電磁流量計(jì)磁場仿真研究
電磁流量計(jì)磁場仿真研究
摘要: 一種集流型電磁流量計(jì)廣泛的應(yīng)用于井下流量測量等特殊場合, 運(yùn)用有限元軟件ansys 對這種集流型電磁流量計(jì)建立的磁場仿真模型, 并建立了這種集流型電磁流量計(jì)中流體中含有導(dǎo)磁率高的顆粒狀物體時(shí)的磁場仿真模型。
關(guān)鍵詞: ansy s; 集流型; 電磁流量計(jì); 仿真
近年來, 電磁流量計(jì)的內(nèi)部的磁場分部情況備受研究人員的關(guān)注。金寧德[ 1..2] 等人對外流式的電磁流量計(jì)的磁場分布情況進(jìn)行仿真研究, 趙琛、李斌等人對電磁流量傳感器鞍狀勵(lì)磁線圈磁場分布的計(jì)算方法[ 3] , 王經(jīng)卓對電磁流量計(jì)權(quán)函數(shù)的數(shù)值進(jìn)行仿真與驗(yàn)證[ 4] , 鄔惠峰等人運(yùn)用ANSYS 對電磁流量計(jì)進(jìn)行建模研究[ 5] 。一種集流型電磁流量計(jì)由于其構(gòu)造的特殊性, 被廣泛用于石油井下測量以及其它特殊場合。由于集流型電磁流量計(jì)構(gòu)造的特殊性, 其內(nèi)部磁場分部情況比普通結(jié)構(gòu)的電磁流量計(jì)的更為復(fù)雜, 對其內(nèi)部磁場的分布情況的研究對流量計(jì)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文運(yùn)用ansys 有限元軟件對這種電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場敏感場進(jìn)行建模仿真, 并在這種模型下, 研究了在電磁流量計(jì)中增加部分磁導(dǎo)率不同的顆粒狀物質(zhì)時(shí), 電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場分布情況。
1 流量計(jì)結(jié)構(gòu)與磁場分布仿真
集流型電磁流量計(jì)是廣泛用于石油井下測量, 其在流量計(jì)外殼內(nèi)鑲嵌有兩個(gè)發(fā)射磁極和兩個(gè)接收電極。由于在電磁傳感器底部安裝有傘式集流器, 當(dāng)流量計(jì)位于測點(diǎn)后, 使集流器張開, 以封堵套管和測井儀器之間流體的流動(dòng)通道, 迫使流體全部或絕大部分流經(jīng)電磁傳感器的測量區(qū)域, 并經(jīng)上出液口重新流回井筒, 井下集流式流量計(jì)截面結(jié)構(gòu)如圖1 中( a) 所示。圖1 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖集流型電磁流量計(jì)ANSYS 仿真模型如圖1 中( b) 所示。圖中, 電磁流量計(jì)內(nèi)部水平方向有兩個(gè)磁極, 垂直方向有兩個(gè)電極; 磁極由磁芯和線圈兩部分組成, 即在每個(gè)磁極磁芯的外側(cè)均包裹一層線圈, 用來產(chǎn)生交變磁場。仿真時(shí), 傳感器磁極磁芯的長度為8 mm、寬度為4 mm, 材料為導(dǎo)磁性鐵芯; 磁芯外層包裹線圈的厚度為1 mm, 材料為銅絲; 電極的長度和寬度均為4 mm, 材料為不銹鋼。螺線管線圈電流加載后, 左邊磁極外側(cè)為S 極, 內(nèi)側(cè)為N 極; 右邊磁極外側(cè)為N 極, 內(nèi)側(cè)為S 極。采用magsolv 命令對上述外流式電磁流量計(jì)磁場分布問題進(jìn)行靜態(tài)求解, 得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B 分布和2D 磁通線分布, 分別如圖2 中的( a) 和( b) 所示?？梢钥闯? 在傳感器管道內(nèi)磁場分布較均勻, 在靠近磁極表面區(qū)域磁力線密集, 表示該部分測量靈敏度較高。為了更清晰的了解流量計(jì)內(nèi)部磁感應(yīng)場的分布情況, 建立電磁流量計(jì)測量區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布場, 如圖3 所示, 從仿真磁感應(yīng)分布圖中可以清楚的獲得各部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。圖2 電磁流量計(jì)磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與磁通線分布圖圖3 電磁流量計(jì)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖
2 管道內(nèi)含磁性物質(zhì)時(shí)電磁流量計(jì)磁場分布仿真
為了考察流體中含有的磁性物質(zhì)時(shí), 對電磁流量計(jì)磁場分布的影響, ANSYS 仿真模型如圖4 所示的模型。圖中, 在傳感器管道測量區(qū)域內(nèi)設(shè)置直徑磁性球體, 并設(shè)定磁性球體的相對磁導(dǎo)率為: ..= 10。圖4 ANSYS 仿真模型圖對線圈施加載激勵(lì)電流, 并采用esize 命令對ANSYS 模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分, 采用magsolv 命令對該含磁性物質(zhì)時(shí)電磁流量計(jì)磁場分布問題進(jìn)行靜態(tài)求解, 得到了磁感應(yīng)強(qiáng)度B 分布和2D 磁通線分布, 如圖5 中( a) 和( b) 所示。從圖5 可以看出, 磁性物質(zhì)流經(jīng)傳感器管道測量區(qū)域時(shí), 磁性物質(zhì)附近的磁場發(fā)生了變化, 進(jìn)而影響測量磁場的整體分布特性。也就是說, 流體中的磁性物質(zhì)同樣會(huì)對集流型電磁流量計(jì)的測量造成影響。將仿真結(jié)果數(shù)值化顯示其分布圖如圖6 所示, 從仿真結(jié)果可以看出, 流體中含有磁物質(zhì)時(shí), 這部分磁感應(yīng)強(qiáng)度是增大的, 是影響整個(gè)空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的。圖5 含磁性物質(zhì)時(shí)B 與磁通線分布圖圖6 含磁體時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖
3 結(jié)束語
集流型智能電磁流量計(jì)以一種特殊結(jié)構(gòu)在油氣井測量方面有廣泛的應(yīng)用, 本文對這種特殊結(jié)構(gòu)的流量測量計(jì)建立仿真模型, 利用有限元的方法對集流式電磁流量計(jì)磁場的測定進(jìn)行了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真, 為利用有限元方法在電磁流量計(jì)的仿真方法中磁場的仿真測量及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定一定基礎(chǔ)。
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