電磁流量計是工業過程參數測量中**應用的一種流量測量儀表，主要用于導電性或弱導電性液體流量的測量，其理論及應用已經過多年的發展而漸趨成熟。當流體通過電磁流量計時將切割磁力線，在流體中產生感應電動勢。由于管道截面內各點流速并不相同，因而在管道截面內形成電渦流〔1〕;同時，當流量計的勵磁線圈軸向長度較小時，在管道的軸向平面內也將產生電渦流，流體中電渦流的存在不可避免地給流量參數的準確測量帶來困難。傳統的電磁流量計由于系統本身結構的限制，檢測到的信息量有限，使測量精度受到限制。特別是石油工業、水處理等行業中經常有大管徑管道且前后直管段較短的應用場合，此時流體的非軸對稱性顯著，而且電磁流量計勵磁線圈的軸向長度較短，這種情況下電渦流對測量結果的影響很大。多電極電磁流量計將過程層析成像技術與傳統的電磁流量計相結合，沿管道圓周排列多個電極，通過多對電極測量流體的感應電勢，獲得流速場在多角度激勵磁場下的多組數據，為電磁流量計在大管徑流量測量中的應用提供了一個切實可行的解決方案。
這里采用三維有限元計算方法，分析余弦分布型繞組的軸向長度對激勵磁場均勻程度的影響，結合電極陣列優化設計結果，給出可行的勵磁系統設計方案。
2多電極電磁流量計勵磁系統結構
鑒于直流勵磁方式下易使管道內的電解質液體產生極化的缺點，同時交流勵磁下存在的90°干擾、同相干擾等缺點，多電極電磁流量計可采用恒定電流方波激勵的方式[3]。為了簡化流量計算，多電極電磁流量計可選用分段繞組式馬鞍型勵磁線圈，采用大小沿管道母線呈余弦分布的電流激勵方式產生平行磁場，管道的勵磁系統結構如圖1所示。圖中采用M對激勵線圈上下對稱排列于管壁上，從截面看線圈的各軸向邊之間相隔π/(2M)圓心角。各線圈的單匝電流相等，匝數分別為:
為了得到多組數據，多電極電磁流量計將采用多角度激勵，磁場將分時以不同角度沿管道圓周穿過測量區域[2]，圖1給出的是Y軸方向磁場的激勵線圈，本文的分析方法同樣適用于多電極電磁流量計需要的x軸方向磁場激勵線圈。
傳統的均勻磁場型電磁流量計模型是以長筒假設為基礎提出的，對勵磁線圈所產生的激勵磁場的平行度依賴很高，要求磁場在測量電極前后相當長距離的空間內保持近似平行，實際應用中要求電磁流量計的勵磁線圈軸向長度至少為管徑的2. 5 ~3倍[3]但是當多電極電磁流量計應用于大管徑管道時，實際管道的軸向長度將不可避免地縮短，產生的磁場難以符合上述要求，主要表現為管道軸向上磁場均勻度的降低和測量電極截面內電場平行度的降低。在管道軸向上，勵磁線圈的中間位置激勵磁場較均勻，靠近邊緣位置磁場強度下降。當流體流過管道切割磁力線時，靠近電極位置感應電動勢大，靠近邊緣處電動勢小，這樣，在管道軸向垂直于磁場方向的平面內將形成電渦流，如圖2所示，將測量電極平面內電極間的電勢差削弱，從而增大測量數據的誤差，這一過程被稱為電磁流量計的軸向邊緣效應。此外，雖然多電極電磁流量計的測量電極位于勵磁線圈的中心斷面上(圖1左圖)，但當線圈縮短時線圈的橫向部分也將減小電極截面內磁場的平行度，使激勵磁場進一步退化。
3激勵磁場的基本方程
根據麥克斯韋方程組，采用標量磁位作為磁場計算的輔助物理量，當介質為各向同性時可得磁場計算的拉普拉斯方程:
4分析方法
4. 1指標函數
磁場平行度的衡量與優化是多電極
電磁流量計勵磁系統設計的首要問題。為了準確衡量多電極電磁流量計中的均勻磁場的平行度，本文將引入描述磁場平行程度的函數:
RD的值反映了管道內某一典型區域內磁場的整體均勻程度，RD的數值越大，該區域內磁場的整體均勻程度越理想;RM則反映了某一區域內磁場的*大偏差程度。
4.2分析方法
由電極陣列的優化設計可知，從測量精度、可行性及復雜性角度考慮測量電極的數目應選為16為宜[2]這樣采用4對勵磁線圈繞組可使電極與線圈交錯分開，有利于勵磁線圈繞組與測量電極的排布。在此主要針對4對勵磁線圈繞組所產生的磁場進行討論。
首先通過三維計算得出不同軸向長度勵磁線圈與磁場在管道軸線上的均勻程度之間的定性定量關系，其次研究電極截面內磁場的平行程度與L的定性定量關系，*后根據討論結果確定可行的勵磁系統設計原則。
5結果與討論
通過三維情況下的有限元計算，以4對余弦分布的繞組激勵系統為對象，給出不同軸向長度的勵磁線圈產生的磁場分布圖。圖3(a)一(d)為不同軸向長度的線圈激勵下，管道軸線上靠近測量電極截面的2D距離內磁場分布圖。由圖可得出以下結論:①磁場強度的各分量中，以Y方向的分量為主。這一點符合多電極電磁流量計激勵磁場的要求。②隨著勵磁線圈軸向長度L的減小，管道軸線上磁場強度的軸向邊緣效應逐漸明顯。為了減小均勻磁場型多電極電磁流量計應用中的誤差，應盡可能增加勵磁線圈的軸向長度I.
表1列出了不同軸向長度的勵磁線圈在管道軸線上2D范圍內所產生的激勵磁場的場強均值、RM , RD值，作為衡量多電極電磁流量計激勵磁場平行度的指標。
以上分析可以得知，多電極電磁流量計的設計中勵磁線圈軸向長度是一個重要的參數，其大小對測量結果影響很大。多電極電磁流量激勵磁系統的設計原則是使管道截面內的激勵磁場分布盡可能均勻，并使管道內的磁場沿管道軸線的分布盡量均勻，以消除電磁流量計的邊緣效應的影響(圖2)。實際應用中應根據場地及管道內徑的大小盡量增大線圈長度。線圈長度低于2. 5倍管徑的情況下，應對電磁流量計的計算作修正以減少系統誤差。
上一條：
方波磁場的電磁流量計的流量測量
下一條：
電磁流量計城鎮污水測量時的現場運用
