电磁流量计励磁线圈不对称测量信号的分析研究*

张瑶瑶 王月明 刘 孟

(内蒙古科技大学信息工程学院)

电磁流量计励磁线圈不对称测量信号的分析研究*

张瑶瑶 王月明 刘 孟

(内蒙古科技大学信息工程学院)

运用有限元软件对电磁流量计的励磁线圈在实际制造中可能的不对称问题进行仿真研究，对它在测量区域引起的磁场分布进行分析，并对造成的电磁流量计感应信号进行了分析，得到由励磁线圈不对称引起的测量误差。

电磁流量计 励磁线圈 不对称 测量误差

电磁流量计是一种重要的流量测量仪表。近年来，学者们对电磁流量计的研究在不断深入，舒欢等对电磁流量计的电极与励磁线圈不对称误差进行了理论研究[1]；梁利平等为了处理电磁流量传感器的非平稳纸浆流量信号，提出了一种基于静态Haar小波变换的浆液流量信号分离方法，能够完整地分离出流量信号和浆液噪声波形[2]；张小章等研究了气泡引起的电磁流量计的电极与励磁线圈不对称误差[3]；王月明等对高流速两相流下电磁流量计的测量机理进行了研究[4]，为电磁流量计在生产测井方面的应用提供理论依据，提出了一种电磁相关法流量测量传感器并展开了研究[5～7]；解茜草等采用磁流源并矢Green函数模拟了倾斜线圈的电磁波传播特性[8]；刘雪扬等介绍了一种电磁传感器的循迹特性，介绍通电导线周围电磁场的模型，并用Matlab分析出磁场模型、电磁传感器高度和水平距离的关系[9]。

电磁流量计的励磁线圈在实际制造中可能不对称，尤其在较大的电磁流量计传感器制作过程中存在这个问题的可能性更大。但是，针对励磁线圈可能存在的位置偏差情况进行分析的文献却较少。笔者运用有限元软件Ansys对电磁流量计励磁线圈不对称问题建立磁场仿真模型，并在模型下进行数值仿真分析励磁线圈不对称对电磁流量计测量区域磁场强度分布的影响，对因此而带来的测量信号的变化进行分析。

1 磁场评价指标与电磁测量原理

文献[5]对电磁流量计的磁场评价指标做了描述，主要有样本平均值、变异系数和均匀区域面积。为了考察励磁线圈不对称时电磁流量计测量信号的变化，引入文献[5]中的磁场评价指标来分析励磁线圈不对称[4,5]测量区域中的磁场变化情况，进而研究瞬时感应电势值。

由Maxwell方程，并在一定的假设条件下，可得电磁流量计的感应电势值(即两电极的电势差)的表达式：

式中A——对所有空间积分；

B——磁感应强度；

L——绝缘管道筒长一半；

r——流量计截面管半径；

V——导电流体的流速；

W——矢量权重函数[6]，它是一个只由电磁流量计本身结构决定的量。

可见，只要确定了V、B、W和r，就可以求得流量计的感应电势差。

2 仿真模型与仿真实验

2.1仿真模型

为了考查电磁流量计传感器中励磁结构不对称问题，设定了如图1所示的电磁流量计励磁结构Ansys仿真模型，Ansys仿真模型中只对电磁流量计传感器测量电极截面进行建模，两个电极中心方向称为y轴，过测量管道中心垂直y轴的为x轴，x轴与y轴构成直角坐标系，管道中心为坐标原点o，线圈边缘与x轴的夹角分别为a与b，磁芯边缘与x轴的夹角为b。

图1 电磁流量计励磁结构Ansys仿真模型

2.2仿真实验

仿真实验中，设定电磁流量计左边的(x负轴向)励磁结构不变，右边的(x正轴向)的励磁结构安装角度a分别为偏置0、5、10、15°，仿真励磁线圈不对称不同角度情况下对电磁流量计测量区域磁场强度分布的影响，结果如图2所示。

可以看出，当励磁结构安置有所偏置时，电磁流量计测量区域内部磁力线方向发生变化，偏置角越大，磁力线方向变化越大。

图2 电磁流量计励磁结构偏置Ansys仿真结果

图3显示了励磁结构偏置角度为15°时测量区域的磁场分布，为节省篇幅，其他仿真图略去。可见，当励磁结构的偏置角不同时，x轴方向的磁感应强度矢量值存在一定变化，但是无法给予数值上的分析结果，下面将用磁场评价指标加以分析。

图3 磁感应强度分布

3 仿真结果分析

为了详实地考查电磁流量计励磁结构偏置对流量计测量区域中磁感应强度分布情况的影响，运用第1节介绍的磁场评价指标对励磁结构不同偏置角度下的磁场进行分析。

图4为励磁线圈偏置角不同时的磁场强度分析结果，可以看出，在励磁结构偏置时，电磁流量计测量区域的平均磁场有一定变化，偏置角度越大，测量区域的平均磁场越小。图5为励磁线圈偏置角不同时测量区域变异系数的分析结果，可以看出，励磁结构偏置角度越大，测量区域的磁场变异系数越大，即磁场强度分布波动性越大。

图4 励磁结构不同偏置下磁场强度

图5 励磁结构不同偏置下磁场变异系数

图6为励磁线圈偏置角不同时磁场强度在测量区域均匀面积分析，可以看出，在励磁结构偏置时，电磁流量计测量区域的磁场均匀区域存在变化，偏置角度越大，测量区域的均匀区域越小，即测量区域测磁场均匀性越差。

图6 励磁结构不同偏置下磁场均匀区域

图7为励磁线圈偏置角不同时电磁感应信号的分析结果，流量计瞬时感应信号是设定流体速度不变的情况下励磁结构的偏置角不同时进行的仿真。可以看出，在其他条件不变的情况下，励磁结构偏置角度越大，流量计感应信号就越小。

图7 励磁结构不同偏置下电磁感应信号

由以上仿真结果分析：电磁流量计励磁线圈存在偏置会造成电磁流量计测量区域中磁场分布变化，进而给电磁流量计测量带来一定的误差。

4 结束语

运用有限元软件对电磁流量计励磁结构存在偏置进行了建模仿真研究，通过模型分析了流量和不同励磁结构偏置情况下，电磁流量计磁场分布情况以及对流量计电极两端获取感应信号大小影响情况的研究，进而获得由励磁线圈不对称引起的测量误差。当然，目前电磁流量计出厂前会进行校准，但是在较大测量管道的应用中，实流校验成本较大，因此会选用干标定等手段，这一过程中，励磁线圈的不对称会产生一定的测量误差，笔者对此类问题进行分析研究，为电磁流量计励磁线圈不对称安装带来的测量误差提供理论研究。

[1] 舒欢,吕焕文,张小章.电磁流量计的电极与励磁线圈不对称误差分析[J].计量技术,2005,(6):3～4.

[2] 梁利平,徐科军,许伟.基于静态Haar小波变换的电磁流量传感器非平稳浆液流量信号分离方法[J].仪器仪表学报,2013,34(11):2626～2633.

[3] 张小章,李砚涛,何涛.含有一个气泡时电磁流量计虚电流的三维特性[J].计量学报,2002,23(3):195～198.

[4] 王月明,孔令富，刘兴斌,等.高流速两相流下电磁流量计测量机理研究[J].测井技术,2015,39(1):11～14.

[5] 王月明,孔令富,李英伟.电磁相关法流量测量传感器励磁线圈轴向长度设计研究[J].电子学报,2014,42(5):978～981.

[6] 王月明,孔令富,刘兴斌,等.电磁相关法流量测量传感器检测电极距离研究[J].传感器与微系统,2014,33(7):49～52.

[7] 王月明,孔令富,刘兴斌等.测井中油气水多相流电磁相关法流量测量模型研究[J].仪表技术与传感器,2014,(11):108～110.

[8] 解茜草,孙超,仵杰.定向电磁波测井仪双倾斜线圈系结构研究[J].传感器与微系统,2016,35(2):36～38.

[9] 刘雪扬,张文斌,尹志宏.电磁传感器的循迹特性分析[J].传感器与微系统,2014,33(7):35～37.

TheAnalysisandStudyofAsymmetricMeasurementSignalsofElectromagneticFlowmeterExcitationCoil

ZHANG Yao-yao,WANG Yue-ming, LIU Meng

(SchoolofInformationEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology)

Applying finite element software to simulate and investigate the asymmetry of electromagnetic flowmeter excitation coil produced was implemented, including analysis of the magnetic field distribution caused by the excitation coil asymmetry in measurement region and that of the inductive signals of the electromagnetic flowmeter so as to obtain a measurement error caused by excitation coil asymmetry.

electromagnetic flowmeter, excitation coil, asymmetry, measurement error

国家自然科学基金项目(61463042)；内蒙古自然科学基金项目(2016MS0611)；内蒙古科技大学创新基金项目(2016QDL-S16)。

张瑶瑶(1989-)，助教，从事传感器智能信息处理的研究，yy19890210@imust.cn。

TH814

A

1000-3932(2017)10-0940-04

2017-04-24，

2017-08-15)