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。

 

        均匀区域面积就是在测量区域中，中心点的磁场强度设为标准值 Boo ，设定该区域中的其他点磁场强度为 Bxy ，满足在测量区域中所占的面积为均匀区域面积。

 

        变异系数又称“标准差率”，是衡量资料中各观测值变异程度的另一个统计量。标准变异系数是一组数据的变异指标与其平均指标之比，为相对变异指标，即 CV =样本标准差 s/样本平均值 x。

 

        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。

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 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。

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 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 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。

 

        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。