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                            多电极电磁流量计用于非轴对称流的测量
                            发布时间:2021-8-2 08:51:53

                            摘要:为解决两电极电磁流量计对于速度非轴对称分∞布的敏感问题,基于Shereciff权函◥数提出区城权函數概念,研究其计算方法并设计出多电极电磁流量计.通过多电极传感器测量不同位置的弦端电压,计算管道截面各区域的局部轴向平均速度,并实现体积流量的测量.介绍了多电极电磁流量计╳传感器设计,通过测量偏流◆发生器下游的非轴对称ζ单相流及倾斜管固~液两相流,证明ξ该设计对于非轴对称流具有较高的流量测量精度及可靠的速度分布测量结果.
                              多电极电磁流量计(multilectrodeelectromag-neticflowmeter,MEFM)针对非轴对称流测量应运而生,通过获得流动截面处不同位置的感※应电势差,利用任意流型下的平均流速表达式,实现速度分布和↓体积流量测量,以解︾决两电极电磁流量计的弊端.Horner等"提出以层析成像为基础的6电极电磁流量计测量平均流速,并通过实验证明多电极流量计对速度分布★不敏感,但未给出局部速度信息.Teshima等1设计出旋转磁场下的多电极电磁流量计等对多电极阵列的数量与几」何尺寸进行了Ψ研究.
                              自Sherclifftl给出两电极电磁流量计权函数表达式以来,很多学者都致力于权函数理论的发展.Lim等I]通过有限元容积法仿真比较了◣4种不同栅格划分方法对不同流型的测量效果.Lucas等呵针对多电极权函∑ 数的仿真求取方法进↘行了详细研究.张小章171利用解析法对权函数计算进行探索.
                              此外,学者们还希望利用电磁█测量原理解决多相流领域的难题.Bernier等[8]将多电极测量方法应用于两相流测量当中,Gladden等[9]也曾做过有益的尝试.
                              本文中基于∑Shercliff权函数理论发展出区域权函数的概念,并基于该理△论设计多电极电磁流量计测.量系统,以仿真数据「为基础」优化样机模型9],通过测.量局部轴向平均速度,解决非轴对称的单相流及固-液两相流测△量问题.
                            1区域权函数及多电极电磁流量计
                              在Sherclff权函〖数理论指出,流动截面上各个流体质点都影响感应电动势的数值,并解析得到←长筒型两电极流量计的权函数二维近似计算公式,指出由于权函数分布不均匀导致两电极电磁流量计对流速分布轴对称比较敏感.
                              多电极测●量中,J对电极布置在管道内圆周上(见图1),每对电极都沿平行于直径的弦分布.假设测量截面处包含总数【为K,且K→∞的尺寸极小的流体质点,并且所有质点中直径的最大值趋于零,则各电极@间的感应电动势可以表示为极限求和的形式,即
                             
                              式中:Uj为第j对电极测量的感应电压;K为测量截面所包∞含的质点个∴数;vk为第k个质点的轴①向速度;Wkj为第k个质点对第j个感应电压的权函数;Ak为该质点的面积;B为测量截面处的磁感应强度;a为管ξ 道半径.
                              本文中提出的区域权函数不再以单独的流体质点作为研究对象,而是将流动截』面划分为I个区域.假设第i个区域内包含的流√体质点个数为ni,且满足则ni个质点的轴向速度◆求和便得到该区域的轴向平均速◥度管道截面上每一区域内流体的流速`Ʋ,切割磁力线所产生的感应电动势对任意对电极的感应电压Uj都有贡献,贡献的※大小※通过区域权函数wij反映.区域权∴函数理论揭示了感应电压与区域内流速的关系,进而由流动截面处的速度分布信息得到体积流量值,解决了两电极测量↘中速度分布非轴对称对于流量测量的影响.
                             
                              如图1所示,文中多电极电磁流量计采用16个电极均匀分布在管道内壁,eaND和eqNDY为接■卐地电极,电极对elel'~e7e7'分布卐在与直径平行的弦上.测量截面采用如图1所示方式》划分为7个区域,每对电极对∞应1个区域.采用该种划分方式的依据为:①平行布置各区域更有利于反㊣ 映管道内速度剖面的①变化;②仿真表明,电极位于各区域在y方向№上的中心处∑ 时,可以获得最强的感应电动势信号,提高计算和测量精度.
                            多电极流量计不同电极对间的感应电压是各区域内轴向平均速度共同作用的结果,即
                             
                              式中Af为各区域△面积值.权函数wij,的大小表示了不同区域的流体对各感应电压值的贡献】大小。
                              利用COMSOLMultiphysics软ξ件建立三维仿真模型,在电极所在二维测▼量平面处求取区域权函数Wif因此,多电极电磁流量计测量方程可表示为
                             
                              式中:V为包含I个区域轴向平均速度的速度矩阵;U为包含J个感应电压测量值的电压矩阵;W为IxJ维的区域权函数矩阵;A为IxI维以1个区域的面◎积为对角元素♂的对角阵.
                              如式(4)所示,多电极传感器测量不同位置的弦端电压,计算得到图1中ζ 各区域内的轴向平均速度.对比两电极电磁流量计,仅由布置在直径处的电极测量得到电压,并以【此计算整个截面处的平均速度而言,利ω 用区域权函数原理的多电极电磁流量计提供测量截面处速度分布的详细信息,解决了〗速度分布『非轴对称的敏感问题.
                              本文中阐述的多电极电磁流量计传感器设计如图2所示.聚甲醛树脂材料制成测量管组件,两端以法兰连接∴.16个非导磁316L不々锈钢电极阵列以22.5°圆心角均匀ぷ〓布置在测量管中部,耐腐蚀性好且不会对工作磁场造成干扰.励磁系统采用Helmholtz线圈,由图2中所示的︽夹具精确定位,以保证电极阵列所在的▓测量截面处磁感应强【度均匀分布.信号导线槽用来固定工作磁场内电极间以及↓电路中的所有导线■,使其都平行于磁场方向,避免非流动因素产生的干扰电压.
                            多〓电极电磁流量计传感器图示 
                            2单相▆非轴对称≡流实验
                            2.1实验系统简介
                              实验※在英国Huddersfield大学低压固水两相流ㄨ装置上进行,如图3所示.
                             
                              装置分◤为介质源、计量管段、可调角度的实验管段及计算机控制系统4部分;管道内径80mm,实验管段长度2.5m;实验的液相介质为水,流量▆范围为0.7~17.6m³/h;涡轮流量计经称重装置校正后提供单相水实验中体↓积流量的标准值,计量■精度为±0.5%.
                            单相非轴对︻称流〇实验中,关闭球阀2,将如图4所示偏流发生器串人实验管段,多电极电磁■流量计安装在其下游出口处(见图3).偏流发生器利用不同直径的圆形流量通道得到非轴对称分布的单相流,电磁流量计不仅可以实现对单相流①在管道截面→处速度分布的在线测量,也可通过流量计转换器中的微处理器计算得〒到流体的体积流量ㄨ.
                             
                              管道截面的速度分布标准值由皮托管获取.通过测量流体总压和静压确定流速.皮托管安装在电磁流←量计电极所在平面,调整位置沿↓16个径向方向进行测量,在整个截面上获得▲80个不同坐标点处的速度值,计算第i个区域中所包含测量点的数值平均,即得到该卐区域内的轴向平均速度标准值。由于皮托管自身几何尺寸,移至管壁附近占据一定体积,因此在面积较◎小的区域1和区域7内只包含-个测量点。
                            2.2单相流实验结果分♀析
                              多电极电磁流量计对单相非◢轴对称流的实验在※6种不同流量下进行,各区域速度分布测量结果与皮托管标准值↙的对比如图5所示.皮托管︾作为侵入式◥测量方法,会对流¤体流动引人干扰,但在目前有限的技术条件下,仍可作为局部『轴向平〗均速度分布的标准值来衡量流量计的性能.
                             
                              图5表明,在不同流量条件∏下,多电极电磁流量计测量的管道截面速度分布呈现由偏流发生器结构所致的流动规律.特别∮是在区域2-5处,皮托管测量点相对密集,标准值精度较高,多电极电磁流量计Ψ 对于轴向平均速度的测量-致性较好.虽然速度值在区域1和区域7处出ㄨ现最大误差,但原因之-是由于皮托管侵人式测量█原理█的限制,以及在区域1和7内只有1个测〓量点造成这2个区域内速度标准值精度较低;另外,由Shereliff理论可知4,与电极距离越近权函数数值越高,因此区域权函◣数w,和w的数值远↓高于其他,所以感应电压值U,和u,在测量中的微小扰动也会带来该区域内轴向平均速度的较大◥差异.
                              在图5所示单相流实验中,多电极电磁流量计对体积流量的测量结果∞与涡轮流量计标准值的相对误差如表1所示.
                             
                              表1中体积流量的标准值由涡轮标准表提供,测量值由多电极电磁流量计输出.电磁流量计转换⊙器在处理数据时,按照式(4)直接计算得到速度分布结果,没有经过任何系数校正.表1显示电磁流量计对体积流量╱测量的相对误差在±1.0%范围内,具备较高测量精度.
                            3固-液【两相流实验
                            3.1两相流实验系统简介
                              如图3所示,固-液两相流实验在30°倾斜管〒中进行,固相介质为非电导性球形颗粒,平均直径5mm、材料平均密度为1340.8kg/m³.小颗⌒ 粒与水在混合罐中均◇匀混合,通过调整球阀1.2的开度控制液相流量qw和固相流↓量qs,体积流量的标准值qwst和q9st由称@ 重系统测量;管道内局部@ 固相含率asi由6电极探针测量",测量点选取和标∏准值计算与皮托管所用方〖法一致;多电极电磁流量计测得固-液两相流中水的体积流量为
                             
                            3.2两相流实验结果分析
                              针对♀深海采矿业中的矿石传输问题设计了倾斜管实验.采矿◆现场通常利用液压升降系统将矿石与海水两∩相混合物由倾斜管道运送至船上,角度在30°左右.开采中需要实时监测矿石流速,不仅为获得矿石的质量流量信息,更为了避免传送速度过低而造成矿石循环流动甚至回流至海↘床的现象.
                              在两相流实验♀中,多电极电磁流量计安装在30°倾∑斜管段中,区域1位☆于管道上『侧(图3中“T”侧),区域7位于下侧(图3中“G"侧).利用高速照相机拍摄透明有机玻璃管内的流】动情况,照片表明倾斜管道下侧的流体速度低于上侧并且会产生回流.
                             
                              如图6所示,利用带箭头的圆圈分别标▲注位于管道上、下侧的颗粒组①A、B,箭头方向指示颗粒运动方向.通过ぷ对比图6(a)和(b),表明位于管道上侧的A组颗粒运动速度明显高于下侧的B组,并且B组颗粒呈▃现逆向流动.
                              对于固-液两相流,多电极电磁流∮量计可以实现对导电相在截面处的速度分布和体积流量测量.本文中两相流实验在6种不同固相含率条件下进行,通过调节球阀1、2开度得到不同相含率的两相流,利用差压变送器计算上下游压差得到管道内々平均固相含率`ɑsdf.
                             
                              图7为30°倾斜管实验中水相速度分布的测量结果,fml~fm6表示6种实※验条件(固相含率值见表2),每个点表示管道截面各区域内的轴向平均速度.
                              如图7所示,利用多电极电磁流量计在6种实验条件下测量管道截面速度分布的结果表明╱:在大多数流动情况下,管☉道上侧的速度值高于下侧,并且局部轴】向速度分布的规律与Lucas!"3]研究结果--致.在固相含率较高的fml和fm2测量条件下,管道下侧区域内的速度为负值,表明该区域内流体◇出』现逆向回流,与高速相机采得的图片--致.
                              在图6所示两相流实验中,多电极电磁流量计对水相体积流量的测量值与称重装置标准值的相对误差如表2所示.误差◤计算为
                             
                              由式(5)可知,局部固相含率a,的精度也影响电磁流︼量计的流量测量,由于6电极探针@ 测量精度的限制,使得电磁流量计对水∏相体积流量测量的误差⌒波动性较严重.
                             
                            4结语
                              由Shercliff权函数提出区域权函数理论,将管道截面划分为若干区■域,既得到局部轴向平均速度信息,又实现对体积流量的测量,消除了速▽度分布非轴对称的影响.文中设计∩了多电极电磁流量计,并进行了◆单相及两相流实验.通过测量偏流发生●器□下游的单相流,表明对于弯头、阀门下游或者管径突变等造成的单相非轴对称流,都可以使用多电极电磁流量计.固-液两相流实验结果表明,该流量计∑可以提供★管道测量截面的局部轴向速度信息,如果结合⌒高精度的固相含率测量手段,必将提高多电极电磁流量计的测量精度.

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                            下篇文章:温度对气体涡轮流量计的影响分析 上篇文章小流量电磁流量计在三元配注工艺中应用
                             
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