一种提高小流量测量性能的电磁水表传感器结构设计方法与流程

本发明涉及电磁水表传感器结构设计
技术领域：
，尤其是涉及一种提高小流量测量性能的电磁水表传感器结构设计方法。
背景技术：
：电磁水表具有测量范围宽、始动流量小、测量精度高、使用寿命长等优点，广泛地应用于城市的水务行业。电磁水表通常采用内置电池进行供电，为了保证电池具有较长的使用寿命，励磁电流通常较小，所以传感器内的磁场比较微弱。当电磁水表测量的入口流量较小时，此时传感器的感应电动势很小，信噪比很低，测量精确度变差，甚至无法测量。通常情况下，如果要提高电磁水表小流量的测量性能，则必须要提高励磁电流，增强磁场强度。但是这会增加传感器的励磁功耗，缩短电池的使用时间，同时需要经常更换电池，耗费大量的人力和物力。因此，需要对传感器的结构进行优化设计，实现低功耗的条件下电磁水表感应电动势的增强。根据电磁水表感应电动势的表达式，传感器的感应电动势不仅与流场和磁场的分布有关，还与传感器内的权函数有关。现有文献在对传感器的权函数进行研究分析时，主要是针对圆形管道流量计，对其他形状管道的权函数研究较少。现有文献在对流场进行研究分析时，确定了采用缩进式的测量管道能够提高传感器内的液体流速。同时缩进段部分的流速分布均匀，有利于小流量的精确测量。但是缩进式测量管道产生的压损较大，相关文献没有详细讨论如何在满足压损要求的条件下，得到最优结构参数的测量管道。现有文献在进行磁场的研究分析时，发现采用铁磁材料能够提高传感器内的磁场强度，从而增强感应电动势，但是没有分析感应电动势与磁路结构的关系，无法确定最优磁路结构。所以，为了在相同功耗条件下增强电磁水表传感器的感应电动势、提高电磁水表小流量的测量性能，需要从权函数、流场和磁场三方面开展系统研究。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种提高小流量测量性能的电磁水表传感器结构设计方法，从而在低功耗的条件下，提高电磁水表小流量的测量性能。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种提高小流量测量性能的电磁水表传感器结构设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)基于有限元数值分析软件，建立权函数数值模型；(2)基于权函数数值模型，对电磁水表不同形状的测量管道进行权函数分析，确定最优形状的电磁水表测量管道；(3)基于权函数数值模型，分析传感器内权函数分布的均匀性与测量管道结构尺寸的关系；(4)基于有限元数值分析软件，建立电磁水表的压损数值模型；(5)基于压损数值模型，对电磁水表不同结构尺寸的测量管道进行压损分析；(6)在满足国标压损要求的条件下，根据权函数分布的均匀性，确定最优结构尺寸的测量管道；(7)基于有限元数值分析软件，建立电磁水表的感应电动势数值模型；(8)基于感应电动势数值模型，对电磁水表不同结构参数的磁路结构进行对比分析，确定最优磁路结构，最终得到最优结构参数的电磁水表。所述步骤(1)具体是指：1)在ac/dc模块中选择电流模型，预设研究类型为稳态；2)在几何设置中，根据电磁水表的几何结构建立有限元仿真模型，并设置点电极结构尺寸；3)在材料选项中设置传感器材料参数，电极材料设置为金属铜，导电液体为水；4)在电流模型中施加边界条件，测量管内壁附有绝缘衬里，满足电绝缘边界条件左右电极分别施加电压；5)在网格设置中划分网格；6)在研究中进行计算求解，求解器类型为稳态求解器；7)计算求解后，在结果选项中对数据进行后处理；8)首先计算得到中心点处的电场强度，然后得到传感器内各点处的电场强度值，并除以中心点处的电场强度，即得到归一化后的权函数分布。所述步骤(2)具体是指：基于建立的权函数数值模型，对电磁水表不同形状的测量管道进行权函数分析，根据传感器内的权函数分布图和权函数分布的均匀性，确定权函数分布最均匀的测量管道，得到最优形状的电磁水表测量管道。所述步骤(3)具体是指：基于权函数数值模型，根据得到的最优形状电磁水表测量管道，分析不同测量管道结构尺寸时，权函数分布的均匀性，得到权函数分布均匀性与测量管道结构尺寸的关系。所述步骤(4)具体是指：1)构建电磁水表管道结构的三维模型，并在传感器前后设置一定长度的直管道；2)将几何模型导入到网格划分软件中，进行网格划分，并设置入口、出口和壁面边界条件；3)使用有限元分析软件进行计算求解，选择realizablek-ε双方程湍流模型；入口条件设置为速度入口，出口条件设置为自由出流，壁面条件设置壁面粗糙度；4)使用后处理软件对计算结果进行分析，求得传感器和直管道的总压损；5)重复上述步骤，仿真求解不存在电磁水表时的直管道压损，两者压损差即为国标条件下的电磁水表压损。所述步骤(5)具体是指：根据电磁水表的常用流量测量范围，确定传感器的入口流速；基于压损数值模型，对不同结构尺寸的电磁水表进行压损分析。所述步骤(6)具体是指：分析电磁水表压损大小和权函数分布均匀性与传感器结构尺寸的关系，在满足国标压损要求的条件下，确定最优的测量管道结构参数。所述步骤(7)具体是指：1)在流体流动模块中选择湍流k-ε模型，预设研究类型为稳态；2)长度单位默认为mm，在几何设置中，根据电磁水表的几何结构建立有限元仿真模型；3)在材料选项中设置传感器材料参数；4)在湍流模型中，选择求解域为流体区域，并设置入口、出口和壁面边界条件；5)添加磁场和电场模型，选择求解域为整个空间，流体区域边界条件设置为安培定律和电流守恒，其余区域满足安培定律；线圈设置为线圈边界条件，线圈激励方式为电流激励；设置速度(洛伦兹项)耦合速度场，将流场仿真结果耦合到磁场和电场模型中进行计算求解；然后设置接地边界条件，在指定位置处赋予电势大小为0；6)添加自由四面体网格，对整个求解域划分网格；7)对湍流模型进行求解计算，并保存结果；8)对磁场和电场模型进行求解计算，并添加步骤1：线圈几何分析，计算后保存结果；9)对计算结果进行后处理，在派生值中分别计算左右电极表面的平均电势，计算平均电势之差得到感应电动势。所述步骤(8)具体是指：基于感应电动势数值模型，分析不同磁路结构参数时电磁水表的感应电动势大小，感应电动势越强，磁路结构越优，确定最优的磁路结构参数，最终得到最优结构参数的电磁水表。由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：通过对电磁水表不同形状管道的权函数进行研究分析，能够确定对流型分布依赖性最低的管道结构，有利于高精度测量；并进一步对权函数分布均匀性与测量管道的关系进行研究分析，为电磁水表的传感器结构优化设计提供理论依据。然后，根据最优形状的电磁水表测量管道，分析不同传感器结构时的压损大小。在满足国标压损要求的条件下，依据权函数分布的均匀性，确定最优结构参数的测量管道。最后，基于最优测量管道，建立一种耦合流场和磁场的感应电动势数值模型，以感应电动势大小为评价指标，确定最优的磁路结构参数，从而确定最优的电磁水表传感器结构参数。该方法能够保证在功耗一定的条件下，获得最强的感应电动势，从而提高电磁水表小流量的测量性能。说明图1为本发明的方法流程图；图2为圆形管道的权函数分布图；图3为正方形管道的权函数分布图；图4为八边形管道的权函数分布图；图5为矩形管道的权函数分布图；图6为传感器几何结构示意图；图7为磁路1感应电动势分布图；图8为磁路2感应电动势分布图；图9为磁路3感应电动势分布图；图中：1-测量管道、2-线圈、3-铁芯、4-极板、5-磁轭、6-电极。具体实施方式下面结合附图对本发明提出的一种提高小流量测量性能的电磁水表传感器结构设计方法做进一步解释和说明。本文以dn100电磁水表为例，图1为本发明的流程图，具体步骤如下：(1)基于有限元数值分析软件，建立权函数数值模型。基于comsolmultiphysics有限元数值分析软件，构建权函数数值模型的步骤如下：1)在ac/dc模块中选择电流模型，仿真模型为二维，预设研究类型为稳态；2)在几何设置中，根据电磁水表的几何结构建立有限元仿真模型，并设置点电极结构尺寸，点电极半径为0.4mm；3)在材料选项中设置传感器材料参数，电极材料设置为金属铜，导电液体为水；4)在电流模型中施加边界条件，测量管内壁附有绝缘衬里，满足电绝缘边界条件左右电极分别施加1v、-1v的电压；5)在网格设置中划分网格，为了保证仿真结果的精确度，选择极细化网格；6)在研究中进行计算求解，求解器类型为稳态求解器；7)计算求解后，在结果选项中对数据进行后处理；8)首先计算得到中心点处的电场强度，然后得到传感器内各点处的电场强度值，并除以中心点处的电场强度，即得到归一化后的权函数分布。(2)基于权函数数值模型，对电磁水表不同形状的测量管道进行权函数分析，确定最优形状的电磁水表测量管道。基于建立的权函数数值模型，对电磁水表不同形状的测量管道进行权函数分析，并利用公式(1)定量计算传感器内权函数分布的均匀性。wk表示传感器内不同位置处的权函数值，w0为传感器内权函数的平均值。分别分析圆形、正方形、八边形和矩形缩进管道的权函数分布，设置不同形状管道的一致面积为1963mm2。则圆形管道半径为25mm，正方形管道边长为44.3mm，八边形管道边长为20.2mm，矩形管道宽高为80×24.5mm。并利用公式(1)分别计算圆形、正方形、八边形和矩形管道权函数分布的均匀性，如表1所示。表1不同形状管道权函数的均匀性管道结构r圆形1.5786正方形1.7167八边形1.6469矩形1.3401通过表1可知，矩形管道权函数分布最均匀。圆形、正方形、八边形和矩形管道权函数分布图分别如图2、图3、图4和图5所示。为了便于对比，权函数等势线大小从0开始，以0.25为步长递增到30。由图可知，矩形管道权函数等势线间距最大，权函数分布均匀性最好，即矩形管道为最优形状的电磁水表测量管道。(3)基于权函数数值模型，分析传感器内权函数分布的均匀性与测量管道结构尺寸的关系。基于权函数数值模型，分析矩形缩进管道权函数分布的均匀性与测量管道宽高的关系，通过公式(1)计算传感器内权函数分布的均匀性，如表2所示。表2不同结构参数的权函数对比rh＝20mmh＝25mmh＝30mmh＝35mmh＝40mmh＝45mmh＝50mmw＝55mm1.19061.32961.42621.54711.64361.72671.8391w＝60mm1.21471.33201.44641.55131.64351.73661.8262w＝65mm1.21991.33751.44421.55171.64981.74151.8272w＝70mm1.21701.35031.46331.53551.64781.73451.8666w＝75mm1.22411.33351.45841.55101.65251.74321.8253w＝80mm1.24011.35481.48071.55281.65501.77711.8202通过表2可知，随着矩形缩进管道宽度w的变化，传感器内权函数分布的均匀性变化不明显，即矩形缩进管道宽度对权函数分布的均匀性影响较小。随着矩形缩进管道高度h的减小，传感器内权函数分布的均匀性越来越好。(4)基于有限元数值分析软件，建立电磁水表的压损数值模型。基于ansysfluent有限元数值分析软件，构建压损数值模型的步骤如下：1)使用pro/e软件构建矩形缩进式电磁水表管道结构的三维模型，并在传感器前后各有20d和40d的直管道，建模结果保存为.igs格式的几何文件。2)使用fluent前处理软件icemcfd进行网格划分，设置入口、出口和壁面边界条件。采用自底向上方式创建六面体网格，并在管壁边界处和传感器部分加密网格保证求解精度。3)使用fluent软件进行仿真求解，选择realizablek-ε双方程湍流模型。入口边界条件设置为速度入口，速度大小设置为3.537m/s，湍流强度为3.245％，水力直径为100mm。出口条件设置为自由出流，传感器管壁粗糙度高度设置为0.008mm，前后直管道壁面粗糙度高度设置为0.46mm。采用simplec算法对控制方程进行离散求解。4)使用cfd-post软件对仿真结果进行后处理，分别在传感器前10d和后20d位置处设置截面，压损值为前后两处截面的压力之差。5)重复上述步骤，仿真求解不存在矩形缩进式电磁水表时的直管道压损，两者压损差即为国标条件下的电磁水表压损。(5)基于压损数值模型，对电磁水表不同结构尺寸的测量管道进行压损分析。电磁水表的经济流速一般为3m/s，所以针对dn100电磁水表，常用流量设置为100m3/h，所以传感器的入口流速设置为3.537m/s。基于压损数值模型，计算不同结构尺寸电磁水表的压损大小。由于矩形缩进式电磁水表的高度和宽度越小，传感器的压损越大，长度越小，压损越小。所以为了减小传感器的压损大小，高度和宽度越大越好，长度越小越好。由于矩形缩进式电磁水表需要较小的高度来保证权函数分布的均匀性。所以矩形缩进段的宽度取最大值，长度取最小值。针对dn100电磁水表，宽度方向需要安放螺柱固定电极，为了减小传感器的尺寸，宽度最大值为80mm。矩形缩进段需要安放励磁线圈用于产生磁场，长度不能太小，长度最小值为80mm。矩形缩进式电磁水表不同高度的压损和流速结果如表3所示。表3流场仿真结果(6)在满足国标压损要求的条件下，根据权函数分布的均匀性，确定最优结构尺寸的测量管道。分析电磁水表压损大小和权函数分布均匀性与传感器结构尺寸的关系，在满足国标压损要求的条件下，确定最优的测量管道结构参数。通过表2和表3的分析可知，矩形缩进式电磁水表的高度越小，传感器内的液体流速越大，越有利于小流量的精确测量，且传感器内的权函数分布均匀性越好，对流型分布的依赖性越低，但是传感器的压损也越来越大。所以，在满足国标压损要求的条件下，高度越小越好。国标压损大小设置为40kpa，因此最优的测量管道长宽高为80×80×25mm。(7)基于有限元数值分析软件，建立电磁水表的感应电动势数值模型。1)在流体流动模块中选择湍流k-ε模型，预设研究类型为稳态；2)长度单位默认为mm，在几何设置中，根据电磁水表的几何结构建立有限元仿真模型，如图6所示；3)在材料选项中设置传感器材料参数，测量管道1为非导电材料，电导率为1×10-11s/m，电极6为导体，电导率为1.25×106s/m，铁芯3、极板4、磁轭5起导磁作用，相对磁导率设置为2000；4)在湍流模型中，选择求解域为流体区域，并设置入口、出口和壁面边界条件；入口速度大小设置为1m/s，湍流强度0.038，湍流长度为0.07×0.1m，出口条件为压力出口，压力大小为0pa，且抑制回流；5)添加磁场和电场模型，选择求解域为整个空间，流体区域边界条件设置为安培定律和电流守恒，其余区域满足安培定律；线圈2设置为线圈边界条件，线圈激励方式为电流激励，电流大小为20ma，线圈匝数为1333匝；设置速度(洛伦兹项)耦合速度场，将流场仿真结果耦合到磁场和电场模型中进行计算求解；然后设置接地边界条件，在指定位置处赋予电势大小为0；6)添加自由四面体网格，对整个求解域划分网格；7)对湍流模型进行求解计算，并保存结果；8)对磁场和电场模型进行求解计算，并添加步骤1：线圈几何分析，计算后保存结果；9)对计算结果进行后处理，在派生值中分别计算左右电极表面的平均电势，计算平均电势之差得到感应电动势。(8)基于感应电动势数值模型，对电磁水表不同结构参数的磁路结构进行对比分析，确定最优磁路结构，最终得到最优结构参数的电磁水表。基于感应电动势数值模型，分析不同磁路结构参数时电磁水表的感应电动势大小；分别分析传感器磁路结构仅含有磁轭5、含有磁轭5和铁芯3、含有磁轭5和铁芯3及极板4等三种磁路结构，分别将三种磁路结构命名为磁路1、磁路2和磁路3，三种磁路结构的感应电动势结果分别如图7、图8和图9所示，由图可知，磁路3的感应电动势最强，即小流量测量性能最好。当前第1页12