<tbody id="yd8ow"></tbody>
  • <menuitem id="yd8ow"></menuitem>

    <small id="yd8ow"></small>

    <mark id="yd8ow"><tt id="yd8ow"></tt></mark>
    <menuitem id="yd8ow"></menuitem>

    <tbody id="yd8ow"></tbody>
      1. 您好,三暢電磁流量計官方網站歡迎您!

        單位換算|官方微信|加入收藏|聯系三暢

        電磁流量計

        新聞資訊

        聯系我們

        熱門文章

        非絕緣管壁電磁流量計的權重函數仿真分析

        來源:作者:發表時間:2017-07-17 08:52:04

         摘要:電磁流量計權函數的正確求解對測量速度分布極其重要,是電磁流量計基礎理論的重要部分;文中采用有限元的方法,,對一種特殊電磁流量計(非絕緣管壁電磁流量計)的權重函數進行研究;首先用Comsol Multiphysics構建了非絕緣管壁電磁流量計的數值仿真模型并對邊界條件進行研究,其次分析了不同電導率以及厚度測量管的權函數,**后從實驗的角度驗證分析結論;并證明了在有效區域內,當磁場均勻時,虛電流密度的分布與權函數分布的一致性;文中的分析方法在研究電磁流量計管壁污染以及電極污染對權函數的影響都具有非常重要的意義。

         
        引言
                基于法拉第電磁感應理論的電磁流量計已經廣泛應用到流量測量中。其中權函數的研究對分析電磁流量計是非常重要和必不可少的。它說明了,在同一管道橫截面上,各點流速對電極信號的貢獻不同,遵循一定的分布。
         
                傳統的電磁流量計具有絕緣的測量管壁,或者內壁附有一層絕緣材料。其權函數的解析解表明權值在圓心處為1,在圓周(除電極外)為0.5,在電極附近**大。但很多情況下,測量管壁并不是絕緣的或者管壁被污染而變成非絕緣性。典型例子就是血液電磁流量計測量中把血管壁視為絕緣,實際上血管壁是非絕緣的。但迄今為止,針對非絕緣管壁電磁流量計權函數的研究仍然很少。這就造成了實際應用中出現很多問題。如在醫學中,更好的利用電磁流量計來測量血液流速;在工業中,怎樣研究測量管壁或者電極被污染給測量帶來的影響。
         
                求解非絕緣管電磁流量計權函數的困難在于管壁的電導率也要考慮,那么就不能采用傳統流量計權函數的分析方法即借助格林函數解拉普拉斯方程。文中利用虛電流密度分布進而得到權函數分布的方法。這種分析方法可以解決醫學和工業中電磁流量計具有非絕緣管壁時測量所帶來的困難。重要的是這種非絕緣管電磁流量計較以往電磁流量計的特點是電極不用嵌在管壁中,即電極不是固定在某一位置上,而是在管壁的外側。這樣的設計使得在管壁外側任意位置上都可以采集信號。
         
        1、非絕緣管電磁流量計建模
                理論分析過程中,為了簡化分析而又不影響**終結果的精度,我們可以合理假設:
                1)傳感器內液體流速為零;
                2)兩個電極可以視為點電極;
                3)在均勻磁場中進行測試。
                文中分析的流量計可以抽象為具有非絕緣材料的柱形腔體,其內徑為R2,外徑為R1(R2<R1)。半徑為R2的小柱形腔內填充電導率為σ2的液體,管壁的電導率為σ1,建立坐標系,原點位于小腔和大腔公共面的圓心,電極位于Y軸,幾何結構如圖。其中兩個電極置于腔體外壁(非侵入式),這也是較傳統流量計的結構優點。
        非絕緣管電磁流量計幾何圖
        2 非絕緣管電磁流量計權函數分析
        2.1 利用拉普拉斯方程求解權函數
                絕緣管電磁流量計是借助格林函數解拉普拉斯方程得到權函數的解析解。
                歐姆定律:歐姆定律公式1和公式2
                將式(1)代入式(2),得到電磁流量計的基本微分[10]方程:基本微方程式
         
                電導率均勻則有:公式4
         
                借用格林函數,得到絕緣管壁電磁流量計(長管)的解析解:公式5
         
                R1為絕緣管的半徑。但是對于非絕緣管壁方程(4)不成立,這是因為管壁的電導率與管內液體電導率不等。對于方程(3)很難利用解偏微分方程來得到非絕緣管壁的電磁流量計權函數。
         
        2.2 利用虛電流密度分布得到權函數分布權函數
        公式6
                模型中,電極可視為點電極。內壁上與之相對應點B(如圖1)的虛電流密度為(0<j<1),其在非絕緣管道上的投影為:
        公式7
        虛電流密度投影示意圖
                由歐姆定律可知:公式8
         
                其中:σ1為管壁的電導率。
                那么A點的電場強度:公式9
        20170717090414.jpg
               將式(8)、(9)代入式(7)得到非絕緣管壁上任意點的電流密度:公式10
         
               虛電流與σ1成正比,與h成反比。
         
        3 非絕緣管電磁流量計仿真
               選擇軟件COMSOL Multiphysics中AC/DC模塊對圖1模型進行仿真,磁場為赫姆霍茲線圈提供的均勻磁場。
         
        3.1 對不同電導率管壁流量計仿真
               R1=1,R2=0.6,電極材料選擇為不銹鋼,測量管內液體為25℃的水,電導率為1.0μs/cm。管壁為不同電導率的材料,得到不同權函數仿真結果。管壁材料電導率選擇為20170717090531.jpgs/m,如圖3(a),(b)為管壁材料與管內電導率相同時,都選為水,即管壁絕緣,得到仿真結果如圖,c為管壁材料電導率為20170717090543.jpg
        管壁電導率不同時權值分布仿真圖
               選擇圖1中5個點,計算各點的權值,并對其做了歸一化:W=Wi/WC(i=A,B,C,D,E)。數據計算結果如表1所示。
        不同電導率管壁流量計權值結果
               在這3種情形下,A點權值(約為2.1)**大,E點權值(約為0.5)**小。當管壁電導率與液體電導率不同時,在B點與D點的權值會發生突變。這反映了管壁電導率對權函數的影響。由表1可以看出,點B和D權值會隨著管壁電導率的增加而增加。當管壁的電導率和管內液體電導率相等時,B點值為1.8,D點值為0.7。這表明,虛電流會隨著管壁電導率的變化而變化。反過來說,虛電流密度與電導率成正比,這也驗證了公式(10)。
         不同管壁厚度時權值分布仿真圖
               在圖4中,管壁的電導率與管內液體電導率相同的情況正是傳統的絕緣管壁流量計,由仿真結果可知,利用虛電流得到權函數分布與解拉普拉斯方程得到其解析解的結果基本一致。這也驗證了,利用虛電流分布得到權函數分布的方法的正確性。
         
        3.2 對管壁厚度不同的流量計仿真
        對于管壁厚度不同的流量計,權函數分布是不同的。用上述方法,只改變管壁厚度h而材料不變即電導率均為11.7s/m,流量計內的液體仍為水,R1=1。得到不同的權函數。如圖4分別是為0.2,0.4,0.6時的權函數分布圖。
         
        計算圖2中的B,D兩點權值,并歸一化。得到表2中數據。
         不同壁厚流量計權值結果
                由圖可以得到,管壁厚度不同時,權函數分布是不同的。圖2中A點以及E點的權值仍然為**值處。表2表明,當管壁越厚,流量計內虛電流密度減小,即在B,D兩點權值減小。表2中的數據給出B點、D點的權值。驗證了公式(10)中,管壁厚度與虛電流密度成反比。
         
        4 實驗
               傳統電磁流量計電極材料常選為不銹鋼,管壁為聚四氟乙烯。實驗中采用柳桉木作為管壁材料,用不銹鋼釘作為電極,設計了新型的非絕緣管電磁流量計。管壁也可以采用石墨-聚四氟乙烯等材料。圖5為實驗裝置圖。
         實驗裝置圖
               水從下水箱由水泵抽至上水箱,水塔內設有溢流管道,當水箱內水位高出溢流管時,水將從上水箱流出,經下水管道、流量控制閥門及非絕緣管壁電磁流量計,**后流入下水箱,形成循環流動。根據設計要求,水通過溢出管道向下流出的速度快于水泵向上供水的速度,這樣可以確保上水箱內水的液位保持近似不變,從而使向下流經傳感器的水流平穩,以提供實驗所需的穩定流量。將傳感器樣機如圖5所示垂直安裝在循環系統中,保證在測量時傳感器處于滿管狀態。
         
               系統的硬件部分主要強調在對微弱信號進行放大的基礎上,能夠獲得穩定、準確的流速信號。勵磁模塊在微處理器的控制下產生用于測量流量的雙向交變磁場,為傳感器提供穩定的工作磁場。傳感器檢測的流量信號首先經過儀表放大器進行放大和濾波得到差分后的流量信號,然后通過對流量信號進行進一步的放大和濾波,放大調整后的信號經過V/F轉換電路進行量化處理,**后通過微處理器模塊進行采樣并計算得到流量信號及設置系統的各種參數、LCD顯示模塊與外部的實時通訊等。儀表放大器采用ANALOG公司的精密儀表放大器AD620。其具有高共模抑制比、高精度、低損耗、低功率等特點。信號經過儀表放大器處理后信號依然很小,同時信號中還含有直流漂移電壓,受到工頻干擾等。所以,需要對微弱的信號再進行放大處理的同時還需要將疊加在信號中的直流量去除。傳統的去除流量信號中的直流漂移量的方法是通過交流耦合的方式實現的,這種方法雖然簡單但是會引起真實信號的失真。當水流速為0m/s,傳感器輸出信號經放大后波形如圖6(a)所示。
        信號基本關系驗證
               通過圖(a)所示波形可知,信號非常穩定。當一切準備就緒后,開啟閥門,水箱中的水開始流動,傳感器輸出信號經轉換器輸出波形如圖6(b)所示。通過圖(b)可見,有效信號波形幅值為120mV。這部分實驗驗證了非絕緣管壁電磁流量計的基本信號關系,并且波形比較清晰。同時也驗證了測試系統可以正常工作。
         
                確定信號引出點存在流量信號后,接下來驗證信號的變化是否體現了管道內流體流速的變化。實驗中將已經標定過的電磁流量計(一級儀表)和非絕緣管壁電磁流量計串連在水循環系統管道上共同工作,前者作為標準表,后者作為待檢驗的測量儀表,在一定流速范圍內(0~2m/s)進行比對測量。將實際流速與測量流速比對如圖7,從圖7中可以看出,兩者有良好的線性關系。
        實際流速與測量流速對比圖
        5 結論
                權函數表示管道橫截面上不同位置流速對于流量計輸出信號的貢獻大小,權函數均勻則各點流速貢獻相同。在流量計設計中,總是希望得到不均勻度較小的權函數。由仿真結果可知,在非絕緣腔體與液體的交界處,虛電流密度為QQ截圖20170717092752.jpg(A/m2)可以得到對稱性較好的權函數。
                1)利用虛電流密度分布來求解權函數的方法是正確可行的;
                2)通過仿真以及分析,驗證公式(10)的正確性;
                3)非絕緣管壁電磁流量計的權函數會隨著管壁的電導率以及管壁厚度的變化而變化。當電導率增加時,同一點的權值會增加;當管壁厚度增加時,則權值會減小。
         
        本文提出的求解虛電流密度分布得到權函數分布的有限元方法對研究非絕緣管電磁流量計權函數具有十分重要的意義。該方法對研究電極及管壁污染對測量的影響也具有非常重要的意義。實驗證明這種新型的流量計性能是可靠,穩定的,可以廣泛應用于醫學,工業等領域。然而在數據優化等方面還需要做進一步的改善,希望有更多的人參與到完善這種方法的研究中。
        豪彩彩票