響儀表正常工作。當(dāng)管道直徑較大時(shí)，磁鐵相應(yīng)也很大，笨重且不經(jīng)濟(jì)，所以管道式電磁流量計(jì)一般采用交變磁場(chǎng)，且是50HZ工頻電源激勵(lì)產(chǎn)生的。
測(cè)量導(dǎo)管：有了測(cè)量導(dǎo)管才能夠讓被測(cè)的導(dǎo)電性液體通過，籍此產(chǎn)生相應(yīng)的流量數(shù)據(jù)。測(cè)量導(dǎo)管的物理性質(zhì)也會(huì)直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生影響，為了使磁力線通過測(cè)量導(dǎo)管時(shí)磁通量被分流或短路，測(cè)量導(dǎo)管必須采用不導(dǎo)磁、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，可選用不導(dǎo)磁的不銹鋼、玻璃鋼、高強(qiáng)度塑料、鋁等。
測(cè)量電極是直接與所測(cè)液體介質(zhì)接觸，通過其產(chǎn)生并引出和被測(cè)量成正比的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。電極一般用非導(dǎo)磁的不銹鋼制成，且被要求與襯里齊平，以便流體通過時(shí)不受阻礙。它的安裝位置宜在管道的垂直方向，以防止沉淀物堆積在其上面而影響測(cè)量精度。并且長(zhǎng)期的使用過程中若是測(cè)量介質(zhì)容易沾污電極或在測(cè)量管壁內(nèi)沉淀、結(jié)垢、應(yīng)定期作清垢、清洗。
外殼：應(yīng)用鐵磁材料制成，是分配制度勵(lì)磁線圈的外罩，并隔離外磁場(chǎng)的干擾。
襯里：在測(cè)量導(dǎo)管的內(nèi)側(cè)及法蘭密封面上，有一層完整的電絕緣襯里。它直接接觸被測(cè)液體，其作用是增加測(cè)量導(dǎo)管的耐腐蝕性，防止感應(yīng)電勢(shì)被金屬測(cè)量導(dǎo)管管壁短路。襯里材料多為耐腐蝕、耐高溫、耐磨的聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。
轉(zhuǎn)換器是產(chǎn)生***終輸出數(shù)據(jù)的部分：由液體流動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)十分微弱，受各種干擾因素的影響很大，轉(zhuǎn)換器的作用就是將感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并抑制主要的干擾信號(hào)。其任務(wù)是把電極檢測(cè)到的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)Ex經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)。
一般情況下，只要造型恰當(dāng)，工作條件理想，管道式電磁流量計(jì)的工作都是比較可靠的。不過長(zhǎng)期使用后儀表度也可能下降甚至不能工作。如果是儀表顯示值明顯不符合流體物料平衡規(guī)律或已經(jīng)沒有顯示值（先排除一些很明顯的原因），可以先把轉(zhuǎn)換器與傳感器斷開，單獨(dú)用“自校”功能檢查轉(zhuǎn)換器，如果發(fā)現(xiàn)問題，可以用“換印刷板”的辦法逐一排查，或更換轉(zhuǎn)換器，盡快使流量計(jì)恢復(fù)正常工作。如果不是轉(zhuǎn)換器的原因，則要檢查傳感器。具體的操作方法如下：
(1) 沒有顯示值，首先檢查各路接線情況及各端子對(duì)“地”的絕緣，若沒有發(fā)現(xiàn)問題，再關(guān)閉閥門、使流體斷流，在傳感器斷電的情況下仔細(xì)檢查。
(2) 有顯示值但有誤差。先連上轉(zhuǎn)換器，在通電的情況下關(guān)閉閥門，使流量等于零，測(cè)量“基準(zhǔn)電壓”（儀表出廠時(shí)一般都提供此數(shù)據(jù)），與儀表出廠時(shí)的數(shù)據(jù)相比較，若有問題，則斷開電源、斷開轉(zhuǎn)換器、檢查2個(gè)電極分別對(duì)“地”（液）的電阻，應(yīng)該基本相等且在數(shù)kΩ的范圍。如果電阻值相差懸殊或過大，則可能是1個(gè)或2個(gè)電極的表面粘附了臟物或者接線端子接觸不良;若電阻值接近無(wú)窮大，則可能是斷路；如果電阻值接近零，則可能是電極處泄漏、絕緣破壞。發(fā)現(xiàn)問題后可以對(duì)癥處理。
(3) 傳感器的測(cè)量管內(nèi)沒有充滿流體或者含有氣體，流量顯示值誤差增大。
(4) 流量顯示值變化異常且沒有規(guī)律，則可能是流體介質(zhì)里含有鐵磁性物質(zhì)或者在附近出現(xiàn)了強(qiáng)磁場(chǎng)干擾（如 電機(jī)、變壓器、電焊機(jī)等），證實(shí)后即可對(duì)癥處理。
如果是外界電磁場(chǎng)干擾，可以把干擾源移出，不行時(shí)，則可以在管道式電磁流量計(jì)的外殼上加“屏蔽殼”，注意殼子不能有縫隙，而且要有良好的接地。如果是流體中含有鐵磁性物質(zhì)，可以在流量計(jì)上游加裝磁性過濾器，要注意經(jīng)常清理過濾器。如果是流體沒有充滿流量計(jì)，則要改變安裝地點(diǎn)或者在流量計(jì)的下游加裝閥門、提高其背壓，使測(cè)量管內(nèi)沒有氣體、始終充滿液體。
如果是儀表顯示值明顯不符合流體物料平衡規(guī)律或已經(jīng)沒有顯示值（先排除一些很明顯的原因），如果檢查出來(lái)是因?yàn)殡姌O被粘附、臟污，可以選用“可拆電極”，取出電極清理，或者選用“刮刀式電極”，在不停流的情況下就可以旋轉(zhuǎn)刀片、清理電極。
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)。
