非导电物质对一体式电磁流量计影响径向仿真结果分析

摘要：一体式电磁流量计开始应用于多相流流量测量，运用有限元软件 Ansys 对一体式电磁流量计中存在非导电物体建立径向仿真模型，在径向截面上研究了流量计中含有非导电物质时流量计的响应特性，并以此分析了含水率不同对流量计信号的影响，为一体式电磁流量计在多相流测量中提供一定的依据。
一体式电磁流量计具有对流速分布不太敏感及管道中无阻碍流动的部件等，将其应用于多相流中时具有独特的优点，但一体式电磁流量计的基本理论是建立在单相流上的。根据电磁感应定律，外加磁场中通过导电流体时，流体切割磁力线可产生感应电动势，依据感应电动势的大小可以测量流体的速度和流量。当流体中出现非导电物质时(如油气泡等)，流量计感应电动势会发生变化，影响流量测量结果，因此分析非导电物质对流量计的响应特性是很有必要的。
王月明等运用 Ansys 对流体中存在相互重叠的油气泡对流量计敏感场影响进行了分析研究，并在二维轴向模型下对连续油起泡对流量计的敏感场影响进行分析研究;Kang D H 等对流体中有段塞流的数值信号的预测和校准进行了研究。Zhang X Z 在简化的二维模型下求解了气泡处于流量计横截面不同位置时虚电流的分布情况。笔者运用有限元软件 Ansys 对一体式电磁流量计测量中出现油气泡建立径向截面仿真模型，在此模型下研究油气泡对一体式电磁流量计敏感场的影响，同时对流体中含水率不同时流量计的响应特性进行研究，研究结果可为多相流的电磁感应测量提供一定的理论依据。
1 敏感度定义 ①
一体式电磁流量计的基本方程为:

式中 A ———对所有空间积分;
B ———磁场强度;珒
———虚电流密度，是一个完全由 A 上的电边界条件所决定的量;
U———两电*的电势差;
 V ———流体速度。
虚电流决定着一体式电磁流量计测量区域权值函数的分布情况，也就影响着一体式电磁流量计内部敏感场分布情况。
为了定量地考查流量计内部非导电物质对一体式电磁流量计敏感场的分布影响，定义 c 为敏感场灵敏度:

其中，jx表示有非导电物质虚电流在 x 方向上的分量，x方向即电*方向;j 0x 为没有非导电物质时虚电流在 x 方向上的分量。
2 非导电物质对流量计影响径向仿真
笔者探讨在一体式电磁流量计径向截面位置开始出现油气泡时一体式电磁流量计感应信号的响应情况。在仿真模型中，设定这样一个过程，在连续时刻 t 1 、t 2 、t 3 、t 4 ，流量计电*位置的径向截面上分别开始出现一个油气泡(非导电物质)，在 t 5 时刻出现的4 个油气泡的半径变大。在这一过程中，研究非导电物质(油气泡)的增加与变化对流量计输出信号的影响情况;这一过程中，流体中的含水率也在变化，同时研究含水率对流量计的影响情况。图 1 所示为流量计截面中油气泡(非导电物质)增加与变化时的 Ansys 仿真图，图 1a ～ e 中分别显示的是 t 1 ～ t 5 时刻虚电流 x 方向分量的 An-sys 图。

图1 油气泡存在流量计中 x 方向虚电流分布情况
对 Ansys 仿真实验数据通过 Matlab 进行结果分析。图 2a ～ e 分别为 t 1 ～ t 5 时刻流体中存在油气泡流量计测量区域虚电流在 x 方向上的分布图及其等势图。从图中可以看出:当流体中油气泡增加时，流量计测量区域的敏感场发生变化，且流体中油气泡越多，对流量计测量区域敏感场影响越大。为了更客观地反应这种现象，下面运用敏感场灵敏度 c 进一步进行研究。


3 仿真结果分析
为了清晰地获得以上 5 种情况下油气泡对流量计虚电流分布的影响，运用敏感场灵敏度来刻画非导电物质在不同情况下对流量计敏感场灵敏度的响应特性。图 3 所示为以上 5 种多个非导电物质存在情况对流量计敏感场灵敏度响应特性分析。从图3中可以看出，随着非导电物质的个数在流体中的增加，流量计敏感场灵敏度也不断增加，说明对一体式电磁流量计的输出信号的影响也越大。图 3 中 t 3 时刻敏感场灵敏度 c 较 t 2时刻增加较小，这是 t 3 时刻增加的油气泡较小，而在 t 1 ～ t 5时刻增加的油气泡较大时，流量计敏感场灵敏度 c变化较大，说明流体中出现较大的油气泡对流量计测量影响较大。

图 4 所示为流体中含水率与流量计感应电流之间关系。从图 4 中可以看出，随着流量计流体中含水率的增加，流体中虚电流特性(J b /J w )也逐渐增加。虚电流特性指的是流体中含有非导电物质时虚电流 J b 与流体为全水状态下虚电流 J w 的比值。从仿真图上可以看出:流体中含水率与流量计的输出结果不是简单的线性关系，含水率越大，流量计截面就越接近全水状态下的测量值。
4 结束语
笔者运用有限元软件对一体式电磁流量计含有非导电物质(油气泡)时对流量计敏感场进行径向建模仿真分析，在建立的仿真模型上分析了流体中出现一系列非导电物质时对流量计传感器截面上敏感场的影响情况，同时也得到了含水率与流量计感应信号之间的关系。仿真结果可为一体式电磁流量计在多相流的测量提供一定的依据。