電磁超聲流量計(jì)仿真與設(shè)計(jì)-會(huì)議論

1、電磁超聲流量計(jì)仿真與設(shè)計(jì)摘要：本文設(shè)計(jì)一種電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)相結(jié)合的復(fù)合式流量計(jì)。此種新型流量計(jì)可對(duì)不同種類的液體有針對(duì)性的進(jìn)行計(jì)量，發(fā)揮各自單獨(dú)優(yōu)勢(shì)，提高計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并且可以使用超聲波流量計(jì)定期對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的自校準(zhǔn)。采用FLUNT仿真軟件，研究換能器對(duì)電磁流量計(jì)電極附近流場(chǎng)的影響，計(jì)算電極垂直截面處流體的平均流速以及流場(chǎng)穩(wěn)定性，確定換能器最佳安裝位置。仿真結(jié)果表明，兩個(gè)換能器之間的垂直距離在80mm時(shí)，電極截面附近平均流速與入口給定流速相近，并且流場(chǎng)穩(wěn)定，無漩渦存在，為實(shí)際管道加工提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：中圖分類號(hào)：TB937Abstract:Key Words:前

2、言電磁流量計(jì)由于其壓損小、量程范圍寬、精度高并且可測(cè)量各種漿液等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地使用在工業(yè)工程中一些導(dǎo)電液體的流量測(cè)量，大口徑電磁流量計(jì)被應(yīng)用于城市自來水供應(yīng)、污水排放等關(guān)系到國(guó)計(jì)民生、貿(mào)易結(jié)算等流量計(jì)量領(lǐng)域1。電磁流量計(jì)流量量值通常在制造廠經(jīng)過流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)流校準(zhǔn)，然而在現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)和使用條件偏離實(shí)流校準(zhǔn)時(shí)的參比工作條件，或者是貿(mào)易交接計(jì)量需要短期內(nèi)需要進(jìn)行周期檢定，以及不容許停役管線離線校準(zhǔn)的場(chǎng)所，需要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)2，以確保計(jì)量數(shù)值準(zhǔn)確可靠。流量?jī)x表在線校準(zhǔn)是在現(xiàn)場(chǎng)將流經(jīng)待校準(zhǔn)儀表的流體臨時(shí)接入流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具進(jìn)行比較。電磁流量計(jì)電極和超聲流量計(jì)換能器安裝在同一段測(cè)量管上，

3、可實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)的在線自校準(zhǔn)。流量計(jì)管道模型建立 電磁流量計(jì)安裝時(shí)，電極與勵(lì)磁線圈在空間上相互垂直。超聲波換能器與電磁流量計(jì)共用同一段管體，若換能器與勵(lì)磁線圈安裝在同一截面，由于勵(lì)磁線圈體積過大，必然導(dǎo)致安裝不便，所以考慮換能器與電極安裝在同一截面上，換能器分布于電極兩側(cè)，以Z型進(jìn)行安裝。 電磁流量計(jì)是通過檢測(cè)管道內(nèi)流體的平均流速來求得流量。此處平均流速，是指管道垂直截面上的平均流速。超聲波流量計(jì)部分采用雙探頭單聲道時(shí)差法原理，兩探頭之間距離為，聲道與管壁傾角，順流傳播時(shí)間為，逆流傳播時(shí)間為。容易推算出管內(nèi)流體的平均速度：式中：；為聲波在兩探頭間流體中直線傳播次數(shù)，上述情況；為管道內(nèi)直徑。管道

4、模型采用DN50管道，為了得到充分發(fā)展的流場(chǎng)，基表上游直管段取的長(zhǎng)度，下游直管段取的長(zhǎng)度3。換能器直徑為10mm，如圖1所示，插入深度約為5mm。圖2為復(fù)合流量計(jì)的管道模型。 圖1 超聲波換能器 圖2 復(fù)合流量計(jì)管道模型 Figure.1. Ultrasonic transducer Figure.2. Compound flow meter pipe model網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置采用Solideworks對(duì)管道整體結(jié)構(gòu)建立模型。綜合考慮節(jié)省管道材料，換能器安裝不影響電磁流量計(jì)正常工作，以及電磁極板安裝方便等因素，共建立4組模型，管道口徑均為50mm，換能器之間的垂直距離()分別為40mm

5、、60mm、80mm和100mm，然后將4組模型導(dǎo)入Gambit繪制網(wǎng)格。由于換能器附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單獨(dú)劃分，其他管道部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即可滿足要求，網(wǎng)格尺寸均設(shè)定為1.5，網(wǎng)格數(shù)量為43萬個(gè)。圖2為網(wǎng)格劃分示意圖。圖3 復(fù)合流量計(jì)網(wǎng)格劃分示意圖Figure.3. Schematic of composite meter mesh基于該流量計(jì)的用途，管道內(nèi)的流體選取液液態(tài)水，水溫設(shè)置為常溫20，入口速度設(shè)定為小流量0.5m/s和常用流速4m/s，出口設(shè)置為OUTFLOW。由式（1）可得出雷諾系數(shù)，管道內(nèi)的流體為湍流狀態(tài)。針對(duì)發(fā)展非常充分的湍流流動(dòng)模型，選取標(biāo)準(zhǔn)模型來計(jì)算，可使得計(jì)算結(jié)

6、果更加精確。對(duì)于圓形管道，水力直徑就等于圓管直徑，湍流強(qiáng)度4按公式（2）可得 。湍流長(zhǎng)度尺寸按公式（3）進(jìn)行計(jì)算。 （1）式中：為20水的運(yùn)動(dòng)粘度；為入口水流速；為特征尺寸，即管道直徑。 （2）式中：和分別為湍流脈動(dòng)速度與平均速度。 （3）由湍動(dòng)能按公式（4）可計(jì)算得出。 （4）在已知湍流長(zhǎng)度尺度情況下，湍流耗散率可按照公式（5）來計(jì)算可得出。 （5）式中：按經(jīng)驗(yàn)取值0.095。 由于液態(tài)的水處于不可壓流動(dòng)，所以在求解離散方程時(shí)，采用FLUENT默認(rèn)狀態(tài)下的分離求解器，計(jì)算空間選擇三維模型，時(shí)間上選擇穩(wěn)態(tài)，欠松弛因子保持默認(rèn)狀態(tài)，殘差收斂精度設(shè)為10-4，迭代次數(shù)設(shè)置為10000次，實(shí)際迭代2

7、000次左右就收斂，終止迭代。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在邊界條件設(shè)置相同情況下，采用FLUNT對(duì)不同模型進(jìn)行求解計(jì)算，截取電極處垂直于管體截面的速度分布云圖，如圖4（入口流速0.5m/s）、圖5（入口流速4m/s）所示，分別為換能器之間不同垂直距離的等速線剖面圖。 （a）換能器相距40mm速度分布圖 （b）換能器相距60mm速度分布圖 （a）velocity profile of transducer apart 40mm （b）velocity profile of transducer apart 60mm （c）換能器相距80mm速度分布圖 （d）換能器相距100mm速度分布圖（c）velocit

8、y profile of transducer apart 80mm （d）velocity profile of transducer apart 100mm圖4 入口流速0.5m/s時(shí)電極截面速度分布圖Figure.4. The electrode-sectional velocity profile y when the inlet velocit is 0.5m/s. （a）換能器相距40mm截面圖 （b）換能器相距60mm截面圖（a）velocity profile of transducer apart 40mm （b）velocity profile of transducer

9、apart 60mm （c）換能器相距80mm截面圖 （d）換能器相距100mm截面圖（c）velocity profile of transducer apart 80mm （d）velocity profile of transducer apart100mm圖5 入口流速4m/s時(shí)電極斷面速度分布圖Figure.5. The electrode-sectional velocity profile y when the inlet velocit is 4m/s. 電極1流體入口電極2 圖6 換能器相距80mm管內(nèi)流體速度分布圖Figure.6. The fluid velocity d

10、istribution in pipeline when gap between transducers is 80mm.據(jù)以上流速分布圖，容易看出兩個(gè)換能器之間距離在低于60mm時(shí)，電極截面附近流場(chǎng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)高流速集中在管道兩側(cè)，導(dǎo)致利用超聲和電磁原理計(jì)量流量不準(zhǔn)確。當(dāng)換能器相距80mm以上時(shí)，流場(chǎng)流速均勻分布在整個(gè)管道內(nèi)，可知此時(shí)換能器的安裝對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)影響很小，可忽略。圖6展示了換能器相距80mm，入口流速為4m/s，管道內(nèi)部流場(chǎng)的縱向截圖，可以清晰的看出電極斷面處和換能器之間的流場(chǎng)幾乎沒有受到換能器安裝的影響，兩換能器之間的安裝距離超過80mm，可認(rèn)定為合理安裝距離。在計(jì)算電極截面處平

11、均流速時(shí)，為減小誤差，在電極截面前后每相隔2mm截取一個(gè)截面，共取7個(gè)截面，即電極截面向前取3個(gè)截面，向后取3個(gè)截面。然后計(jì)算出7個(gè)截面平均流速，最終結(jié)果如表1所示。表1 電極截面附近平均流速Table.1. Theaverage flow velocity near the electrodesection入口速度（m/s） 40mm（m/s） 60mm（m/s） 80mm（m/s） 100mm（m/s）0.540.501379014.01588680.500575014.0065084 0.50065464 4.00557420.499962124.0012851 由表中數(shù)據(jù)可得出，電極截

12、面附近平均流速隨著換能器之間距離的增加誤差越來越小，結(jié)果和圖4、圖5流速分布圖相吻合，說明換能器相距越遠(yuǎn)，對(duì)電極附近流場(chǎng)影響越小。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表3 智能電磁超聲流量計(jì)檢定記錄檢定流量點(diǎn)（m3/h）電磁體積（L）超聲體積（L）標(biāo)準(zhǔn)體積（L）檢定時(shí)間（s）流量點(diǎn)流速（m/s）電磁誤差（%）超聲誤差（%）電磁重復(fù)性（%）超聲重復(fù)性（%）34.95334.97334.98424.88524.89324.90310.14210.13310.125490.74500.55496.63496.27497.24494.65100.44100.64100.27492.80502.72498.52495.4749

13、8.21496.59100.43100.51100.40492.20502.20497.50493.60496.20494.80100.30100.45100.1550.69451.69451.19571.40871.76171.52835.60335.68735.6084.944.954.953.523.523.521.431.431.43-0.296-0.328-0.1740.0540.021-0.0300.1380.1920.1170.1230.1040.2050.3790.4060.3610.1330.0620.2520.0810.0420.0390.0540.0230.096當(dāng)每個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)檢定n次時(shí),該流量點(diǎn)的重復(fù)性按下式評(píng)定：式中：第檢定點(diǎn)的重復(fù)性。6 結(jié)論 電磁流量計(jì)管體長(zhǎng)度基本已標(biāo)準(zhǔn)化，管體內(nèi)安裝超聲波換能器，換能器對(duì)流體有阻礙作用。在不增加管體長(zhǎng)度的情況下，采用FLUNT軟件，改變換能器之間的距離進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明換能器的安裝對(duì)管體中部截面流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，隨著換能器之間距離的增大，影響隨之減小，當(dāng)換能器距離大于80mm時(shí)，影響幾乎可以忽略，為實(shí)物安裝提供了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1