运用有限元软件ANSYS对电磁流量计中存在非导电物体建立的仿真模型，研究了不同内径 管道对电磁流量计敏感场响应特性的影响，为电磁流量计测量两相流时传感器电极尺寸设计提供一定 的参考，也为电磁流量计在一定管径下两相流测量的误差分析提供理论依据。
0、引言：
电磁流量计是一种利用电磁感应原理进行测量 的仪表。电磁流量计应用于多相流中时具有独特的 优点’如对流速分布不太敏感’管道中无阻碍流动的 部件等。近年来，在一些特殊领域中电磁流量计逐 步开始应用于多相流流速的测量。许多学者对电磁 流量计在多相流的测量问题上开始了研究。张小章 在简化的二维模型下分别求解了单个气泡处于流量 计管轴线和横截面不同位置时虚电流的分布情况，并对流体中含有一个气泡时电磁流量计虚电 流的三维特性进行了研究;Jae-EunCha等运用2个 流量计来计算空隙率的大小;王月明等对电磁流量 法测量油气水多相流进行了一系列的研究。
本文运用有限元软件ANSYS对电磁流量计中存 在非导电物体建立仿真模型，在此模型下研究了流量 计传感器的管直径大小与非导电物质大小变化对流 量计敏感场影响。研究结果可为电磁流量计在一定 管径下两相流测量误差提供一定的分析依据。
1、敏感场灵敏度定义：
当导电流体流过外加磁场时，作切割磁力线运 动。根据法拉第电磁感应定律,通过测量感应电动势 的值来求出流体速度和流量。这就是电磁流量计测 量流量的基本原理。当流体中出现非导电物质时，会 使感应电动势的分布发生变化。电磁流量计的基本 方程：
虚电流是电磁流量计理论中一个重要的量。它 决定着电磁流量计测量区域权重函数分布情况。 也就决定着电磁流量计内部敏感场分布情况。
为了定量地考查电磁流量计内部非导电物质对 电磁流量计敏感场的分布影响,定义C为敏感场灵敏 度,其定义如式(3)所示：
为了清晰地描述电磁流量计中流体中存在非导 电物质时，电磁流量计的响应特性情况，运用敏感场 灵敏度c来刻画这一响应结果。
2、仿真模型及仿真实验：
2.1、仿真模型：
仿真实验是在ANSYS环境下进行的，为了考查电 磁流量计传感器中不同管径大小对流量计存在非导 电物质流体响应特性影响情况。仿真模型为垂直上 升管，如图1所示，ANSYS仿真模型中只对电磁流量 计中的流体进行建模，2个电极中心方向称为x轴，2 个电极相距为2R，流体中心轴称为y轴，x轴与y轴构 成直角坐标系，两轴交汇点为坐标原点，设定仿真模 型高度为10R(即y轴是从-5R到5R)，分别如图1所 示。电极两端给一定的电压值，一定半径的非导电物 质由流体底部进人，沿着y轴随着上升的流体向上运 动，仿真实验对电磁流量计中流体的虚电流进行考 查，从y轴-4.5R到4.5R每隔0.5R采集1次仿真数 据。通过分析，以获得电磁流量计存在相同半径非导 电物质在不同半径管道或不同电极大小时对流量计 响应特性影响情况。 电流进行考查，以获得流体中相同大小非导电物质对不 同半径管道的电磁流量计敏感场影响情况。
图1 ANSTS仿真模型
2.2仿真实验
仿真实验中，设定通过电磁流量计的非导电物质大 小不变，流量计内壁管径的直径设定为0.8及，R，1.2R， 1. 4R，1.6R，流量计流体中设定半径为0.1R的非导电物 质通过电磁流量计的中心轴，对电磁流量计中流体的虚电流进行考查，以获得流体中相同大小非导电物质对不 同半径管道的电磁流量计敏感场影响情况。
为了节省篇幅，这里只显示其中一个实验的部分 仿真图，如图2所示。从仿真结果可以发现不同管径 大小对电磁流量计的虚电流分布是有一定影响的，但 这些分布性的仿真结果无法较好地在数值上给予电 极大小与管径变化对流量计敏感场影响大小情况的 说明。下面将在仿真结果分析中通过敏感场灵敏度c 对仿真数据分析。
3、仿真结果分析：
为了详实地考查管直径变化下对流量计敏感场 灵敏度影响，运用敏感场灵敏度c分别对每个仿真实 验进行分析并对比实验结果。
图3为不同大小内径管道与流量计敏感场灵敏度 关系图，横轴表示非导电物质在电磁流量计y轴的位 置，纵轴为敏感场灵敏度c，图中各条线分别代表了不 同测量管径大小时非导电物质在不同位置时敏感场 灵敏度c的变化情况。
对于半径一定的（本例为0.1 R)非导电物质，管 道半径越大，在电极（y轴坐标原点）附近非导电物质 对电磁流量计的敏感场灵敏度c的响应特性就越小， 仿真实验也可以说明，当电磁流量计管道半径变小 时，非导电物质对电磁流量计的敏感场灵敏度影响在电极(y轴坐标原点）附近变化是比较快的；流量计管 道半径变大时，非导电物质对电磁流量计的敏感场灵 敏度影响在电极附近变化变得缓慢。仿真实验可得 出：在电磁流量计电极一定时，根据测量流体中非导 电物质的大小以及电磁流量计管道半径可以估计出 该电磁流量计的两相流测量精度（敏感场灵敏度响应 情况），为测量两相流的电磁流量计传感器误差分析 提供一定分析依据。
电磁流量计对于管道安装的要求：
电磁流量计现场安装需要注意很多事项，否则会导致流量仪表计量不准，因此，客户在购买电磁流量计时一定要注意安装的位置，避免大型干扰源。
1.旁路管的安装
为便于在工艺管道继续流动和传感器停止流动时检查和调整零点，应装旁路管。但大管径管系因投资和位置空间限制，往往不易办到。根据电极污染程度来校正测量值，或确定一个不影响测量值的污染程度判断基准是困难的。除前文所述，采用非接触电极或带刮刀清除装置电极的仪表，可解决一些问题外，有时还需要经常清除传感器内壁附着物，则应按图6—18所示便于清洗的管线布置，在不卸下传感器就地清除。对于管径大于1．5～1．6m，测量原水等易沉积的管系在电磁流量计附近管道上，预置人孔，以便管系停止运动时清洗传感器
测量管内壁。
2．管系进口处理
流程工业的管道系统进口常接于容器或高位槽，公用事业管道系统进口常接于水池或河渠，进口必须在液（水）面下有2～5倍进口管直径的距离。若相距过近，吸入口会产生漩涡，卷入液体与空气交界面的空气，随漩涡进入管道，影响正常测量。
3．手动或自动排气阀的安装
液体在管中流动由于各种原因可能混有气泡，如流量传感器水平地安装在管系的高点或次高点，极易积集于水平管道上部和流量传感器测量管内，电磁流量计会出现输出晃动等故障现象. 为便于检查故障原因和排除积聚气体，应在高点或次高点的流量传感器下游附近设置手动排气阀，定期检查和排气。若管系发生气泡概率较高或经常混有气泡，则应在流***传感器上游设置集气罐和自动排气阀，这一技术措施对于测量江河汲取原水的中大型电磁流量计极为重要，因为这类应用场所往往含有气泡。某仪表制造厂近年在原水应用现场服务遇到这类事例就近20起，占故障案例的4％。
4．接地
传感器***好单独接地（接地电阻10Ω以下或100Ω以下），分离型原则上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环一起接地处，还要用较粗铜导线（16立方毫米）传感器跨接管道两连接法兰上，使阴极保护电流与传感器之间隔离。有时候杂散电流过大，如电解槽沿着电解液的漏电流影响电磁流量计正常测量，则可采取流量传感器与其连接的工艺之间电气隔离的办法。同样有阴极保护的管线上，阴极保护电流影响电磁流量计测量时，也可采取本方法。
电磁流量精度改变问题解决办法：
电磁流量计现在已经在工业生产中被广泛地使用，其结构形式通常有一体式、管道式、分体式、插入式，实际生产中中管道式电磁流量计的使用量更为大一点，我们在分析电磁流量计的测量度发生改变的现象之前，有必要对于管道式电磁流量计的结构作一个大致的介绍，电磁流量计的结构主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器这几个部分组成，每一个部分对于测量精度的保证都有不同的要求，我们在选择产品类型时要根据我们测量环境的具体要求，作出具体的选择。
首先是磁路系统，这是管道式电磁流量计工作的核心部件：作用原理是系统会产生均匀的直流或交流磁场。直流磁路用磁铁来实现，其优点是结构比较简单，受交流磁场的干扰较小，但它易使通过测量导管内的电解质液体极化，使正电极被负离子包围，负电极被正离子包围，即电极的极化现象，并导致两电极之间内阻增大，因而严重影响仪表正常工作。当管道直径较大时，磁铁相应也很大，笨重且不经济，所以管道式电磁流量计一般采用交变磁场，且是50HZ工频电源激励产生的。
测量导管：有了测量导管才能够让被测的导电性液体通过，籍此产生相应的流量数据。测量导管的物理性质也会直接对测量数据的产生影响，为了使磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路，测量导管必须采用不导磁、低导电率、低导热率和具有一定机械强度的材料制成，可选用不导磁的不锈钢、玻璃钢、高强度塑料、铝等。
测量电极是直接与所测液体介质接触，通过其产生并引出和被测量成正比的感应电势信号。电极一般用非导磁的不锈钢制成，且被要求与衬里齐平，以便流体通过时不受阻碍。它的安装位置宜在管道的垂直方向，以防止沉淀物堆积在其上面而影响测量精度。并且长期的使用过程中若是测量介质容易沾污电极或在测量管壁内沉淀、结垢、应定期作清垢、清洗。
外壳：应用铁磁材料制成，是分配制度励磁线圈的外罩，并隔离外磁场的干扰。
衬里：在测量导管的内侧及法兰密封面上，有一层完整的电绝缘衬里。它直接接触被测液体，其作用是增加测量导管的耐腐蚀性，防止感应电势被金属测量导管管壁短路。衬里材料多为耐腐蚀、耐高温、耐磨的聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。
转换器是产生***终输出数据的部分：由液体流动产生的感应电势信号十分微弱，受各种干扰因素的影响很大，转换器的作用就是将感应电势信号放大并转换成统一的标准信号并抑制主要的干扰信号。其任务是把电极检测到的感应电势信号Ex经放大转换成统一的标准直流信号。
一般情况下，只要造型恰当，工作条件理想，管道式电磁流量计的工作都是比较可靠的。不过长期使用后仪表度也可能下降甚至不能工作。如果是仪表显示值明显不符合流体物料平衡规律或已经没有显示值（先排除一些很明显的原因），可以先把转换器与传感器断开，单独用“自校”功能检查转换器，如果发现问题，可以用“换印刷板”的办法逐一排查，或更换转换器，尽快使流量计恢复正常工作。如果不是转换器的原因，则要检查传感器。具体的操作方法如下：
(1) 没有显示值，首先检查各路接线情况及各端子对“地”的绝缘，若没有发现问题，再关闭阀门、使流体断流，在传感器断电的情况下仔细检查。
(2) 有显示值但有误差。先连上转换器，在通电的情况下关闭阀门，使流量等于零，测量“基准电压”（仪表出厂时一般都提供此数据），与仪表出厂时的数据相比较，若有问题，则断开电源、断开转换器、检查2个电极分别对“地”（液）的电阻，应该基本相等且在数kΩ的范围。如果电阻值相差悬殊或过大，则可能是1个或2个电极的表面粘附了脏物或者接线端子接触不良;若电阻值接近无穷大，则可能是断路；如果电阻值接近零，则可能是电极处泄漏、绝缘破坏。发现问题后可以对症处理。
(3) 传感器的测量管内没有充满流体或者含有气体，流量显示值误差增大。
(4) 流量显示值变化异常且没有规律，则可能是流体介质里含有铁磁性物质或者在附近出现了强磁场干扰（如 电机、变压器、电焊机等），证实后即可对症处理。
如果是外界电磁场干扰，可以把干扰源移出，不行时，则可以在管道式电磁流量计的外壳上加“屏蔽壳”，注意壳子不能有缝隙，而且要有良好的接地。如果是流体中含有铁磁性物质，可以在流量计上游加装磁性过滤器，要注意经常清理过滤器。如果是流体没有充满流量计，则要改变安装地点或者在流量计的下游加装阀门、提高其背压，使测量管内没有气体、始终充满液体。
如果是仪表显示值明显不符合流体物料平衡规律或已经没有显示值（先排除一些很明显的原因），如果检查出来是因为电极被粘附、脏污，可以选用“可拆电极”，取出电极清理，或者选用“刮刀式电极”，在不停流的情况下就可以旋转刀片、清理电极。
4、结束语：
本文运用有限元软件对流体中含有非导电物质时 对电磁流量计敏感场响应特性进行建模仿真，通过模型 分析了流量计管道内径大小与流量计的敏感场灵敏度 响应特性的关系。研究结果为一定管径下电磁流量计 两相流测量的误差分析提供一定的理论依据。
