深度解析插入式电磁流量计
1、介绍
近年来，随着流量计量行业的发展，由于电磁流量计具有无移动部件，无压力损失，测量范围宽等优点，已被应用于各种场合，使用过程中遇到的问题是如何改善。大直径大流量计精度。如果使用管道式电磁流量计来测量大直径管道的流量，则体积大，处理成本高，校准和安装和维护非常困难，并且给管道式电磁流量计带来许多不便工程应用。因此，在这种情况下，通常使用插入式电磁流量计代替管式电磁流量计来测量大直径管的流量。
但是，插入式电磁流量计会产生影响测量精度的非线性现象。现在许多学者采用多级非线性补偿方法来解决这个问题。整个范围内的流量被分成多个流量段，并且求解不同相的流量系数以获得每个段的流量值。但是，这种方法使用起来比较复杂，而且准确度有限。因此，从电磁流量计本身的结构出发，找出造成非线性现象的原因，并找到一种方法来提高插入式电磁流量计从源头的线性度。
2、插入式电磁流量怎么运行的
插入式电磁流量计测量原理[1]基于法拉第电磁感应定律
其中，E是两个电极之间产生的感应电动势，B是磁感应强度，L是磁感应线的有效长度，v珋是平均流速，而流体是导电介质。原理图如图1所示。
并且（1）可以表示为
当B和L都恒定时，只要测量感应电动势E，平均流速v≈可以获得。由于测试管道的横截面积是已知的，因此可以容易地获得导电流体的体积流量。
其中D是被测管道的内径，Qv是体积流量。从公式（3）可以看出，当管道结构固定时，体积流量Qv与比值E / B成正比，并且与管道内的流体温度，密度和压力无关。当磁感应强度B恒定时，体积流量Qv与感应电动势E成正比，即体积流量和感应电动势完全是线性的。
根据公式（3），当插入管的结构是确定的时，体积流量Qv与比率E / B成比例，并且流体温度，密度，管内压力等无关紧要。当磁感应强度B恒定时，体积流量Qv与感应电动势E成正比，即体积流量和感应电动势完全是线性的。
3、传感器线性评估
线性[2]是传感器的主要静态性能指标之一。它被定义为衡量测试系统的输出和输入系统是否可以像理想系统一样保持正常值（线性关系）的比率。线性反映了校准曲线与给定直线的一致程度，该直线是通过某种方法确定的理想直线。线性也称为非线性。参考GB / T18459-2001“传感器主要静态性能指标计算方法”中的线性定义：正负冲程相对于参考线（拟合直线）的实际平均特性曲线偏差，规模产出。该指标通常表示为线性误差
本文采用最小二乘法来评估线性，即拟合直线是最小二乘直线。最小二乘直线保证传感器实际输出的平均值具有其偏差的平方和，即可以保证由拟合的直线获得的结果。测量结果之间的偏差较小且更可靠。根据定义，线性度是校准曲线偏离该最小二乘拟合线的程度。
4、插入式电磁流量计造成非线性现象
插入式电磁流量计用于冲压插入被测管道的适当位置，测量导电流体的流量，并可在恒定流量下取出进行清洗和维护，操作非常方便。但是，插入管道中的探头等同于将管道装置引入到管道的流场中。流体在探头周围流动，如图2所示。
插入式电磁流量计围绕探头流体流动
当流体在探头周围流动时，由于存在粘滞力，探头表面会形成边界层。随着流体沿曲面上下流动，边界层的厚度增加。越靠近墙壁，流场变化越复杂[3]。流场分布的变化会增加测得的平均流速和实际流速之间的误差。而当反压梯度足够大时，回流会导致边界层分离，并形成尾涡，即边界层分离，这会增加非线性现象。也就是说，测得的平均流速和流入流速之间的非线性导致感应电动势。与测量流量的线性关系被破坏，插入式电磁流量计测量的准确性降低。
影响这种线性关系的因素很多，主要有插入式电磁流量计安装角度[4]，插入深度，探头形状等。安装角度和插入深度对输入和输出信号之间的线性关系的影响可通过正确安装流量计和校准实验来消除。因此，本文研究的插入式电磁流量计的线性原因主要是探头插入管道的形状。不同探头形状对管道内流场分布的影响是不一样的。
在本文中，FLUENT软件用于模拟四种不同形状的插入式探头对管道流场的影响。在5m / s到15m / s的范围内，选取几个典型的速度点作为进气速度，并将两个垂直于进气流方向的电极横截面的平均速度作为信号采集平均流速。关系。通过比较流速与通过比较在不同形状的探针下获得的最小二乘拟合直线获得的实际流量之间的偏差来判断线性，从而获得具有最佳线性的探针。
5、数值模型设计
本文采用预处理软件GAMBIT构建工程中常用的四种插入式电磁流量计探头，如图3所示。管道内径设置为400mm，插入深度为120mm，探头半径为32mm，电极半径为5mm。
5.1湍流模型
本文的湍流模型采用工程中应用最广泛的标准k-ε模型[5]，需要求解湍动能及其耗散率方程。在这个模型中，湍动能k和耗散率ε的输运方程如下
5. 2网格划分
GAMBIT软件用于对流场进行网格划分。由于要模拟的区域是三维流场计算区域，因此需要尽可能确保精度，以使操作尽可能简单。因此，在探针周围的区域附近形成密集的网络。为了满足计算要求，网格和相对较薄的网格在前后直管区域内分开。本文中使用的网格格式单元为Tet / Hybrid，指定的格式类型为TGrid，表示指定的网格主要由四面体网格构成，但可以在适当的位置包含六面体。锥形和楔形网格单元。
5.3建立离散化方程
本文利用目前工程中最广泛使用的有限体积法[6]将计算区域分成一系列控制体积，并将每个控制体积的微分方程积分以获得离散方程。通用守恒方程，用于求解这些控制器上的质量，动量，能量，成分等
其中，左边的第一个项目是一个临时项目，第二个项目是对流项目，右边的第一个项目是扩散项目，第二个项目是一个普通的源项目。方程中的φ是一个广义变量，它可以表示一些物理量，如速度，温度，压力等，Γ是对应于φ的广义扩散系数，以及端点处变量φ的边界值已知。
在控制方程中使用SIMPLE算法是压力校正方法之一;并采用二阶迎风风格使计算结果更加准确。
5. 4确定边界条件
在实验中，常温常压下管道内的流体采用水（20℃，1atm），管道入口边界条件为进口速度，管道出口边界条件为压力出口。选择以下8个速度点进行模拟：0.5米s，1.0m / s，2.5m / s，5m / s，7.5m / s，10m / s，12.5m / s，15m / s，观察流场分布，可得到平均流速的信号采集。
6、仿真结果和计算
通过FLUENT仿真可以看出，由于探头的插入，探头周围的流体流动，导致管道内流场的变化，破坏了流场的稳定性，也就是说，这种变化引线到插入式电磁流量计的输入和输出。信号之间的线性降低。也可以在0处获得。在5m / s到15m / s的流速范围内以不同的流入速度收集的信号的平均流速如下表1所示。
从表1可以看出，由于插入式探头的影响，稳定的流场受到干扰。速度越大，扰动程度越大，流场越混乱和复杂。如上面表格中的数据通过matlab软件中的多重拟合函数进行的最小二乘线性拟合导致四个拟合的最小二乘线，如图5所示。 4。
四条拟合线对应四个拟合公式收集到这些公式中的信号的平均速度可以通过其最小二乘线性拟合表达式获得，如表2所示。
从表2可以看出，通过拟合直线与最小二乘得到的流量与实际流量之间的偏差非常小，即通过拟合具有最小二乘的直线获得的流量为非常接近真实值，表明最小二乘法用于模拟直线可靠性的线性评估。因此，这种拟合方法是可行的。比较表2中的数据和实际速度，得到拟合残差，如表3所示。
根据上表中的数据，可以找到对应于相应探头形状的最大最小二乘线性拟合残差，因此理论满量程为14. 5，根据（4），我们可以计算这些最小二乘线性度四种形状，如表4所示。
从表4可以看出，在相同的速度范围内，形状（4）的线性相对好于其他形状的线性，并且使用该形状的流量传感器探头的范围比可以达到1:30 。达到1级精度要求。解释在相同的条件下，探头形状是（4）插入式电磁流量计测得的数据更准确，减少了后续数据的线性补偿计算，更适合工程应用。
7、实验校准
根据四种探针线性度的相对优点，确定了理论上线性最好的探针形状，即形状（4）。为了实际验证这个结论，在用于校准测试的该形状的探针的基础上制作了测试原型。本文采用体积时间法[7]对形状样机（4）进行校准，得到实测仪器体积流量值和标准装置体积流量值，如表5所示。
从校准实验数据可以看出，通过形状（4）得到的原型指示误差的最大值为0.91％，小于1.0％，原型可以认为是1级。0级精度要求。可以看出，仿真结果与实验数据一致，即形状（4）可以减小非线性，扩大线性范围。
8、结论
本文采用FLUENT软件对工程中常用的四种不同形状的插入式电磁流量计探头进行了仿真，然后通过最小二乘法线性评估对这四种不同形状模拟速度测试结果进行线性评估和比较。结论如下：
1）插入管道的探头壁面会引起流场中的边界层甚至边界层分离，影响探头附近的流场，破坏流场的稳定性，降低插件的线性度，在电磁流量计中，从而影响其测量。准确性。
2）与四种探针的线性相比，四次探针的线性相对较好。
3）模拟数据与实验数据的比较验证了所提出设计的合理性和可行性。可以认为，通过改变插入式电磁流量计探头形状来扩大线性范围是一种有效的研究方法，为开发更高性能的插入式电磁流量计提供了新的理论依据。
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