插入式电磁流量计探针结构与布置的优化方法与流程

本发明涉及一种插入式电磁流量计结构优化的方法，具体的说是一种优化电磁流量计探针结构与布置的方法，属于流体机械领域。

背景技术：

随着计算机技术的发展，应用CFD技术计算分析流场内部流体流动的应用逐渐广泛，数值模拟方法对流体机械的分析也较为成熟。采用CFD技术对电磁流量计内部流场流动分析及优化设计相对于传统方法能够缩短开发周期、节约研发成本、更加科学有效的解决结构上存在的缺陷，并且能够为电磁流量计的优化设计提供可靠地理论依据。

在石油、化工、电力、供水等很多的工业部门中，都会使用到电磁流量计。21世纪以来国产电磁流量计发展迅速，但依然受国外先进国家的市场冲击较大。大型企业采购电磁流量计依赖进口，国产电磁流量计在高端产品行列竞争压力颇大，如何研发高端产品、走在世界先进行列是国内企业目前丞待解决的问题。目前电磁流量计的研发及优化偏重于线圈布置、传感器开发、电路设计、算法等方向，忽略了电磁流量计结构的研发。对于电极尺寸较大且处在流道内部的插入式电磁流量计来说，结构优化设计是非常有必要的。本发明针对这类电磁流量计，对电极形状以及布置位置进行了优化设计，有效降低了电磁流量计的测量误差。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前国产插入式电磁流量计测量误差大的现状，对插入式电磁流量计进行优化设计，提供了一种数值计算的新型设计方法。传统电磁流量计的优化方法是对励磁线圈、磁芯、传感器系数、电路等进行优化设计，这种优化方式的弊端在于工作量大、优化周期长、资金投入大、难以解决结构缺陷等弊端。本发明应用CFD技术结合流体力学理论对插入式电磁流量计全流场进行数值分析，并对插入式电磁流量计探针结构与布置方式进行优化设计，便可以达到降低插入式电磁流量计测量误差。

为了实现上述发明目的，本发明方法对原型插入式电磁流量计的全三维流场内部流体流动进行数值模拟。从数值计算结果中提取全流场信息，并重点分析探针式电极附近流场分布。针对插入式电磁流量计复杂的内部流动状态结合数值计算结果，优化探针结构以及布置位置。

探针结构优化的具体方法：取消探针末端斜面与探针主体柱状面之间的过渡，将探针末端的斜面与探针主体柱状面直接相连。探针末端斜面与竖直线夹角为θ，探针末端斜面在竖直线上的投影长度为d，探针末端斜面之间由圆弧面连接，圆弧面的圆心角为探针位置具体优化方法：两探针竖直放置且关于插入式电磁流量计的中轴线对称，探针圆柱体外圆与插入式电磁流量计内壁相切。

所述的探针末端斜面与竖直线夹角θ范围0°～45°。

所述的探针末端斜面在竖直线上的投影长度d大于等于探针主体圆柱直径的1/2，小于探针主体圆柱直径的2倍。

所述的探针末端圆弧面的圆心角范围0°～90°。

本发明具有的增益效果是：

1、本发明只对插入式电磁流量计的探针结构及布置方式进行了优化设计，不对励磁线圈、传感器、集成电路等做修改。相对于传统优化设计电磁流量计的修改方法，本发明即降低了研发周期又节约了研发成本，采用CFD技术进行优化设计更具有可靠的理论依据。

2、本发明将插入式电磁流量计探针结构修改成更加符合流场内流体流动情况减小不必要的扰动，同时调整探针与流量计内壁的相对位置消除流体流动对探针的扰动进而降低电磁流量计在采集信号时的不确定度。从插入式电磁流量计优化设计后的数值计算结果分析，探针附近监测点的速度误差明显降低。

3、对插入式电磁流量应用CFD方法可以全面深入的了解流量计存在的问题，进而在优化设计中更加科学有效的对其进行修改，使得流量计在信号采集时避免不必要的误差出现，提高流量计测量精度。

附图说明

图1是插入式电磁流量计三维模型简图；

图2是插入式电磁流量计优化前结构示意图；

图3是插入式电磁流量计优化前探针的局部视图；

图4是插入式电磁流量计优化前探针末端结构示意图；

图5是插入式电磁流量计优化后探针的局部视图；

图6是插入式电磁流量计探针末端及探针末端下方一倍探针圆柱体直径的横截面上采样点示意图；

图7是插入式电磁流量计优化前全部采样点的数值计算误差分析图；

图8是插入式电磁流量计优化后全部采样点的数值计算误差分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详述。

根据图2中优化前的结构示意图绘制图1中的电磁流量计三维模型，图1中1为电磁流量计进口，2是壳体，3是探针式电极，4是出口。对图1提取流体域，然后采用网格划分流体域再进行数值模拟。

对数值结算结果进行分析，针对流场中存在的问题结合流体力学理论优化设计图2中的探针末端5结构及探针与壁面的距离6，即图3中的探针末端结构及探针与壁面距离。图4中电磁流量计末端斜面8与探针主体圆柱9之间的部分去掉，使电磁流量计末端斜面8与探针主体圆柱9直接相连，电磁流量计末端斜面8连接的圆弧面7与末端斜面8的连接处尽量平缓。图3中探针与流量计内壁面之间的空隙6减小至0。优化设计后的示意图如图5所示。

将优化后的电磁流量计进行数值计算结果图7与优化前的电磁流量计的数值计算结果图8对比，优化后探针周围流体速度误差范围明显降低，优化方法有效可行。其中，采样点10、11、12、13、14、15、16、17和18编号如图6所示，一个编号表示指出的点、关于流量计中心轴线相对应的点以及指出点与对称点在横截面上投影重合的点，一个编号表示4个点的位置。

本发明基于CFD技术对于插入式电磁流量计探针结构与布置提供了一种新型优化方法，相对于传统方法能够缩短开发周期、节约研发成本、从根本上解决了流场结构存在的缺陷，采用本方法能够更为全面、更清晰、更科学的对插入式电磁流量计进行分析。