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        電磁流量計勵磁線圈不對稱測量信號的分析研究

        來源:作者:發表時間:2017-11-09 09:53:06

         摘 要 運用有限元軟件對電磁流量計的勵磁線圈在實際制造中可能的不對稱問題進行仿真研究,對它在測量區域引起的磁場分布進行分析,并對造成的電磁流量計感應信號進行了分析,得到由勵磁線圈不對稱引起的測量誤差。

         
        電磁流量計是一種重要的流量測量儀表。近年來,學者們對電磁流量計的研究在不斷深入:
                舒歡等對電磁流量計的電極與勵磁線圈不對稱誤差進行了理論研究[1] ;
                梁利平等為了處理電磁流量傳感器的非平穩紙漿流量信號,提出了一種基于靜態 Haar 小波變換的漿液流量信號分離方法,能夠完整地分離出流量信號和漿液噪聲波形 [2];
                張小章等研究了氣泡引起的電磁流量計的電極與勵磁線圈不對稱誤差[3] ;
                王月明等對高流速兩相流下電磁流量計的測量機理進行了研究 [4] ;
                為電磁流量計在生產測井方面的應用提供理論依據,提出了一種電磁相關法流量測量傳感器并展開了研究[5 ~7] ;
                解茜草等采用磁流源并矢 Green 函數模擬了傾斜線圈的電磁波傳播特性 [8] ;
                劉雪揚等介紹了一種電磁傳感器的循跡特性,介紹通電導線周圍電磁場的模型,并用 Matlab 分析出磁場模型、電磁傳感器高度和水平距離的關系 [9];
                電磁流量計的勵磁線圈在實際制造中可能不對稱,尤其在較大的電磁流量計傳感器制作過程中存在這個問題的可能性更大。但是,針對勵磁線圈可能存在的位置偏差情況進行分析的文獻卻較少。筆者運用有限元軟件 Ansys 對電磁流量計勵磁線圈不對稱問題建立磁場仿真模型,并在模型下進行數值仿真分析勵磁線圈不對稱對電磁流量計測量區域磁場強度分布的影響,對因此而帶來的測量信號的變化進行分析。
         
        1 磁場評價指標與電磁測量原理
                文獻[5]對電磁流量計的磁場評價指標做了描述,主要有樣本平均值、變異系數和均勻區域面積。為了考察勵磁線圈不對稱時電磁流量計測量信號的變化,引入文獻[5]中的磁場評價指標來分析勵磁線圈不對稱 [4,5] 測量區域中的磁場變化情況,進而研究瞬時感應電勢值。
         
                均勻區域面積就是在測量區域中,中心點的磁場強度設為標準值 Boo ,設定該區域中的其他點磁場強度為 Bxy ,滿足20171109095404.jpg在測量區域中所占的面積為均勻區域面積。
         
                變異系數又稱“標準差率”,是衡量資料中各觀測值變異程度的另一個統計量。標準變異系數是一組數據的變異指標與其平均指標之比,為相對變異指標,即 CV =樣本標準差 s/樣本平均值 x。
         
                由 Maxwell 方程,并在一定的假設條件下,可得電磁流量計的感應電勢值(即兩電極的電勢差)的表達式:
        20171109095412.jpg
        式中 A ———對所有空間積分;
                B ———磁感應強度;
                L ———絕緣管道筒長一半;
                r ———流量計截面管半徑;
                V ———導電流體的流速;
                W———矢量權重函數[6] ,它是一個只由電磁流量計本身結構決定的量。
                可見,只要確定了 V、B、W 和 r,就可以求得流量計的感應電勢差。
         
        2 仿真模型與仿真實驗
        2.1 仿真模型
                為了考查電磁流量計傳感器中勵磁結構不對稱問題,設定了如圖 1 所示的電磁流量計勵磁結構 Ansys 仿真模型,Ansys 仿真模型中只對電磁流量計傳感器測量電極截面進行建模,兩個電極中心方向稱為 y 軸,過測量管道中心垂直 y 軸的為 x軸,x 軸與 y 軸構成直角坐標系,管道中心為坐標原點 o,線圈邊緣與 x 軸的夾角分別為 a 與 b,磁芯邊緣與 x 軸的夾角為 b。
        電磁流量計勵磁結構 Ansys 仿真模型
        2.2 仿真實驗
                仿真實驗中,設定電磁流量計左邊的(x 負軸向)勵磁結構不變,右邊的(x 正軸向)的勵磁結構安裝角度 a 分別為偏置 0、5、10、15°,仿真勵磁線圈不對稱不同角度情況下對電磁流量計測量區域磁場強度分布的影響,結果如圖 2 所示。
         
                可以看出,當勵磁結構安置有所偏置時,電磁流量計測量區域內部磁力線方向發生變化,偏置角越大,磁力線方向變化越大。
        電磁流量計勵磁結構偏置 Ansys 仿真結果
                圖 3 顯示了勵磁結構偏置角度為 15°時測量區域的磁場分布,為節省篇幅,其他仿真圖略去。可見,當勵磁結構的偏置角不同時,x 軸方向的磁感應強度矢量值存在一定變化,但是無法給予數值上的分析結果,下面將用磁場評價指標加以分析。
        磁感應強度分布
        3 仿真結果分析
                為了詳實地考查電磁流量計勵磁結構偏置對流量計測量區域中磁感應強度分布情況的影響,運用第 1 節介紹的磁場評價指標對勵磁結構不同偏置角度下的磁場進行分析。
        勵磁結構不同偏置下磁場強度勵磁結構不同偏置下磁場變異系數
                圖 4 為勵磁線圈偏置角不同時的磁場強度分析結果,可以看出,在勵磁結構偏置時,電磁流量計測量區域的平均磁場有一定變化,偏置角度越大,測量區域的平均磁場越小。圖 5 為勵磁線圈偏置角不同時測量區域變異系數的分析結果,可以看出,勵磁結構偏置角度越大,測量區域的磁場變異系數越大,即磁場強度分布波動性越大。
        勵磁結構不同偏置下磁場均勻區域
                圖 6 為勵磁線圈偏置角不同時磁場強度在測量區域均勻面積分析,可以看出,在勵磁結構偏置時,電磁流量計測量區域的磁場均勻區域存在變化,偏置角度越大,測量區域的均勻區域越小,即測量區域測磁場均勻性越差。
        勵磁結構不同偏置下電磁感應信號
                圖 7 為勵磁線圈偏置角不同時電磁感應信號的分析結果,流量計瞬時感應信號是設定流體速度不變的情況下勵磁結構的偏置角不同時進行的仿真。可以看出,在其他條件不變的情況下,勵磁結構偏置角度越大,流量計感應信號就越小。
         
                由以上仿真結果分析:電磁流量計勵磁線圈存在偏置會造成電磁流量計測量區域中磁場分布變化,進而給電磁流量計測量帶來一定的誤差。
         
        4 結束語
                運用有限元軟件對電磁流量計勵磁結構存在偏置進行了建模仿真研究,通過模型分析了流量和不同勵磁結構偏置情況下,電磁流量計磁場分布情況以及對流量計電極兩端獲取感應信號大小影響情況的研究,進而獲得由勵磁線圈不對稱引起的測量誤差。當然,目前電磁流量計出廠前會進行校準,但是在較大測量管道的應用中,實流校驗成本較大,因此會選用干標定等手段,這一過程中,勵磁線圈的不對稱會產生一定的測量誤差,筆者對此類問題進行分析研究,為電磁流量計勵磁線圈不對稱安裝帶來的測量誤差提供理論研究。
         
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