運(yùn)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(jìn)行測量 的儀表。電磁流量計應(yīng)用于多相流中時具有獨(dú)特的 優(yōu)點(diǎn)’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(jìn)行了研究;Jae-EunCha等運(yùn)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(jìn)行了一系列的研究。

本文運(yùn)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(yùn) 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(yùn)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(shí)驗(yàn)

2.1仿真模型

仿真實(shí)驗(yàn)是在ANSYS環(huán)境下進(jìn)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(jìn)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(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，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(jìn)人，沿著y軸隨著上升的流體向上運(yùn) 動，仿真實(shí)驗(yàn)對電磁流量計中流體的虛電流進(jìn)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(jìn)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。

2.2仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)地考查管直徑變化下對流量計敏感場 靈敏度影響，運(yùn)用敏感場靈敏度c分別對每個仿真實(shí) 驗(yàn)進(jìn)行分析并對比實(shí)驗(yàn)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(diǎn)）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(shí)驗(yàn)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(diǎn)）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(shí)驗(yàn)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)。

4.結(jié)束語

本文運(yùn)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(jìn)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)。