基于ANSYS的电磁流量计建模研究

　　1　引　　言

　　电磁流量计是工业过程参数测量中广泛应用的一种流量测量仪表,主要用于导电性液体流量测量。电磁流量计的励磁方式决定了传感器工作磁场特征和电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性好坏。因此开展励磁技术方面的研究对于提高电磁流量计的性能具有重要的意义。目前励磁方式的研究只能在实际环境中开展,由于电磁流量计系统本身结构的限制,励磁电流大小和频率值固定,改变励磁方式需要硬件电路支持,实验效率低,而且成本高。

　　因此,通过建立能反映电磁流量计特性的物理模型,开展励磁方式相关的研究具有重要的意义。目前在电磁流量计建模方面的研究较少。1998年A.Michalsk,i S.W incenciak和J. Staezynski等人为了研究电磁流量计励磁线圈的优化设计方法,获得各项均匀的权重函数,使得感应电极测得的感应电动势信号只与被测流体的平均流速相关,他们用有限元分析方法建立了电磁流量计的2D模型,通过最小化寻优,得到励磁线圈形状的最优化设计[1-2]。2001年,他们在建立的2D数学模型基础上,以有限元方法建立了电磁流量计励磁线圈的3D混合数学模型[3]。AndrzejWchalski等人基于有限元建立的不同形状和尺寸的流体管道数值模型对励磁线圈的横截面形状进行寻优,以获得均匀的矢量积[7]。Aline I.Maalouf在均匀磁场和流速剖面为轴对称的情况下,对电磁流量计圆管中有导电流体流过时的实际工作方程进行了推导。由于在实际中很难达到假设的条件,因此采用了有限元和流体方法相结合的手段对方程进行了验证,对使用该方程引起的误差进行了估计。该方法可以用于目标中由变速流引起的误差[6]。

　　在应用有限元方法进行电磁场研究方面也开展了一些工作。B.Nekhoul等采用有限元方法对变电站接地系统中半径和长度比很小的柱状导体产生的低频电磁场进行计算。把建模元素分为柱状铜导体、大地和空气3类,应用不同的有限元公式对它们的物理特性进行描述[5]。FranzHirtenfelder为了研究在电磁场作用下运动物体产生的涡电流对电磁场的影响,采用结合了非线性的电磁分析和结构化分析的有限元方法,用电磁和结构化的有限元计算物体的瞬时运动、拉伸、电磁场和涡电流[8]。已有的大量研究表明,有限元分析是一种有效的研究手段。同时,为了达到作为励磁方式研究实验平台的目的,需要建立电磁流量计流速相关的动态模型。本文从等效电路分析出发,得到低频三值波的理论波形。然后采用有限元场路耦合方法构建电磁流量计传感器模型,通过比较模型输出波形和理论波形验证模型的有效性。

　　2　等效电路分析