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        電磁流量計

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        流場分布對電磁流量計測量的影響

        來源:作者:發表時間:2019-02-28 08:59:24

         1、管道中流速分布的仿真  

               上文提到,管內流體狀態并不會影響到電磁流量計的測量結果。無論是湍流,還是層流,都能夠有效的測量。所謂層流,即液體以分層的形式在管內流動。管道軸線、層間是平行的,則各層間獨立,無混雜(無交換流體質點)情況。流體流量、壓力降間關系密切,二者保持正相關關系。如果出現湍流狀態,則流體的運行方向將十分復雜,不僅徑向,也會同軸線平行,過程非常的劇烈。流量平方、壓力降存在正相關關系。  怎樣對流體運動狀態進行區分是難題。通過關系模型,得到了 Re(雷諾數)。作為無量綱數,Re 同運動流體的粘性、慣性存在關系。具體可見式(2.1):  
        20190228090147.jpg
               流體流速平均值為 u,單位 m/s;流束尺寸是 L,單位 m;液體在流動時,存在的運動粘度為v ,單位 m²/s。 
             當 ReD≤2320 時,可判斷管內流體為層流。若 ReD>2320,則管內流體為湍流。在圖 2.1,展示了管內流體的不同運動狀態: 
        管道中層流與湍流時的速度分布圖
               通常情況下,人員會將阻流部件添加到管道,比如,漸擴管、閥門、彎頭等。通過阻流件對流體進行干擾,能夠改變原有的流場。對阻流件的應用同流速間的關系進行分析,了解流場速度情況,本次設計添加了漸縮管、90°彎頭。在圖 2.2(b),展示了90°彎頭外型、內部網格設計情況。在彎頭位置,存在 200mm 曲率半徑,管道直徑=100mm??紤]到彎頭性能的發揮,彎頭位置流體達到預期狀態。將10D 直管段設置于彎頭上部,70 直管段設置于彎頭下部。在圖 2.2(a),展示了漸縮管幾何模型。  
         
        2 、電磁流量計的理論分析
               在上文,對電磁流量計進行了數學模型構建,并得到了方程。對于式(1.3),其構建的前提為“管內存在整體流體”。也就是說,管道直徑就是流體長,其流動速度的均值是  ,能夠對磁力線進行切割,且伴隨著感應電動勢的生成。另外,在磁力線切割中,還可以從流體微元角度對流動進行討論[36]。此時,流體微元擁有各自的流速,且有著與自身對應的感生電動勢。在電極兩端,也可以測量得到電勢;微元也可生成單獨的感生電動勢。針對二者的差異,存在著分期。在研究時,應當考慮微元自身結構,并數學模型的形式對其進行解答。  
         
               考慮到電磁流量計的方程構建操作的微觀處理需要,有必要進行權重討論。通過權重分析,能夠對磁場內電極電位差、微元感生電動勢關系進行分析,對重點進行關注[37]。  
         
               在圖 2.8,展示了電極位置的管道截面結構。δl 為微元對磁力線的切割長度,以 B作為磁場強度,(x,y,z)作為微元坐標,Vz 為微元流動速度。同空間坐標對應,權重函數具有空間函數性質,即 W(x,y,z)。以公式 E=Bδl VZ作為微元生成的感生電動勢。電極端受到微元作用,存在三角 U0=W(x,y,z)·E 的電勢貢獻。流體微元為流體的基本單位,且數量非常的多。對微元感生電動勢、對應權重函數進行乘積處理后,在積分操作流體微元。**終,即為電極電勢差。  
        權重函數示意圖
        3  管道中流速的分布對測量的影響  
               在圖 2.9,展示了超聲流量計的基本結構。從圖可以發現,測量信號受到 L 線流體微元影響。也就是說,在對管內流體均速進行計算時,超聲流量計主要依靠 L 線流體微元數據進行參照式估計。根據均速,再進行體積流量的**終求解??梢?,流場在超聲流量計工作時具有顯著的地位。如果流場發生改變,測量結果也會改變。通過情況下,要確保測量的精準,即準確的估算管內流體均速,需要湍流發展充分,各項條件是一顆進行 L 線流速估算。為了實現此目的,通常會將直管段安設于上游。當時,電磁流量計并不考慮流場要素,測量工作比較穩定。這樣,在直管段安裝在上游時,其長度要求不高。  
        超聲流量計示意圖
               如果電磁流量計測量信號并不受外界環境影響,那么該信號就能夠準確的反映管道體積流量,所得值非常理想。也就是說,管道流場分布并不對測量信號產生制約。通過算式,進而得到下式: 
        20190228090323.jpg
               即如果權重函數、磁場分布滿足相應條件,那么管道體積流量將對感生電動勢產生直接性影響。此時,流速分布并不制約感生電動勢值。當然,此類結果僅僅為理論上的考量,對于實踐應用,則難以實現。研究者在磁場分布、權重函數方面展開了不同角度的分析,結論也日益豐富。但在電磁流量、速度分布關系的討論上并未取得關鍵性結果,還有很長的路要走。  
         
               在上文,筆者通過仿真模擬討論了管道中存在 90°彎頭的情況,觀察仿真圖,發現彎頭位置的流體流場必然出現不同程度的變化。同時,在流體流過彎頭后,并不能快速的恢復原有的流場水平。此外,在對閥門、漸擴管等添加的阻件開展研究時,流場情況類似。只有在直管段內流動之后,其各參數方能夠恢復到原有水平。在流量計上游位置安裝了阻流件后,能夠改變流場性質。對于漸縮管,如果直管段非常的短,那么流場就能夠實現中心對稱,且恢復速度快。  
         
               電磁流量計的研發單位十分重視流場與流量測量的關系,并希望通過結構性更改提高流量計測量的精準度以及獨立性。在相關研究中,更傾向于將直管段設置于流量計之前。該直管段長度適中[38]。有實驗數據證明,將直管段設置于流量計上游,其長度約為管徑的 5-10 倍。
         
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