摘要：一體式電磁流量計開始應(yīng)用于多相流流量測量，運用有限元軟件 Ansys 對一體式電磁流量計中存在非導(dǎo)電物體建立徑向仿真模型，在徑向截面上研究了流量計中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時流量計的響應(yīng)特性，并以此分析了含水率不同對流量計信號的影響，為一體式電磁流量計在多相流測量中提供一定的依據(jù)。
一體式電磁流量計具有對流速分布不太敏感及管道中無阻礙流動的部件等，將其應(yīng)用于多相流中時具有獨特的優(yōu)點，但一體式電磁流量計的基本理論是建立在單相流上的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，外加磁場中通過導(dǎo)電流體時，流體切割磁力線可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，依據(jù)感應(yīng)電動勢的大小可以測量流體的速度和流量。當(dāng)流體中出現(xiàn)非導(dǎo)電物質(zhì)時(如油氣泡等)，流量計感應(yīng)電動勢會發(fā)生變化，影響流量測量結(jié)果，因此分析非導(dǎo)電物質(zhì)對流量計的響應(yīng)特性是很有必要的。
王月明等運用 Ansys 對流體中存在相互重疊的油氣泡對流量計敏感場影響進(jìn)行了分析研究，并在二維軸向模型下對連續(xù)油起泡對流量計的敏感場影響進(jìn)行分析研究;Kang D H 等對流體中有段塞流的數(shù)值信號的預(yù)測和校準(zhǔn)進(jìn)行了研究。Zhang X Z 在簡化的二維模型下求解了氣泡處于流量計橫截面不同位置時虛電流的分布情況。筆者運用有限元軟件 Ansys 對一體式電磁流量計測量中出現(xiàn)油氣泡建立徑向截面仿真模型，在此模型下研究油氣泡對一體式電磁流量計敏感場的影響，同時對流體中含水率不同時流量計的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為多相流的電磁感應(yīng)測量提供一定的理論依據(jù)。
1 敏感度定義 ①
一體式電磁流量計的基本方程為:

式中 A ———對所有空間積分;
B ———磁場強度;珒
———虛電流密度，是一個完全由 A 上的電邊界條件所決定的量;
U———兩電*的電勢差;
 V ———流體速度。
虛電流決定著一體式電磁流量計測量區(qū)域權(quán)值函數(shù)的分布情況，也就影響著一體式電磁流量計內(nèi)部敏感場分布情況。
為了定量地考查流量計內(nèi)部非導(dǎo)電物質(zhì)對一體式電磁流量計敏感場的分布影響，定義 c 為敏感場靈敏度:

其中，jx表示有非導(dǎo)電物質(zhì)虛電流在 x 方向上的分量，x方向即電*方向;j 0x 為沒有非導(dǎo)電物質(zhì)時虛電流在 x 方向上的分量。
2 非導(dǎo)電物質(zhì)對流量計影響徑向仿真
筆者探討在一體式電磁流量計徑向截面位置開始出現(xiàn)油氣泡時一體式電磁流量計感應(yīng)信號的響應(yīng)情況。在仿真模型中，設(shè)定這樣一個過程，在連續(xù)時刻 t 1 、t 2 、t 3 、t 4 ，流量計電*位置的徑向截面上分別開始出現(xiàn)一個油氣泡(非導(dǎo)電物質(zhì))，在 t 5 時刻出現(xiàn)的4 個油氣泡的半徑變大。在這一過程中，研究非導(dǎo)電物質(zhì)(油氣泡)的增加與變化對流量計輸出信號的影響情況;這一過程中，流體中的含水率也在變化，同時研究含水率對流量計的影響情況。圖 1 所示為流量計截面中油氣泡(非導(dǎo)電物質(zhì))增加與變化時的 Ansys 仿真圖，圖 1a ～ e 中分別顯示的是 t 1 ～ t 5 時刻虛電流 x 方向分量的 An-sys 圖。

圖1 油氣泡存在流量計中 x 方向虛電流分布情況
對 Ansys 仿真實驗數(shù)據(jù)通過 Matlab 進(jìn)行結(jié)果分析。圖 2a ～ e 分別為 t 1 ～ t 5 時刻流體中存在油氣泡流量計測量區(qū)域虛電流在 x 方向上的分布圖及其等勢圖。從圖中可以看出:當(dāng)流體中油氣泡增加時，流量計測量區(qū)域的敏感場發(fā)生變化，且流體中油氣泡越多，對流量計測量區(qū)域敏感場影響越大。為了更客觀地反應(yīng)這種現(xiàn)象，下面運用敏感場靈敏度 c 進(jìn)一步進(jìn)行研究。


3 仿真結(jié)果分析
為了清晰地獲得以上 5 種情況下油氣泡對流量計虛電流分布的影響，運用敏感場靈敏度來刻畫非導(dǎo)電物質(zhì)在不同情況下對流量計敏感場靈敏度的響應(yīng)特性。圖 3 所示為以上 5 種多個非導(dǎo)電物質(zhì)存在情況對流量計敏感場靈敏度響應(yīng)特性分析。從圖3中可以看出，隨著非導(dǎo)電物質(zhì)的個數(shù)在流體中的增加，流量計敏感場靈敏度也不斷增加，說明對一體式電磁流量計的輸出信號的影響也越大。圖 3 中 t 3 時刻敏感場靈敏度 c 較 t 2時刻增加較小，這是 t 3 時刻增加的油氣泡較小，而在 t 1 ～ t 5時刻增加的油氣泡較大時，流量計敏感場靈敏度 c變化較大，說明流體中出現(xiàn)較大的油氣泡對流量計測量影響較大。

圖 4 所示為流體中含水率與流量計感應(yīng)電流之間關(guān)系。從圖 4 中可以看出，隨著流量計流體中含水率的增加，流體中虛電流特性(J b /J w )也逐漸增加。虛電流特性指的是流體中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時虛電流 J b 與流體為全水狀態(tài)下虛電流 J w 的比值。從仿真圖上可以看出:流體中含水率與流量計的輸出結(jié)果不是簡單的線性關(guān)系，含水率越大，流量計截面就越接近全水狀態(tài)下的測量值。
4 結(jié)束語
筆者運用有限元軟件對一體式電磁流量計含有非導(dǎo)電物質(zhì)(油氣泡)時對流量計敏感場進(jìn)行徑向建模仿真分析，在建立的仿真模型上分析了流體中出現(xiàn)一系列非導(dǎo)電物質(zhì)時對流量計傳感器截面上敏感場的影響情況，同時也得到了含水率與流量計感應(yīng)信號之間的關(guān)系。仿真結(jié)果可為一體式電磁流量計在多相流的測量提供一定的依據(jù)。