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电磁流量计

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流场分布对电磁流量计测量的影响

来源:作者:发表时间:2019-02-28 08:59:24

 1、管道中流速分布的仿真  

       上文提到,管内流体状态并不会影响到电磁流量计的测量结果。无论是湍流,还是层流,都能够有效的测量。所谓层流,即液体以分层的形式在管内流动。管道轴线、层间是平行的,则各层间独立,无混杂(无交换流体质点)情况。流体流量、压力降间关系密切,二者保持正相关关系。如果出现湍流状态,则流体的运行方向将十分复杂,不仅径向,?#19981;?#21516;轴线平行,过程非常的剧烈。流量平方、压力降存在正相关关系。  怎样对流体运动状态进行区分是难题。通过关?#30340;?#22411;,得到了 Re(雷诺数)。作为无量纲数,Re 同运动流体的粘性、惯性存在关系。具体可见式(2.1):  
20190228090147.jpg
       流体流速平均值为 u,单位 m/s;流束尺寸是 L,单位 m;液体在流动时,存在的运动粘度为v ,单位 m²/s。 
     当 ReD≤2320 时,可判断管内流体为层流。若 ReD>2320,则管内流体为湍流。在图 2.1,展示了管内流体的不同运动状态: 
管道中层流与湍流时的速度分布图
       通常情况下,人员会将阻流?#32771;?#28155;加到管道,?#28909;紓?#28176;扩管、阀门、弯头等。通过阻流件对流体进行干扰,能够改变原有的流场。对阻流件的应用同流速间的关?#21040;?#34892;分析,了解流场速度情况,本次设计添加了渐缩管、90°弯头。在图 2.2(b),展示了90°弯头外型、内部网格设计情况。在弯头位置,存在 200mm 曲率半径,管道直径=100mm。考虑到弯头性能的发挥,弯头位置流体达到预期状态。将10D 直管段设置于弯头上部,70 直管段设置于弯头下部。在图 2.2(a),展示了渐缩管几?#25991;?#22411;。  
 
2 、电磁流量计的理论分析
       在上文,对电磁流量计进行了数学模型构建,并得到了方程。对于式(1.3),其构建的前提为“管内存在整体流体”。也就是说,管道直径就是流体长,其流动速度的均值是  ,能够对磁力线进行切割,且伴随着感应电动势的生成。另外,在磁力线切割中,还可以从流体微元角度对流动进行讨论[36]。此时,流体微元拥有各自的流速,且有着与自身对应的感生电动势。在电极两端,也可以测量得到电势;微元也可生成单独的感生电动势。针对二者的差异,存在着分期。在研究时,应当考虑微元自身结构,并数学模型的形式对其进行解答。  
 
       考虑到电磁流量计的方程构建操作的微观处理需要,有必要进行权重讨论。通过权重分析,能够对磁场内电极电位差、微元感生电动势关?#21040;?#34892;分析,对重点进行关注[37]。  
 
       在图 2.8,展示了电极位置的管道截面结构。δl 为微元对磁力线的切割长度,以 B作为磁场强度,(x,y,z)作为微元坐标,Vz 为微元流动速度。同空间坐标对应,权重函数具有空间函数性质,即 W(x,y,z)。以公式 E=Bδl VZ作为微元生成的感生电动势。电极端受到微元作用,存在三角 U0=W(x,y,z)·E 的电势贡献。流体微元为流体的基本单位,且数量非常的多。对微元感生电动势、对应权重函数进行乘积处理后,在积分操作流体微元。最终,即为电极电势差。  
权重函数示意图
3  管道中流速的分布对测量的影响  
       在图 2.9,展示了超声流量计的基本结构。?#27833;?#21487;以发现,测量信号受到 L 线流体微元影响。也就是说,在对管内流体均速进行计算时,超声流量计主要依靠 L 线流体微元数据进行参照式估计。根据均速,再进行体积流量的最终求解。可见,流场在超声流量计工作时具有显著的地位。如果流场发生改变,测量结果?#19981;?#25913;变。通过情况下,要确保测量的精准,即准确的估算管内流体均速,需要湍流发展充分,各项条件是一颗进行 L 线流速估算。为了实现?#22235;?#30340;,通常会将直管段安设于上游。当时,电磁流量计并不考虑流场要素,测量工作比较稳定。这样,在直管段安装在上?#38382;保?#20854;长度要求不高。  
超声流量计示意图
       如果电磁流量计测量信号并不受外界环境影响,那么该信号?#28237;?#22815;准确的?#20174;?#31649;道体积流量,所得值非常理想。也就是说,管道流场分布并不对测量信号产生制约。通过算式,进而得到下式: 
20190228090323.jpg
       即如果权重函数、磁场分布满足相应条件,那么管道体积流量将对感生电动势产生直?#26377;?#24433;响。此时,流速分布并不制?#20960;?#29983;电动势值。当然,此类结果仅仅为理论上的考量,对于实践应用,则难以实现。研究者在磁场分布、权重函数方面展开了不同角度的分析,结论也日益丰富。但在电磁流量、速度分布关系的讨论上并未取得关键性结果,还有很长的路要走。  
 
       在上文,?#25910;?#36890;过仿真模拟讨论了管道中存在 90°弯头的情况,观察仿真图,发现弯头位置的流体流场必然出现不同程度的变化。同时,在流体流过弯头后,并不能快速的恢复原有的流场水平。此外,在对阀门、渐扩管等添加的阻件开展研究时,流场情况类似。只有在直管段内流动之后,其各?#38382;?#26041;能够恢复到原有水平。在流量计上游位置安装了阻流件后,能够改变流场性质。对于渐缩管,如果直管段非常的短,那么流场?#28237;?#22815;实?#31181;行?#23545;称,?#19968;?#22797;速度快。  
 
       电磁流量计的研发单位十分重视流场与流量测量的关系,并希望通过结构性更改提高流量计测量的精准度以及独立性。在相关研究中,更倾向于将直管段设置于流量计之前。该直管段长度适中[38]。有实验数据证明,将直管段设置于流量计上游,其长度约为管径的 5-10 倍。
 
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