運用有限元軟件ANSYS對電磁流量計中存在非導(dǎo)電物體建立的仿真模型，研究了不同內(nèi)徑 管道對電磁流量計敏感場響應(yīng)特性的影響，為電磁流量計測量兩相流時傳感器電極尺寸設(shè)計提供一定 的參考，也為電磁流量計在一定管徑下兩相流測量的誤差分析提供理論依據(jù)。
0、引言：
電磁流量計是一種利用電磁感應(yīng)原理進行測量 的儀表。電磁流量計應(yīng)用于多相流中時具有獨特的 優(yōu)點’如對流速分布不太敏感’管道中無阻礙流動的 部件等。近年來，在一些特殊領(lǐng)域中電磁流量計逐 步開始應(yīng)用于多相流流速的測量。許多學(xué)者對電磁 流量計在多相流的測量問題上開始了研究。張小章 在簡化的二維模型下分別求解了單個氣泡處于流量 計管軸線和橫截面不同位置時虛電流的分布情況，并對流體中含有一個氣泡時電磁流量計虛電 流的三維特性進行了研究;Jae-EunCha等運用2個 流量計來計算空隙率的大小;王月明等對電磁流量 法測量油氣水多相流進行了一系列的研究。
本文運用有限元軟件ANSYS對電磁流量計中存 在非導(dǎo)電物體建立仿真模型，在此模型下研究了流量 計傳感器的管直徑大小與非導(dǎo)電物質(zhì)大小變化對流 量計敏感場影響。研究結(jié)果可為電磁流量計在一定 管徑下兩相流測量誤差提供一定的分析依據(jù)。
1、敏感場靈敏度定義：
當(dāng)導(dǎo)電流體流過外加磁場時，作切割磁力線運 動。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,通過測量感應(yīng)電動勢 的值來求出流體速度和流量。這就是電磁流量計測 量流量的基本原理。當(dāng)流體中出現(xiàn)非導(dǎo)電物質(zhì)時，會 使感應(yīng)電動勢的分布發(fā)生變化。電磁流量計的基本 方程：
虛電流是電磁流量計理論中一個重要的量。它 決定著電磁流量計測量區(qū)域權(quán)重函數(shù)分布情況。 也就決定著電磁流量計內(nèi)部敏感場分布情況。
為了定量地考查電磁流量計內(nèi)部非導(dǎo)電物質(zhì)對 電磁流量計敏感場的分布影響,定義C為敏感場靈敏 度,其定義如式(3)所示：
為了清晰地描述電磁流量計中流體中存在非導(dǎo) 電物質(zhì)時，電磁流量計的響應(yīng)特性情況，運用敏感場 靈敏度c來刻畫這一響應(yīng)結(jié)果。
2、仿真模型及仿真實驗：
2.1、仿真模型：
仿真實驗是在ANSYS環(huán)境下進行的，為了考查電 磁流量計傳感器中不同管徑大小對流量計存在非導(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仿真模型中只對電磁流量 計中的流體進行建模，2個電極中心方向稱為x軸，2 個電極相距為2R，流體中心軸稱為y軸，x軸與y軸構(gòu) 成直角坐標(biāo)系，兩軸交匯點為坐標(biāo)原點，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)由流體底部進人，沿著y軸隨著上升的流體向上運 動，仿真實驗對電磁流量計中流體的虛電流進行考 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對流量計 響應(yīng)特性影響情況。 電流進行考查，以獲得流體中相同大小非導(dǎo)電物質(zhì)對不 同半徑管道的電磁流量計敏感場影響情況。
圖1 ANSTS仿真模型
2.2仿真實驗
仿真實驗中，設(shè)定通過電磁流量計的非導(dǎo)電物質(zhì)大 小不變，流量計內(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)通過電磁流量計的中心軸，對電磁流量計中流體的虛電流進行考查，以獲得流體中相同大小非導(dǎo)電物質(zhì)對不 同半徑管道的電磁流量計敏感場影響情況。
為了節(jié)省篇幅，這里只顯示其中一個實驗的部分 仿真圖，如圖2所示。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不同管徑 大小對電磁流量計的虛電流分布是有一定影響的，但 這些分布性的仿真結(jié)果無法較好地在數(shù)值上給予電 極大小與管徑變化對流量計敏感場影響大小情況的 說明。下面將在仿真結(jié)果分析中通過敏感場靈敏度c 對仿真數(shù)據(jù)分析。
3、仿真結(jié)果分析：
為了詳實地考查管直徑變化下對流量計敏感場 靈敏度影響，運用敏感場靈敏度c分別對每個仿真實 驗進行分析并對比實驗結(jié)果。
圖3為不同大小內(nèi)徑管道與流量計敏感場靈敏度 關(guān)系圖，橫軸表示非導(dǎo)電物質(zhì)在電磁流量計y軸的位 置，縱軸為敏感場靈敏度c，圖中各條線分別代表了不 同測量管徑大小時非導(dǎo)電物質(zhì)在不同位置時敏感場 靈敏度c的變化情況。
對于半徑一定的（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）附近非導(dǎo)電物質(zhì) 對電磁流量計的敏感場靈敏度c的響應(yīng)特性就越小， 仿真實驗也可以說明，當(dāng)電磁流量計管道半徑變小 時，非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈敏度影響在電極(y軸坐標(biāo)原點）附近變化是比較快的；流量計管 道半徑變大時，非導(dǎo)電物質(zhì)對電磁流量計的敏感場靈 敏度影響在電極附近變化變得緩慢。仿真實驗可得 出：在電磁流量計電極一定時，根據(jù)測量流體中非導(dǎo) 電物質(zhì)的大小以及電磁流量計管道半徑可以估計出 該電磁流量計的兩相流測量精度（敏感場靈敏度響應(yīng) 情況），為測量兩相流的電磁流量計傳感器誤差分析 提供一定分析依據(jù)。
電磁流量計對于管道安裝的要求：
電磁流量計現(xiàn)場安裝需要注意很多事項，否則會導(dǎo)致流量儀表計量不準(zhǔn)，因此，客戶在購買電磁流量計時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)流動和傳感器停止流動時檢查和調(diào)整零點，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)電極污染程度來校正測量值，或確定一個不影響測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。對于管徑大于1．5～1．6m，測量原水等易沉積的管系在電磁流量計附近管道上，預(yù)置人孔，以便管系停止運動時清洗傳感器
測量管內(nèi)壁。
2．管系進口處理
流程工業(yè)的管道系統(tǒng)進口常接于容器或高位槽，公用事業(yè)管道系統(tǒng)進口常接于水池或河渠，進口必須在液（水）面下有2～5倍進口管直徑的距離。若相距過近，吸入口會產(chǎn)生漩渦，卷入液體與空氣交界面的空氣，隨漩渦進入管道，影響正常測量。
3．手動或自動排氣閥的安裝
液體在管中流動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或次高點，極易積集于水平管道上部和流量傳感器測量管內(nèi)，電磁流量計會出現(xiàn)輸出晃動等故障現(xiàn)象. 為便于檢查故障原因和排除積聚氣體，應(yīng)在高點或次高點的流量傳感器下游附近設(shè)置手動排氣閥，定期檢查和排氣。若管系發(fā)生氣泡概率較高或經(jīng)?；煊袣馀荩瑒t應(yīng)在流***傳感器上游設(shè)置集氣罐和自動排氣閥，這一技術(shù)措施對于測量江河汲取原水的中大型電磁流量計極為重要，因為這類應(yīng)用場所往往含有氣泡。某儀表制造廠近年在原水應(yīng)用現(xiàn)場服務(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。如傳感器裝在有陰極腐蝕保護管道上，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，使陰極保護電流與傳感器之間隔離。有時候雜散電流過大，如電解槽沿著電解液的漏電流影響電磁流量計正常測量，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。同樣有陰極保護的管線上，陰極保護電流影響電磁流量計測量時，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，實際生產(chǎn)中中管道式電磁流量計的使用量更為大一點，我們在分析電磁流量計的測量度發(fā)生改變的現(xiàn)象之前，有必要對于管道式電磁流量計的結(jié)構(gòu)作一個大致的介紹，電磁流量計的結(jié)構(gòu)主要由磁路系統(tǒng)、測量導(dǎo)管、電極、外殼、襯里和轉(zhuǎn)換器這幾個部分組成，每一個部分對于測量精度的保證都有不同的要求，我們在選擇產(chǎn)品類型時要根據(jù)我們測量環(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工作的核心部件：作用原理是系統(tǒng)會產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場。直流磁路用磁鐵來實現(xiàn)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，受交流磁場的干擾較小，但它易使通過測量導(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，磁鐵相應(yīng)也很大，笨重且不經(jīng)濟，所以管道式電磁流量計一般采用交變磁場，且是50HZ工頻電源激勵產(chǎn)生的。
測量導(dǎo)管：有了測量導(dǎo)管才能夠讓被測的導(dǎo)電性液體通過，籍此產(chǎn)生相應(yīng)的流量數(shù)據(jù)。測量導(dǎo)管的物理性質(zhì)也會直接對測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生影響，為了使磁力線通過測量導(dǎo)管時磁通量被分流或短路，測量導(dǎo)管必須采用不導(dǎo)磁、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率和具有一定機械強度的材料制成，可選用不導(dǎo)磁的不銹鋼、玻璃鋼、高強度塑料、鋁等。
測量電極是直接與所測液體介質(zhì)接觸，通過其產(chǎn)生并引出和被測量成正比的感應(yīng)電勢信號。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量精度。并且長期的使用過程中若是測量介質(zhì)容易沾污電極或在測量管壁內(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，是分配制度勵磁線圈的外罩，并隔離外磁場的干擾。
襯里：在測量導(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。它直接接觸被測液體，其作用是增加測量導(dǎo)管的耐腐蝕性，防止感應(yīng)電勢被金屬測量導(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：由液體流動產(chǎn)生的感應(yīng)電勢信號十分微弱，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)電勢信號放大并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號并抑制主要的干擾信號。其任務(wù)是把電極檢測到的感應(yīng)電勢信號Ex經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號。
一般情況下，只要造型恰當(dāng)，工作條件理想，管道式電磁流量計的工作都是比較可靠的。不過長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“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，測量“基準(zhǔn)電壓”（儀表出廠時一般都提供此數(shù)據(jù)），與儀表出廠時的數(shù)據(jù)相比較，若有問題，則斷開電源、斷開轉(zhuǎn)換器、檢查2個電極分別對“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個或2個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)問題后可以對癥處理。
(3) 傳感器的測量管內(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)了強磁場干擾（如 電機、變壓器、電焊機等），證實后即可對癥處理。
如果是外界電磁場干擾，可以把干擾源移出，不行時，則可以在管道式電磁流量計的外殼上加“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，則要改變安裝地點或者在流量計的下游加裝閥門、提高其背壓，使測量管內(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），如果檢查出來是因為電極被粘附、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：
本文運用有限元軟件對流體中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時 對電磁流量計敏感場響應(yīng)特性進行建模仿真，通過模型 分析了流量計管道內(nèi)徑大小與流量計的敏感場靈敏度 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 兩相流測量的誤差分析提供一定的理論依據(jù)。
