張瑤瑤 王月明 劉 孟

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院)

電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈不對稱測量信號的分析研究*

張瑤瑤 王月明 劉 孟

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院)

運(yùn)用有限元軟件對電磁流量計(jì)的勵(lì)磁線圈在實(shí)際制造中可能的不對稱問題進(jìn)行仿真研究，對它在測量區(qū)域引起的磁場分布進(jìn)行分析，并對造成的電磁流量計(jì)感應(yīng)信號進(jìn)行了分析，得到由勵(lì)磁線圈不對稱引起的測量誤差。

電磁流量計(jì) 勵(lì)磁線圈 不對稱 測量誤差

電磁流量計(jì)是一種重要的流量測量儀表。近年來，學(xué)者們對電磁流量計(jì)的研究在不斷深入，舒歡等對電磁流量計(jì)的電極與勵(lì)磁線圈不對稱誤差進(jìn)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(wěn)紙漿流量信號，提出了一種基于靜態(tài)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(jì)的電極與勵(lì)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(jì)的測量機(jī)理進(jìn)行了研究[4]，為電磁流量計(jì)在生產(chǎn)測井方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)，提出了一種電磁相關(guān)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(shù)模擬了傾斜線圈的電磁波傳播特性[8]；劉雪揚(yáng)等介紹了一種電磁傳感器的循跡特性，介紹通電導(dǎo)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(guān)系[9]。

電磁流量計(jì)的勵(lì)磁線圈在實(shí)際制造中可能不對稱，尤其在較大的電磁流量計(jì)傳感器制作過程中存在這個(gè)問題的可能性更大。但是，針對勵(lì)磁線圈可能存在的位置偏差情況進(jìn)行分析的文獻(xiàn)卻較少。筆者運(yùn)用有限元軟件Ansys對電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈不對稱問題建立磁場仿真模型，并在模型下進(jìn)行數(shù)值仿真分析勵(lì)磁線圈不對稱對電磁流量計(jì)測量區(qū)域磁場強(qiáng)度分布的影響，對因此而帶來的測量信號的變化進(jìn)行分析。

1 磁場評價(jià)指標(biāo)與電磁測量原理

文獻(xiàn)[5]對電磁流量計(jì)的磁場評價(jià)指標(biāo)做了描述，主要有樣本平均值、變異系數(shù)和均勻區(qū)域面積。為了考察勵(lì)磁線圈不對稱時(shí)電磁流量計(jì)測量信號的變化，引入文獻(xiàn)[5]中的磁場評價(jià)指標(biāo)來分析勵(lì)磁線圈不對稱[4,5]測量區(qū)域中的磁場變化情況，進(jìn)而研究瞬時(shí)感應(yīng)電勢值。

由Maxwell方程，并在一定的假設(shè)條件下，可得電磁流量計(jì)的感應(yīng)電勢值(即兩電極的電勢差)的表達(dá)式：

式中A——對所有空間積分；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L——絕緣管道筒長一半；

r——流量計(jì)截面管半徑；

V——導(dǎo)電流體的流速；

W——矢量權(quán)重函數(shù)[6]，它是一個(gè)只由電磁流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)決定的量。

可見，只要確定了V、B、W和r，就可以求得流量計(jì)的感應(yīng)電勢差。

2 仿真模型與仿真實(shí)驗(yàn)

2.1仿真模型

為了考查電磁流量計(jì)傳感器中勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不對稱問題，設(shè)定了如圖1所示的電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)Ansys仿真模型，Ansys仿真模型中只對電磁流量計(jì)傳感器測量電極截面進(jìn)行建模，兩個(gè)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(gòu)成直角坐標(biāo)系，管道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)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。

圖1 電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)Ansys仿真模型

2.2仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定電磁流量計(jì)左邊的(x負(fù)軸向)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不變，右邊的(x正軸向)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)安裝角度a分別為偏置0、5、10、15°，仿真勵(lì)磁線圈不對稱不同角度情況下對電磁流量計(jì)測量區(qū)域磁場強(qiáng)度分布的影響，結(jié)果如圖2所示。

可以看出，當(dāng)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)安置有所偏置時(shí)，電磁流量計(jì)測量區(qū)域內(nèi)部磁力線方向發(fā)生變化，偏置角越大，磁力線方向變化越大。

圖2 電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置Ansys仿真結(jié)果

圖3顯示了勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置角度為15°時(shí)測量區(qū)域的磁場分布，為節(jié)省篇幅，其他仿真圖略去?？梢?，當(dāng)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的偏置角不同時(shí)，x軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量值存在一定變化，但是無法給予數(shù)值上的分析結(jié)果，下面將用磁場評價(jià)指標(biāo)加以分析。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

3 仿真結(jié)果分析

為了詳實(shí)地考查電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置對流量計(jì)測量區(qū)域中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況的影響，運(yùn)用第1節(jié)介紹的磁場評價(jià)指標(biāo)對勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不同偏置角度下的磁場進(jìn)行分析。

圖4為勵(lì)磁線圈偏置角不同時(shí)的磁場強(qiáng)度分析結(jié)果，可以看出，在勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置時(shí)，電磁流量計(jì)測量區(qū)域的平均磁場有一定變化，偏置角度越大，測量區(qū)域的平均磁場越小。圖5為勵(lì)磁線圈偏置角不同時(shí)測量區(qū)域變異系數(shù)的分析結(jié)果，可以看出，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置角度越大，測量區(qū)域的磁場變異系數(shù)越大，即磁場強(qiáng)度分布波動性越大。

圖4 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不同偏置下磁場強(qiáng)度

圖5 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不同偏置下磁場變異系數(shù)

圖6為勵(lì)磁線圈偏置角不同時(shí)磁場強(qiáng)度在測量區(qū)域均勻面積分析，可以看出，在勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置時(shí)，電磁流量計(jì)測量區(qū)域的磁場均勻區(qū)域存在變化，偏置角度越大，測量區(qū)域的均勻區(qū)域越小，即測量區(qū)域測磁場均勻性越差。

圖6 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不同偏置下磁場均勻區(qū)域

圖7為勵(lì)磁線圈偏置角不同時(shí)電磁感應(yīng)信號的分析結(jié)果，流量計(jì)瞬時(shí)感應(yīng)信號是設(shè)定流體速度不變的情況下勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的偏置角不同時(shí)進(jìn)行的仿真?？梢钥闯?，在其他條件不變的情況下，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置角度越大，流量計(jì)感應(yīng)信號就越小。

圖7 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不同偏置下電磁感應(yīng)信號

由以上仿真結(jié)果分析：電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈存在偏置會造成電磁流量計(jì)測量區(qū)域中磁場分布變化，進(jìn)而給電磁流量計(jì)測量帶來一定的誤差。

4 結(jié)束語

運(yùn)用有限元軟件對電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)存在偏置進(jìn)行了建模仿真研究，通過模型分析了流量和不同勵(lì)磁結(jié)構(gòu)偏置情況下，電磁流量計(jì)磁場分布情況以及對流量計(jì)電極兩端獲取感應(yīng)信號大小影響情況的研究，進(jìn)而獲得由勵(lì)磁線圈不對稱引起的測量誤差。當(dāng)然，目前電磁流量計(jì)出廠前會進(jìn)行校準(zhǔn)，但是在較大測量管道的應(yīng)用中，實(shí)流校驗(yàn)成本較大，因此會選用干標(biāo)定等手段，這一過程中，勵(lì)磁線圈的不對稱會產(chǎn)生一定的測量誤差，筆者對此類問題進(jìn)行分析研究，為電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈不對稱安裝帶來的測量誤差提供理論研究。

[1] 舒歡,呂煥文,張小章.電磁流量計(jì)的電極與勵(lì)磁線圈不對稱誤差分析[J].計(jì)量技術(shù),2005,(6):3～4.

[2] 梁利平,徐科軍,許偉.基于靜態(tài)Haar小波變換的電磁流量傳感器非平穩(wěn)漿液流量信號分離方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(11):2626～2633.

[3] 張小章,李硯濤,何濤.含有一個(gè)氣泡時(shí)電磁流量計(jì)虛電流的三維特性[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2002,23(3):195～198.

[4] 王月明,孔令富，劉興斌,等.高流速兩相流下電磁流量計(jì)測量機(jī)理研究[J].測井技術(shù),2015,39(1):11～14.

[5] 王月明,孔令富,李英偉.電磁相關(guān)法流量測量傳感器勵(lì)磁線圈軸向長度設(shè)計(jì)研究[J].電子學(xué)報(bào),2014,42(5):978～981.

[6] 王月明,孔令富,劉興斌,等.電磁相關(guān)法流量測量傳感器檢測電極距離研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(7):49～52.

[7] 王月明,孔令富,劉興斌等.測井中油氣水多相流電磁相關(guān)法流量測量模型研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014,(11):108～110.

[8] 解茜草,孫超,仵杰.定向電磁波測井儀雙傾斜線圈系結(jié)構(gòu)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(2):36～38.

[9] 劉雪揚(yáng),張文斌,尹志宏.電磁傳感器的循跡特性分析[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(7):35～37.

TheAnalysisandStudyofAsymmetricMeasurementSignalsofElectromagneticFlowmeterExcitationCoil

ZHANG Yao-yao,WANG Yue-ming, LIU Meng

(SchoolofInformationEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology)

Applying finite element software to simulate and investigate the asymmetry of electromagnetic flowmeter excitation coil produced was implemented, including analysis of the magnetic field distribution caused by the excitation coil asymmetry in measurement region and that of the inductive signals of the electromagnetic flowmeter so as to obtain a measurement error caused by excitation coil asymmetry.

electromagnetic flowmeter, excitation coil, asymmetry, measurement error

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61463042)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016MS0611)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016QDL-S16)。

張瑤瑤(1989-)，助教，從事傳感器智能信息處理的研究，yy19890210@imust.cn。

TH814

A

1000-3932(2017)10-0940-04

2017-04-24，

2017-08-15)