電磁流量計勵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)

電磁流量計勵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)

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

電磁流量計 勵磁線圈 不對稱 測量誤差

電磁流量計是一種重要的流量測量儀表。近年來，學(xué)者們對電磁流量計的研究在不斷深入，舒歡等對電磁流量計的電極與勵磁線圈不對稱誤差進行了理論研究[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的電極與勵磁線圈不對稱誤差[3]；王月明等對高流速兩相流下電磁流量計的測量機理進行了研究[4]，為電磁流量計在生產(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]。

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

1 磁場評價指標與電磁測量原理

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

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

式中A——對所有空間積分；

B——磁感應(yīng)強度；

L——絕緣管道筒長一半；

r——流量計截面管半徑；

V——導(dǎo)電流體的流速；

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

可見，只要確定了V、B、W和r，就可以求得流量計的感應(yīng)電勢差。

2 仿真模型與仿真實驗

2.1仿真模型

為了考查電磁流量計傳感器中勵磁結(jié)構(gòu)不對稱問題，設(shè)定了如圖1所示的電磁流量計勵磁結(jié)構(gòu)Ansys仿真模型，Ansys仿真模型中只對電磁流量計傳感器測量電極截面進行建模，兩個電極中心方向稱為y軸，過測量管道中心垂直y軸的為x軸，x軸與y軸構(gòu)成直角坐標系，管道中心為坐標原點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 電磁流量計勵磁結(jié)構(gòu)Ansys仿真模型

2.2仿真實驗

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

可以看出，當勵磁結(jié)構(gòu)安置有所偏置時，電磁流量計測量區(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 電磁流量計勵磁結(jié)構(gòu)偏置Ansys仿真結(jié)果

圖3顯示了勵磁結(jié)構(gòu)偏置角度為15°時測量區(qū)域的磁場分布，為節(jié)省篇幅，其他仿真圖略去。可見，當勵磁結(jié)構(gòu)的偏置角不同時，x軸方向的磁感應(yīng)強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，下面將用磁場評價指標加以分析。

圖3 磁感應(yīng)強度分布

3 仿真結(jié)果分析

為了詳實地考查電磁流量計勵磁結(jié)構(gòu)偏置對流量計測量區(qū)域中磁感應(yīng)強度分布情況的影響，運用第1節(jié)介紹的磁場評價指標對勵磁結(jié)構(gòu)不同偏置角度下的磁場進行分析。

圖4為勵磁線圈偏置角不同時的磁場強度分析結(jié)果，可以看出，在勵磁結(jié)構(gòu)偏置時，電磁流量計測量區(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為勵磁線圈偏置角不同時測量區(qū)域變異系數(shù)的分析結(jié)果，可以看出，勵磁結(jié)構(gòu)偏置角度越大，測量區(qū)域的磁場變異系數(shù)越大，即磁場強度分布波動性越大。

圖4 勵磁結(jié)構(gòu)不同偏置下磁場強度

圖5 勵磁結(jié)構(gòu)不同偏置下磁場變異系數(shù)

圖6為勵磁線圈偏置角不同時磁場強度在測量區(qū)域均勻面積分析，可以看出，在勵磁結(jié)構(gòu)偏置時，電磁流量計測量區(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 勵磁結(jié)構(gòu)不同偏置下磁場均勻區(qū)域

圖7為勵磁線圈偏置角不同時電磁感應(yīng)信號的分析結(jié)果，流量計瞬時感應(yīng)信號是設(shè)定流體速度不變的情況下勵磁結(jié)構(gòu)的偏置角不同時進行的仿真。可以看出，在其他條件不變的情況下，勵磁結(jié)構(gòu)偏置角度越大，流量計感應(yīng)信號就越小。

圖7 勵磁結(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：電磁流量計勵磁線圈存在偏置會造成電磁流量計測量區(qū)域中磁場分布變化，進而給電磁流量計測量帶來一定的誤差。

4 結(jié)束語

運用有限元軟件對電磁流量計勵磁結(jié)構(gòu)存在偏置進行了建模仿真研究，通過模型分析了流量和不同勵磁結(jié)構(gòu)偏置情況下，電磁流量計磁場分布情況以及對流量計電極兩端獲取感應(yīng)信號大小影響情況的研究，進而獲得由勵磁線圈不對稱引起的測量誤差。當然，目前電磁流量計出廠前會進行校準，但是在較大測量管道的應(yīng)用中，實流校驗成本較大，因此會選用干標定等手段，這一過程中，勵磁線圈的不對稱會產(chǎn)生一定的測量誤差，筆者對此類問題進行分析研究，為電磁流量計勵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.電磁流量計的電極與勵磁線圈不對稱誤差分析[J].計量技術(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,2013,34(11):2626～2633.

[3] 張小章,李硯濤,何濤.含有一個氣泡時電磁流量計虛電流的三維特性[J].計量學(xué)報,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測量機理研究[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磁線圈軸向長度設(shè)計研究[J].電子學(xué)報,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,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)基金項目(61463042)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2016MS0611)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項目(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)