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1962年提出了電磁流量計權(quán)重函數(shù)理論，較好地解釋了電極所在平面上不同點的液體流速對傳感器輸出信號的貢獻。在此后的電磁流量計研究過程中，研究者依據(jù)權(quán)重函數(shù)理論對電磁流量計技術(shù)進行了深入的研究，如SmythCC等人采用復(fù)變函數(shù)映射和Green定律求出圓管和矩形管下不同電極電磁流量計的權(quán)重函數(shù)和輸出信號，O’Sullivan和Al-KhazrajitYA等人對多電極和大電極電磁流量計權(quán)重函數(shù)進行了相應(yīng)的研究。
現(xiàn)有研究資料表明，電磁流量計權(quán)重函數(shù)的研究前提是假設(shè)在滿管狀態(tài)下管內(nèi)流速呈軸對稱分布，而對用于非滿管測量的電磁流量計權(quán)重函數(shù)還沒有作較為完整的理論研究。本文采用有限元數(shù)值分析方法，對長弧形電極非滿管電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)進行了研究，給出了不同液位下的權(quán)重函數(shù)分布圖譜，從而為非滿管電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及標(biāo)定提供了理論依據(jù)。
1 權(quán)重函數(shù)有限元數(shù)值計算
1.1 權(quán)重函數(shù)求解算法
長筒式電磁流量計物理模型如圖1所示。
由圖1可知，被測流體沿流量計測量管的Z軸方向流動，電磁流量計勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生磁場。在流量計測量管內(nèi)壁裝有電極a和電極b，用于測量流體作切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。
ShercliffJA首先對普通長筒式電磁流量計進行了系統(tǒng)的分析，提出了權(quán)重函數(shù)理論。Bevir于1970年對權(quán)重函數(shù)作了進一步闡述，在相應(yīng)的假設(shè)條件下，給出了電磁流量測量基本方程的積分形式，即：
式中：τ為所有流動的流體空間體積；（Ua－Ub）為電磁流量傳感器測量電壓；v為管內(nèi)流體的流速；B為磁場強度；W為權(quán)重函數(shù)。
W的計算式為：
W=Bj （2）
式中：j為虛電流密度，它是Bevir引入的一個重要概念，其值由電磁流量傳感器的電極結(jié)構(gòu)形式和測量管內(nèi)壁的電邊界條件決定。
j表示的物理意義是：如果假定流體為靜止不動，同時有單位電流從流量計正電極流入被測流體并從負電極流出，由于這種電流實際不存在，故稱為虛電流。虛電流密度j和磁場強度B可進一步用勢函數(shù)來表示，即：
j=-ÑG（3）
B=-ÑF（4）
W可表示為：
式中：G和F為引入的標(biāo)量勢函數(shù)。
由于在傳感器測量管內(nèi)只有被測流體，沒有電源和磁源，則在非滿管傳感器被測流體截面內(nèi)勢函數(shù)滿足Laplace方程，即：
權(quán)重函數(shù)由勢函數(shù)G和F決定，故求解權(quán)重函數(shù)變成求解勢函數(shù)G和F的邊值問題。根據(jù)給定的邊值條件，求解式（6）可得勢函數(shù)G和F的分布，再根據(jù)G和F得到虛電流密度j和磁場B的分布，從而求得權(quán)重函數(shù)W。
如果流速為軸向直線流（沿Z軸），則根據(jù)式（2）可得：
式中：jX、jY和BX、BY分別為X軸方向和Y軸方向的虛電流密度和磁場強度分布。
若電磁流量計測量管內(nèi)磁場方向沿X軸方向，且沿Y軸方向的磁場BY=0，則權(quán)重函數(shù)可以表示為：
同樣地，如果磁場方向沿Y軸方向，且沿X軸方向的磁場BX=0，則權(quán)重函數(shù)可以表示為：
因此，根據(jù)電磁流量計測量管內(nèi)虛電流和磁場強度即可求得權(quán)重函數(shù)。
1.2 權(quán)重函數(shù)有限元數(shù)值求解
在一定的傳感器結(jié)構(gòu)下，測量管內(nèi)的虛電流密度和磁場強度的分布可通過有限元數(shù)值分析方法求取，從而實現(xiàn)數(shù)值分析方法求取權(quán)重函數(shù)。若勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場在傳感器測量管內(nèi)呈均勻分布，且磁場方向沿X軸方向，由式（8）可知WZ∝jY，則通過求解虛電流密度分布即可得到傳感器權(quán)重函數(shù)。以普通的長筒電磁流量計為例，利用ANSYS有限方法求解權(quán)重函數(shù)的過程和結(jié)果如下。
①有限元求解二維模型的建立
模型建立步驟包括設(shè)置求解區(qū)域、定義求解單元類型、材料特性和初始參數(shù)設(shè)置等。在此，將傳感器測量管半徑設(shè)置為50cm、點電極直徑設(shè)置為5mm、電單元類型選擇PLANE230，電極選擇不銹鋼材料、電阻率設(shè)置為1.75×10-8Ω·m、液體電阻率設(shè)置為1.8×10-3Ω·m。
②有限元求解
有限元求解包括網(wǎng)格劃分、施加邊界條件和載荷、求解器設(shè)置等。采用自由網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，得到傳感器求解域的網(wǎng)格模型如圖2所示。
圖2 傳感器網(wǎng)格模型
求解類型選擇穩(wěn)態(tài)分析，求解器類型選擇波前解算器。邊界條件設(shè)置如下：測量管為絕緣管壁，因而管壁處有∂G/∂n=0，無電荷泄漏；電極為導(dǎo)電體，其表面電位為等勢電位。
③結(jié)果數(shù)據(jù)輸出及顯示
對求解得到的虛電流密度數(shù)進行數(shù)據(jù)分析處理，*終得到傳感器權(quán)重函數(shù)。采用有限元計算得到的長筒式電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)數(shù)據(jù)分布和通過解析法得到的權(quán)重函數(shù)數(shù)據(jù)分布分別。
采用有限元數(shù)值計算得到的長筒式電磁流量計權(quán)重函數(shù)與采用解析法得到的權(quán)重函數(shù)數(shù)據(jù)非常接近，兩者之間的數(shù)據(jù)偏差與網(wǎng)格密度和邊界條件設(shè)置等因素有關(guān)。上述分析結(jié)果也證明了采用有限元計算電磁流量計權(quán)重函數(shù)是高效、可行的研究方法，它為優(yōu)化非滿管電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。
2 非滿管電磁流量傳感器
2.1 非滿管電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計了一種具有長弧形電極的非滿管電磁流量傳感器。
非滿管電磁流量傳感器測量管壁上設(shè)有一對長弧形電極，作為流速和液位信號的測量電極；傳感器底部設(shè)有一對激勵電極，用于施加液位測量的電壓激勵信號。傳感器對非滿管內(nèi)的液體流速和液位實行分時測量，得到非滿管內(nèi)流體的流速和液位高度值。根據(jù)測得的流速和液位值，可計算得到非滿管內(nèi)流體的體積流量，從而實現(xiàn)對非滿管流量的測量功能。
2.2 權(quán)重函數(shù)有限元計算
權(quán)重函數(shù)反映了管內(nèi)液體介質(zhì)單元在磁場下運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電勢對電磁流量傳感器流量信號貢獻能力的大小，即電磁流量傳感器測量信號是所有介質(zhì)單元按不同權(quán)重數(shù)對傳感器貢獻的總和。當(dāng)非滿管內(nèi)液體介質(zhì)區(qū)域發(fā)生變化，即管內(nèi)充滿度變化時，傳感器權(quán)重函數(shù)將隨之改變。
平均權(quán)重函數(shù)的計算公式為：
根據(jù)所定義的平均權(quán)重函數(shù)計算公式，求得長弧形電極非滿管電磁流量傳感器在不同充滿度下的平均權(quán)重函數(shù)變化如圖4所示。
為研究長弧形電極非滿管電磁流量傳感器流速測量特性，需要計算在不同液體充滿度條件下的傳感器權(quán)重函數(shù)。在此，取充滿度α在0.1～1.0之間的10個樣本，在均勻磁場的條件下，利用有限元方法對長弧形電極非滿管電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)進行計算，在不同充滿度下，所得到的非管電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)分布如圖5所示。
本文采用有限元數(shù)值分析方法，對長弧形電極非滿管電磁流量計權(quán)重函數(shù)進行分析計算，得出了不同充滿度下非滿管傳感器權(quán)重函數(shù)值。計算結(jié)果表明，非滿管電磁流量傳感器權(quán)重函數(shù)受管內(nèi)液位變化的影響。權(quán)重函數(shù)隨液位變化使得傳感器在進行非滿管流體流速測量時，傳感器的輸出信號不僅和流速有關(guān)，而且還和液位有關(guān)。因此，非滿管傳感器流速測量的標(biāo)定系數(shù)將與液位呈復(fù)雜函數(shù)關(guān)系，不再為常值。這一結(jié)論為非滿管電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及傳感器標(biāo)定提供了理論指導(dǎo)。
