异径管道下电磁流量计流场动力学计算与分析研究

许德福 李晓宇

(新疆维吾尔自治区计量测试研究院，乌鲁木齐 830000)



异径管道下电磁流量计流场动力学计算与分析研究

许德福 李晓宇

(新疆维吾尔自治区计量测试研究院，乌鲁木齐 830000)

利用专业的流场动力学计算分析软件，通过建立异径电磁流量计流场的模型，计算分析异径条件下电磁流量计流场的动力学特性。计算研究表明：异径条件下流场的入口流速，电极之间的距离对流场中心点的速度，进出口压力损失都具有比较大的影响。通过研究分析不同参数下流场特性的变化，证明异径电磁流量计在低流速下的计量精度和准确性具有一定的优势。研究分析结果对异径条件下电磁流量计管道的优化和改进提供了一定的理论依据和借鉴经验。

异径；流场；不同参数；影响

0 引言

电磁流量计是目前世界上应用比较广泛的测量液体流量计之一,因其测量精度高、稳定性好广泛应用于石油石化、化工、污水处理等各个行业。目前国内生产的电磁流量计管道都为均匀的圆管[1]。由于电磁流量计特殊的计量原理和管道形状要求圆管，电磁流量计在实际计量中要求必须满管流，即管道流速为中心轴对称分布[2]。由此，具有均匀磁场和点电极的电磁流量计的流速和电磁流量计的输出信号成一个正比的关系。就目前电磁流量计应用的实际情况来看，在低流速下电磁流量计的测量精度和稳定性都不是很高[3]。国外流量计量专家Keijnsdijk把缩颈作为异径设计的一个方向，通过设计不同的中间管道的形状来研究异径管道对电磁流量计流场的影响[4]。此外，Korsunskii等人也研究了中间管道为长方形时不同参数对电磁流量计流场特性的影响[5]。我国计量学院的陈寅佳等人也分析研究了不同参数条件下异径电磁流量计流场的特性[6]。因此如何在低流速下提高电磁流量计的测量精度和稳定性一直以来都是电磁流量计改进和优化的一个重点。 为了适应电磁流量计在低流速、低耗能下计量的要求，电磁流量计研发人员从管道结构、电磁激励方式、电路分布、电极形状等各个方面都进行了研究和分析,并取得了一定的进展。

对于异径管道的电磁流量计，目前国内研究的都比较少。异径管道下的电磁流量计主要指通过改变普通的圆管道，在实际计量时创造一个特殊的满管环境来提高电磁流量计在低流速和不满管情况下的测量精度和稳定性[7]。

1 电磁流量计工作原理

电磁流量计是一种利用法拉第电磁感应定律来检测液体流量的一种流量计。磁励线圈将磁场通过电极施加给被测导电液体以后，被测导电液体切割磁感线产生感应电动势，通过检测感应电动势并进行相应的信号处理实现对经过流量计流量的检测。

对于一般圆形管道的电磁流量计输出的电压信号为：

(1)

假定管道的横截面积为A,流量为q，则上式可以写成：

(2)

在建立电磁流量计这个基本方程的过程中前人作了如下的假设[8]：

1)流体磁导率是均匀的，流体为非磁性流体；

2)流体的电导率均匀，并且满足Ohm定律；

3)充分发展流对于圆管是轴对称分布的；

4)流体中的位移电流小到基本上可以忽略；

5)电磁感应强度B是均匀分布的。

由式(1)和式(2)我们可以看出感应电动势与流体在流场中的平均流速和磁极之间的距离有关。在实际的使用情况中由于有时电磁流量计的工作环境比较复杂，当流体流速较低时，产生的感应电动势比较低，有时候和噪声难以区分，由此导致了电磁流量计测量灵敏度和准确性的降低。

2 仿真计算模型的建立

异径电磁流量计就是在不改变原有流场分布的情况下，用适当的缩径来提高流速，以此提高电磁流量计的测量准确性和灵敏度[9]。

图1与图2分别为传统电磁流量计与本文中分析的异径电磁流量计简图。由式(1)及电磁流量计的工作原理我们可以自行推导出图2所示异径电磁流量计的公式：

首先我们在分析图2所示的异径电磁流量计流场时定义一个距离，即:D=D1-H1-H2;带入式(1)即可得：

(3)

图1 传统电磁流量计简图

图2 异径电磁流量计简图

3 流场计算分析

在本文的分析中我们以DN80口径的管道为模型，流场动力学计算方式为：速度入口,充分发展流为出口，分别讨论计算流速为0.1m/s、10m/s时流场流速、压力等参数的变化趋势以及不同参数对流场特性的影响。图3～图10 的分析说明在下面分析中体现。

图3 0.1m/s时压力云图

图4 0.1m/s Z轴方向速度矢量图

图5 0.1m/s速度矢量图

从速度矢量图和压力云图的分布上我们可以看出，在进口处速度为0.1m/s时中心点的压力和速度有明显的增大，这也说明在低流速下异径电磁流量计具有提高测量灵敏度和准确性的优势。

表1 进口速度与中心点速度和压力损失

由表1可以看出，在计算时我们设定速度为0.1m/s和10m/s时，中心点的速度约为入口速度的1.78倍，仍然在可以测量的范围之内，其压力损失也符合电磁流量计检定规程的要求。由Z轴方向上速度随Z轴的位置图(图6)我们可以看出，Z轴方向为流体流动方向,在这个方向上速度随位置的变化随着Z轴方向的延伸速度是一个缓慢增加的过程，到中心点(变径的位置)时速度达到最大，而后缓慢减小，但是进出口的速度差不是很大。

图6 相对于Z轴的位置/mm

图7 0.1m/s时压损随入口速度的变化

从压力损失和速度关系的图(图7)我们可以看出入口速度越大，出口处压力损失也越大，但不是简单的线性增长关系。因此在实际的应用中应该合理地选择异径电磁流量计和合适的入口速度。

4 不同参数对其流场特性的影响

在计算和研究异径电磁流量计两电极之间的距离和压力损失以及中心点速度的关系时，以流场初始流速为0.1m/s的条件下分别计算分析了不同距离下流场中心速度和压力损失的变化。

图8 两电极之间距离过小时速度迹线

由图8我们可以看出，在变径过小时，以0.1m/s的入口速度时出口速度达0.31m/s，是入口速度的3.1倍，但是我们从迹线图中也可以看出当流体流过中心位置时也产生了严重的回流现象，且压力损失达101318.05Pa。

图9 两电极之间距离与中心点速度

图10 两电极之间距离与压力损失

由图9与图10可以看出，随着两电极距离的增加中心点速度与进出口压力都在减小，且中心点速度随两电极的距离减小的趋势要大于进出口压力减小的趋势，进出口压力随两电极之间距离减小的趋势并不是一个简单的线性关系。

5 结束语

本文通过专业的流体分析软件分析计算了异径电磁流量计流场的特性，分析探讨了不同条件下，不同参数对其流场动力学特性的影响，分析计算表明异径电磁流量计流场在不同的入口速度，以及不同的电极之间的距离对其流场的特性都有较大的影响，但是在低流速下异径电磁流量计有利于提高计量精度和准确性。

本文的仿真计算结果也说明了异径电磁流量计在实际生产和使用中具有可行性， 在低流速下它比常规电磁流量计更具有优势，在管道异径位置的设置和距离上并不一定存在一个最优的结果，在实际设计和应用中要根据具体流场的特性和实际情况而定，以异径管道的选取不能改变原有流场特性为最基本原则。

[1] 蔡伍昌.微小流量仪表性能及其应用[J].石油化工及自动化，2009(4)：1-5

[2] 靳笑宇.电池供电电磁流量计的研究设计[D].北京：北京化工大学，2005

[3] 黄皎，姚春，丁婷，等.基于新型励磁方式的电磁流量计设计[J].传感技术学报，2010,23(2):215-219

[4] HEIJNSDIJK A M,WILLIGEN A L,LODGE G R.Mangnet to inductive flowmeter and method for producing a magne to inductive flowmeter：US，7(261)，120-130

[5] KORSUNSKII L. Electromagnetic flowmeter with arectangular channel[J].Measurement Flowmeters，1960,3(10):893-899

[6] 陈寅佳，刘铁军，谢代梁.电磁流量计异径管道流场的分析[J].中国计量学院学报，2012，23(3)：1-5

[7] 史晓妍，张洪军，张东飞，等.弯管后均速管流量计输出特性数值模拟[J].中国计量学院学报，2007,18(4):285-290

[8] 蔡武昌，马中元，瞿国芳，等. 电磁流量计[M]. 北京：中国石化出版社，2004

[9] 蔡武昌，应启戛. 新型流量检测仪表[M]. 北京：化学工业出版社，2006

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.08