1、介紹
　　近年來(lái)，隨著(zhù)流量計量行業(yè)的發(fā)展，由于電磁流量計具有無(wú)移動(dòng)部件，無(wú)壓力損失，測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已被應用于各種場(chǎng)合，使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題是如何改善。大直徑大流量計精度。如果使用管道式電磁流量計來(lái)測量大直徑管道的流量，則體積大，處理成本高，校準和安裝和維護非常困難，并且給管道式電磁流量計帶來(lái)許多不便工程應用。因此，在這種情況下，通常使用插入式電磁流量計代替管式電磁流量計來(lái)測量大直徑管的流量。
　　但是，插入式電磁流量計會(huì )產(chǎn)生影響測量精度的非線(xiàn)性現象?，F在許多學(xué)者采用多級非線(xiàn)性補償方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。整個(gè)范圍內的流量被分成多個(gè)流量段，并且求解不同相的流量系數以獲得每個(gè)段的流量值。但是，這種方法使用起來(lái)比較復雜，而且準確度有限。因此，從電磁流量計本身的結構出發(fā)，找出造成非線(xiàn)性現象的原因，并找到一種方法來(lái)提高插入式電磁流量計從源頭的線(xiàn)性度。
2、插入式電磁流量怎么運行的
　　插入式電磁流量計測量原理[1]基于法拉第電磁感應定律

　　其中，E是兩個(gè)電極之間產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢，B是磁感應強度，L是磁感應線(xiàn)的有效長(cháng)度，v珋是平均流速，而流體是導電介質(zhì)。原理圖如圖1所示。
并且（1）可以表示為

　　當B和L都恒定時(shí)，只要測量感應電動(dòng)勢E，平均流速v≈可以獲得。由于測試管道的橫截面積是已知的，因此可以容易地獲得導電流體的體積流量。

　　其中D是被測管道的內徑，Qv是體積流量。從公式（3）可以看出，當管道結構固定時(shí)，體積流量Qv與比值E / B成正比，并且與管道內的流體溫度，密度和壓力無(wú)關(guān)。當磁感應強度B恒定時(shí)，體積流量Qv與感應電動(dòng)勢E成正比，即體積流量和感應電動(dòng)勢完全是線(xiàn)性的。
　　根據公式（3），當插入管的結構是確定的時(shí)，體積流量Qv與比率E / B成比例，并且流體溫度，密度，管內壓力等無(wú)關(guān)緊要。當磁感應強度B恒定時(shí)，體積流量Qv與感應電動(dòng)勢E成正比，即體積流量和感應電動(dòng)勢完全是線(xiàn)性的。
3、傳感器線(xiàn)性評估
　　線(xiàn)性[2]是傳感器的主要靜態(tài)性能指標之一。它被定義為衡量測試系統的輸出和輸入系統是否可以像理想系統一樣保持正常值（線(xiàn)性關(guān)系）的比率。線(xiàn)性反映了校準曲線(xiàn)與給定直線(xiàn)的一致程度，該直線(xiàn)是通過(guò)某種方法確定的理想直線(xiàn)。線(xiàn)性也稱(chēng)為非線(xiàn)性。參考GB / T18459-2001“傳感器主要靜態(tài)性能指標計算方法”中的線(xiàn)性定義：正負沖程相對于參考線(xiàn)（擬合直線(xiàn)）的實(shí)際平均特性曲線(xiàn)偏差，規模產(chǎn)出。該指標通常表示為線(xiàn)性誤差

　　本文采用最小二乘法來(lái)評估線(xiàn)性，即擬合直線(xiàn)是最小二乘直線(xiàn)。最小二乘直線(xiàn)保證傳感器實(shí)際輸出的平均值具有其偏差的平方和，即可以保證由擬合的直線(xiàn)獲得的結果。測量結果之間的偏差較小且更可靠。根據定義，線(xiàn)性度是校準曲線(xiàn)偏離該最小二乘擬合線(xiàn)的程度。
4、插入式電磁流量計造成非線(xiàn)性現象
　　插入式電磁流量計用于沖壓插入被測管道的適當位置，測量導電流體的流量，并可在恒定流量下取出進(jìn)行清洗和維護，操作非常方便。但是，插入管道中的探頭等同于將管道裝置引入到管道的流場(chǎng)中。流體在探頭周?chē)鲃?dòng)，如圖2所示。

　　插入式電磁流量計圍繞探頭流體流動(dòng)
　　當流體在探頭周?chē)鲃?dòng)時(shí)，由于存在粘滯力，探頭表面會(huì )形成邊界層。隨著(zhù)流體沿曲面上下流動(dòng)，邊界層的厚度增加。越靠近墻壁，流場(chǎng)變化越復雜[3]。流場(chǎng)分布的變化會(huì )增加測得的平均流速和實(shí)際流速之間的誤差。而當反壓梯度足夠大時(shí)，回流會(huì )導致邊界層分離，并形成尾渦，即邊界層分離，這會(huì )增加非線(xiàn)性現象。也就是說(shuō)，測得的平均流速和流入流速之間的非線(xiàn)性導致感應電動(dòng)勢。與測量流量的線(xiàn)性關(guān)系被破壞，插入式電磁流量計測量的準確性降低。
　　影響這種線(xiàn)性關(guān)系的因素很多，主要有插入式電磁流量計安裝角度[4]，插入深度，探頭形狀等。安裝角度和插入深度對輸入和輸出信號之間的線(xiàn)性關(guān)系的影響可通過(guò)正確安裝流量計和校準實(shí)驗來(lái)消除。因此，本文研究的插入式電磁流量計的線(xiàn)性原因主要是探頭插入管道的形狀。不同探頭形狀對管道內流場(chǎng)分布的影響是不一樣的。
　　在本文中，FLUENT軟件用于模擬四種不同形狀的插入式探頭對管道流場(chǎng)的影響。在5m / s到15m / s的范圍內，選取幾個(gè)典型的速度點(diǎn)作為進(jìn)氣速度，并將兩個(gè)垂直于進(jìn)氣流方向的電極橫截面的平均速度作為信號采集平均流速。關(guān)系。通過(guò)比較流速與通過(guò)比較在不同形狀的探針下獲得的最小二乘擬合直線(xiàn)獲得的實(shí)際流量之間的偏差來(lái)判斷線(xiàn)性，從而獲得具有最佳線(xiàn)性的探針。
5、數值模型設計
　　本文采用預處理軟件GAMBIT構建工程中常用的四種插入式電磁流量計探頭，如圖3所示。管道內徑設置為400mm，插入深度為120mm，探頭半徑為32mm，電極半徑為5mm。
5.1湍流模型
　　本文的湍流模型采用工程中應用最廣泛的標準k-ε模型[5]，需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程。在這個(gè)模型中，湍動(dòng)能k和耗散率ε的輸運方程如下

5. 2網(wǎng)格劃分
　　GAMBIT軟件用于對流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于要模擬的區域是三維流場(chǎng)計算區域，因此需要盡可能確保精度，以使操作盡可能簡(jiǎn)單。因此，在探針周?chē)膮^域附近形成密集的網(wǎng)絡(luò )。為了滿(mǎn)足計算要求，網(wǎng)格和相對較薄的網(wǎng)格在前后直管區域內分開(kāi)。本文中使用的網(wǎng)格格式單元為T(mén)et / Hybrid，指定的格式類(lèi)型為T(mén)Grid，表示指定的網(wǎng)格主要由四面體網(wǎng)格構成，但可以在適當的位置包含六面體。錐形和楔形網(wǎng)格單元。
5.3建立離散化方程
　　本文利用目前工程中最廣泛使用的有限體積法[6]將計算區域分成一系列控制體積，并將每個(gè)控制體積的微分方程積分以獲得離散方程。通用守恒方程，用于求解這些控制器上的質(zhì)量，動(dòng)量，能量，成分等

　　其中，左邊的第一個(gè)項目是一個(gè)臨時(shí)項目，第二個(gè)項目是對流項目，右邊的第一個(gè)項目是擴散項目，第二個(gè)項目是一個(gè)普通的源項目。方程中的φ是一個(gè)廣義變量，它可以表示一些物理量，如速度，溫度，壓力等，Γ是對應于φ的廣義擴散系數，以及端點(diǎn)處變量φ的邊界值已知。
在控制方程中使用SIMPLE算法是壓力校正方法之一;并采用二階迎風(fēng)風(fēng)格使計算結果更加準確。
5. 4確定邊界條件
　　在實(shí)驗中，常溫常壓下管道內的流體采用水（20℃，1atm），管道入口邊界條件為進(jìn)口速度，管道出口邊界條件為壓力出口。選擇以下8個(gè)速度點(diǎn)進(jìn)行模擬：0.5米s，1.0m / s，2.5m / s，5m / s，7.5m / s，10m / s，12.5m / s，15m / s，觀(guān)察流場(chǎng)分布，可得到平均流速的信號采集。
6、仿真結果和計算
　　通過(guò)FLUENT仿真可以看出，由于探頭的插入，探頭周?chē)牧黧w流動(dòng)，導致管道內流場(chǎng)的變化，破壞了流場(chǎng)的穩定性，也就是說(shuō)，這種變化引線(xiàn)到插入式電磁流量計的輸入和輸出。信號之間的線(xiàn)性降低。也可以在0處獲得。在5m / s到15m / s的流速范圍內以不同的流入速度收集的信號的平均流速如下表1所示。

　　從表1可以看出，由于插入式探頭的影響，穩定的流場(chǎng)受到干擾。速度越大，擾動(dòng)程度越大，流場(chǎng)越混亂和復雜。如上面表格中的數據通過(guò)matlab軟件中的多重擬合函數進(jìn)行的最小二乘線(xiàn)性擬合導致四個(gè)擬合的最小二乘線(xiàn)，如圖5所示。 4。
四條擬合線(xiàn)對應四個(gè)擬合公式收集到這些公式中的信號的平均速度可以通過(guò)其最小二乘線(xiàn)性擬合表達式獲得，如表2所示。

　　從表2可以看出，通過(guò)擬合直線(xiàn)與最小二乘得到的流量與實(shí)際流量之間的偏差非常小，即通過(guò)擬合具有最小二乘的直線(xiàn)獲得的流量為非常接近真實(shí)值，表明最小二乘法用于模擬直線(xiàn)可靠性的線(xiàn)性評估。因此，這種擬合方法是可行的。比較表2中的數據和實(shí)際速度，得到擬合殘差，如表3所示。

　　根據上表中的數據，可以找到對應于相應探頭形狀的最大最小二乘線(xiàn)性擬合殘差，因此理論滿(mǎn)量程為14. 5，根據（4），我們可以計算這些最小二乘線(xiàn)性度四種形狀，如表4所示。

　　從表4可以看出，在相同的速度范圍內，形狀（4）的線(xiàn)性相對好于其他形狀的線(xiàn)性，并且使用該形狀的流量傳感器探頭的范圍比可以達到1:30 。達到1級精度要求。解釋在相同的條件下，探頭形狀是（4）插入式電磁流量計測得的數據更準確，減少了后續數據的線(xiàn)性補償計算，更適合工程應用。
7、實(shí)驗校準
　　根據四種探針線(xiàn)性度的相對優(yōu)點(diǎn)，確定了理論上線(xiàn)性最好的探針形狀，即形狀（4）。為了實(shí)際驗證這個(gè)結論，在用于校準測試的該形狀的探針的基礎上制作了測試原型。本文采用體積時(shí)間法[7]對形狀樣機（4）進(jìn)行校準，得到實(shí)測儀器體積流量值和標準裝置體積流量值，如表5所示。

　　從校準實(shí)驗數據可以看出，通過(guò)形狀（4）得到的原型指示誤差的最大值為0.91％，小于1.0％，原型可以認為是1級。0級精度要求?？梢钥闯?，仿真結果與實(shí)驗數據一致，即形狀（4）可以減小非線(xiàn)性，擴大線(xiàn)性范圍。
8、結論
　　本文采用FLUENT軟件對工程中常用的四種不同形狀的插入式電磁流量計探頭進(jìn)行了仿真，然后通過(guò)最小二乘法線(xiàn)性評估對這四種不同形狀模擬速度測試結果進(jìn)行線(xiàn)性評估和比較。結論如下：
1）插入管道的探頭壁面會(huì )引起流場(chǎng)中的邊界層甚至邊界層分離，影響探頭附近的流場(chǎng)，破壞流場(chǎng)的穩定性，降低插件的線(xiàn)性度，在電磁流量計中，從而影響其測量。準確性。
2）與四種探針的線(xiàn)性相比，四次探針的線(xiàn)性相對較好。
3）模擬數據與實(shí)驗數據的比較驗證了所提出設計的合理性和可行性?？梢哉J為，通過(guò)改變插入式電磁流量計探頭形狀來(lái)擴大線(xiàn)性范圍是一種有效的研究方法，為開(kāi)發(fā)更高性能的插入式電磁流量計提供了新的理論依據。

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