浅谈插入式电磁流量计的信号和其有效范围

　　随着流量计量行业的发展，插入式电磁流量计广泛应用于大口径管道流量的测量，具有成本低，安装维护方便的优点。虽然插入式电磁流量计测量是点测量，但是探针插入管道中，即传感器上的两个电极收集信号，并且检测特定区域中的流体信息。

　　如今，大多数人使用流体力学（CFD）来模拟流场。最广泛使用的数值解是有限体积法。本文中使用的仿真软件FLU-ENT就是基于此。然而，当许多人使用CFD方法来模拟插入式电磁流量计的流场时，通常无法确定其在管道中的计算域，这使得其信号模拟难以实现。针对这种情况，本文采用FLUENT软件对管道中的流场进行三维数值模拟，提出了信号范围的概念和确定方法。

1、基本原则

1.1、信号范围的定义

　　根据插入式电磁流量计的工作原理，离电极越远，磁感应强度越弱;当距离远时，由流体切割磁力线产生的电动势对流体来说是弱的测试结果有影响

　　因此，对于大直径管道，插入式电磁流量计的传感器电极检测到的流量信号实际上是待测管道中传感器探头附近某个空间区域的电信号，并不包括整个管道。因此，本文明确定义了信号的范围。信号动作范围是指电极附近的某个空间区域。由该区域中的导电流体切割磁感应线产生的电动势在流量检测结果中起决定性作用。

1.2、等效半径R的定义

　　在流场中，信号越强，电极越容易接收。在场中的每个点处产生的信号的幅度与流过该点的流速有关。插入式电磁流量计由于插入探针而改变了流场分布。因此，可以看出，电极不会在它们周围的相等距离处收集有效信号，即，实际信号范围是不规则的。为便于研究，等效信号范围由以下方法定义。围绕电极具有半径R的球形区域VR等于实际信号范围对信号的贡献，即满足等式（1）。

　　在等式（1）中，Π是通过切割对信号的磁力线影响流体在流场中的实际贡献。在整个区域中，VR是电极是球体中心的区域，其半径R定义为等效半径，Φ（x，y，z）是由流体单位体积贡献的信号。在流动空间。只要确定等效半径R，就可以表征等效信号范围VR。

1.3、等效半径R研究方法

根据体积流量的计算公式，可以知道：

　　在公式（2）中，U指的是部分A的平均流速。仪表测量期间的实际检测流速应该是信号范围内的总平均流速。仪表的转换系数K可以通过标准装置验证获得，并且信号范围内的总平均流速可以转换成电极位置处的电极的最小位置。横截面的平均流速（称为最小横截面），从而计算流量值。因此，在模拟中，信号范围内的平均流速可以用最小横截面的平均流速代替。通过该原理，可以求解和验证信号范围。

1. 4、等效半径R分析步骤

　　为了确定等效半径R，FLUENT软件用于数值模拟插入探头的大直径管道。

步骤是：

①、找到一定的流速U，而不是相同区域的半径r与半径球形区域中的平均流速之间的关系; 

②、根据连续性方程得到最小截面的理论平均流速; 

③、插值方法用于确定流入速度信号范围的等效半径R; 4改变流速重复此模拟实验。

2确定信号动作范围的方法

2. 1、确定计算域

　　为了保证电网的质量，选择结构范围广，结构相对简单的圆柱形双电极探头作为仿真对象，计算域如图1所示。在保证的基础上前后直管段，水在常温常压下设为流动介质，入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，选择标准k-ε模型作为湍流模型，经验常数C1ε，C2ε，C，湍动能和耗散率分别取为1.0和1.3。

　　根据信号范围的概念，只要探头能够检测到流量信号，表明该位置的流量必须在磁场范围内，计算域中的平均速度为：

　　在等式（3）中，Vr是计算区域，并且u（x，y，z）是速度函数。数。

　　插入式电磁流量计计算域示意图

2. 2、求解最小横截面理论流量

　　研究的背景是用于测量大直径管道流量的插入式电磁流量计。因此，所使用的管道模型是具有以下尺寸的大直径管：管内径为400mm，探针半径为32mm，电极半径为5mm，探针的插入深度为120mm。

　　从连续性方程：

　　在等式（4）中，U是实际流入速度，A1是管的横截面积，U1是最小横截面的理论流速，A2是最小横截面积。

　　使用GAMBIT软件构建模型，您可以直接获得A2 = 117 961. 70 mm2。当采用0.5至10m / s范围内的速度速度时，可以根据公式（4）获得在不同流入速度下流过最小横截面的理论流速ū1。

2. 3、计算域中的平均流速与计算的域半径之间的关系

　　计算域的半径在10到80mm的范围内。模型分别由GAMBIT软件建立，然后由FLUENT软件模拟，得到不同半径对应计算域的体积加权平均流速，如表1所示。

　　从表1中的数据可以看出，随着计算域的半径增加，计算域中的平均流速逐渐减小。这是因为当计算域的半径小时，探头附近的湍流活动相对强烈，导致该区域的流量过大;当计算域的半径较大时，最外区域的流体流动减弱，即那些区域在信号中不起决定作用，导致平均流量太小，也表明等效信号范围的存在。

　　为了在不同的流入速度下获得等效半径，MATLAB用于为每组数据插入相应的理论流速，并获得表2中所示的数据。

2.4、测定R.

　　从表2可以看出，虽然流入速度不同，但相应的等效半径之间的差异也不大可以说它非常接近。比较计算的域半径和任何不同流速下的流速，如图2所示。从图中可以看出，虽然流速不同，但计算域的半径是相同的，即，横坐标是均匀的，曲线的形状非常相似。因此，可以认为等效半径的大小与进入的流速无关。

　　从以上分析可以得出结论，等效半径R是固定值，即，所获得的等效信号范围是固定值。也就是说，在流量传感器的磁路系统不变化的情况下，等效信号的范围不随流速的变化而变化。

　　为了减少计算误差并增加数据的置信度，表3中的等效半径的平均值被平均以获得R，即：

　　在任何两种流速下比较插入式电磁流量计的信号范围

3、实验结果和仿真结果分析

　　为了验证通过上述方法获得的插入式电磁流量计的等效信号范围的可靠性，将传感器探头的形状加工成流量计原型，用于在直径为400mm的管道上进行流量测量，并且插入深度也保持不变。在120毫米。测量的体积流量和模拟的流量比较量，如表3所示，其中用于计算模拟流量指示的流量是在上面获得的等效信号范围内的平均流量ū。

　　从表3中的数据可以看出，原型测量的流量与模拟流量之间的误差很小，最大指示误差不超过-0.78％，这充分证明了可以使用等效信号。平均流量取代了待测管道横截面中平均流速的可行性，即验证了等效信号范围的存在和确定方法的正确性。

4、结论

　　CFD方法用于模拟插入式电磁流量计的大直径管道的流场。与实验数据的比较表明，CFD方法用于确定信号范围的可行性。并且可以得出结论，信号范围由插入式电磁流量计的硬件决定。一旦制造插入式电磁流量计，就确定等效信号范围，并且不受流体流速的影响。影响;但是当磁路系统发生变化时，信号动作范围的大小也会发生变化。这可以在将插入式电磁流量计插入管道后更好地分析流场。