王 樂(lè)劉興斌張玉輝胡金海曹勝男

(1.東北石油大學(xué)研究生院 黑龍江大慶) (2.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

井下集流式電磁流量計(jì)鐵芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

王 樂(lè)1劉興斌2張玉輝2胡金海2曹勝男2

(1.東北石油大學(xué)研究生院 黑龍江大慶) (2.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表,勵(lì)磁鐵芯的結(jié)構(gòu)是影響流量測(cè)量的關(guān)鍵之一。利用ANSYS有限元仿真軟件,在改變鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,對(duì)井下集流式電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行仿真;把得到的仿真數(shù)據(jù)用MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算工具進(jìn)行處理,分析流量計(jì)流道內(nèi)部的磁場(chǎng),對(duì)磁場(chǎng)的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合的權(quán)衡,進(jìn)而從理論上得到最優(yōu)的鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,在鐵芯的中心角為55°～56°左右時(shí),磁場(chǎng)的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都有較好的取值。

電磁流量計(jì);鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;ANSYS仿真;MATLAB數(shù)據(jù)處理

0 引 言

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表,它具有測(cè)量不受外部因素和流體本身特性影響,以及無(wú)阻流元件等優(yōu)點(diǎn)[1～3],所以曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地面單相的、導(dǎo)電流體(如水)的流量測(cè)量,也廣泛應(yīng)用于油田注水井、注聚井的注入剖面測(cè)井中。本文所涉及的電磁流量計(jì)是一種井下集流式電磁流量計(jì),應(yīng)用于產(chǎn)出剖面測(cè)井來(lái)測(cè)量油水兩相流的流量[4]。在流道的外壁焊有鐵芯來(lái)優(yōu)化磁場(chǎng),由電工純鐵制成。在鐵芯周圍纏繞銅制線圈,線圈上通以電流后,就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)電性流體流過(guò)時(shí)就會(huì)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),利用測(cè)量電極把感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)采集到外圍電路,再把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào),這樣流體的體積流量和頻率信號(hào)就會(huì)形成一種關(guān)系,利用這種關(guān)系并通過(guò)對(duì)采集到的頻率信號(hào)進(jìn)行分析處理以及對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定就會(huì)得到導(dǎo)電流體的體積流量值。

鐵芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于磁場(chǎng)的形成是十分重要的,本文就是利用ANSYS仿真,通過(guò)改變鐵芯的中心角的方式來(lái)改變鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù),分析在不同鐵芯中心角的情況下各個(gè)磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分布,來(lái)確定鐵芯的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 建模和網(wǎng)格劃分

利用ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行仿真[5～7],建模和劃分網(wǎng)格,建模示意圖如圖1所示。

圖1 建模示意圖

該建模示意圖為集流式電磁流量計(jì)截面圖。內(nèi)部的小圓表示流量計(jì)流道,外部的大圓為流量計(jì)的外壁;被x軸貫穿的兩個(gè)中心角較大的扇環(huán)為鐵芯,實(shí)際材料為電工純鐵,焊接在流道的外壁上;四個(gè)中心角較小的扇環(huán)為線圈,纏繞在鐵芯上;黑色矩形為測(cè)量電極。流道與鐵芯和線圈之間有一定的厚度表示流道的壁厚,外壁與鐵芯和線圈之間表示外壁的厚度和空氣隙,流道內(nèi)的流體是磁導(dǎo)率為0.999 970 7的水[8]。

2 ANSYS仿真磁場(chǎng)分布

圖2為中心角從5°～60°仿真之后部分中心角下的磁通分布圖。

圖2 磁通分布圖

觀察并分析圖2的磁通分布圖,當(dāng)中心角為10°的時(shí)候,線圈附近的磁通線很密集,說(shuō)明此處磁感應(yīng)強(qiáng)度大,而電極附近的磁通線相對(duì)比較稀疏,說(shuō)明此處磁感應(yīng)強(qiáng)度較小;當(dāng)中心角為20°時(shí),線圈附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度較10°時(shí)小,而電極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度較10°時(shí)大;當(dāng)角度再增大時(shí),同樣是這種變化趨勢(shì)。這就說(shuō)明,隨著鐵芯的中心角增大,線圈附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度B有逐漸減小的趨勢(shì),而電極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度有逐漸增大的趨勢(shì)。

3 MATLAB分析得到磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

ANSYS在建模和劃分網(wǎng)格之后會(huì)產(chǎn)生一系列節(jié)點(diǎn),當(dāng)仿真完成后,用MATLAB做敏感區(qū)域節(jié)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B值對(duì)于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值的分布圖,如圖3所示。x軸方向與y軸方向如圖1所示,z軸為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小(單位是特斯拉)。

從圖3(a)當(dāng)鐵芯中心角為10°時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖可以看出,線圈位置z值大,電極位置z值小,與圖2(a)當(dāng)鐵芯中心角為10°時(shí)磁通線分布圖相對(duì)應(yīng);比較圖3和圖2其他幾幅對(duì)應(yīng)圖發(fā)現(xiàn),經(jīng)MATLAB處理得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖同ANSYS仿真得到的磁通分布圖都有對(duì)應(yīng)關(guān)系,就可以驗(yàn)證仿真及其導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件以及MATLAB編程所計(jì)算的結(jié)果是可信的。這樣也可以很直觀的看出在不同中心角的情況下,流量計(jì)流道內(nèi)部各個(gè)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

4 不同鐵芯結(jié)構(gòu)情況下對(duì)磁場(chǎng)的評(píng)價(jià)

為了判斷磁場(chǎng)的質(zhì)量,定義了四個(gè)磁場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo):磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平均值;磁感應(yīng)強(qiáng)度B的標(biāo)準(zhǔn)差;磁感應(yīng)強(qiáng)度B的中心值;磁場(chǎng)的均勻區(qū)域面積。

對(duì)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,分別指整個(gè)敏感區(qū)(流量計(jì)流道內(nèi))各個(gè)節(jié)點(diǎn)的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,把仿真得到的數(shù)據(jù)文本通過(guò)MATLAB可以容易的得到這兩個(gè)指標(biāo)。顯然,平均值越大越好,標(biāo)準(zhǔn)差越小越好;對(duì)于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的中心值,它的計(jì)算過(guò)程與前兩個(gè)指標(biāo)類似,需要強(qiáng)調(diào)的是,這里的中心值指的不一定是流道中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值,因?yàn)?ANSYS在建模和劃分網(wǎng)格之后,并不能保證在流道的中心點(diǎn),即坐標(biāo)(0,0)點(diǎn)一定有一個(gè)節(jié)點(diǎn),只能利用MATLAB找到一個(gè)與流道中心點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為它的中心點(diǎn),所產(chǎn)生的誤差是完全可以忽略不計(jì)的。和平均值一樣,中心值也是越大越好。

平均值,標(biāo)準(zhǔn)差和中心值三個(gè)磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同中心角Φ的情況下分布如圖4(a)、4(b)所示。從這兩個(gè)圖板可以看出,中心值與平均值隨著中心角的增大而增大,而標(biāo)準(zhǔn)差大體隨其增大而減小;綜合考慮三個(gè)指標(biāo),在中心角為50°～60°時(shí)有相對(duì)較好的取值。

圖4 中心值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

在50°附近(45°～57°)以1°為步長(zhǎng)變化中心角Φ,對(duì)45°～57°區(qū)間予以放大,得到圖板如圖4(c)、4(d)所示?？梢钥闯?在中心角為55°～56°左右時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值,標(biāo)準(zhǔn)差和中心值有較好的取值。

1)單樁基礎(chǔ)的譜疲勞分析中，傳遞函數(shù)的選擇對(duì)疲勞評(píng)估影響很大，在選擇傳遞函數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸以及Morison方程的應(yīng)用限制條件。

在測(cè)量區(qū)域中,選定x軸或y軸方向上很窄的區(qū)域,中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B(0,0),其他點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B(x,y),如果B(0,0),B(x,y)滿足

就認(rèn)為該區(qū)域的磁場(chǎng)是均勻的[10],通過(guò)編程,在選定x軸方向窄區(qū)域中可以找到這樣兩個(gè)節(jié)點(diǎn),在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)服從式(1),在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之外的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)不服從式(1)。同理,在選定y軸方向窄區(qū)域中也可以找到兩個(gè)點(diǎn)能夠符合上述條件。這樣,把這四個(gè)點(diǎn)確定的面的面積定義為均勻區(qū)域面積。

由于對(duì)稱性,在y軸方向只要確定一個(gè)點(diǎn)即可,這里選定x軸上方(縱坐標(biāo)大于零)的點(diǎn),縱坐標(biāo)為Ymax;同樣對(duì)于x軸方向可以選定y軸右側(cè)(橫坐標(biāo)大于零)的一個(gè)點(diǎn),橫坐標(biāo)為Xmax。

所以均勻區(qū)域面積為

不同中心角Φ下均勻區(qū)域面積分布如圖5(a)。從該圖板可以看出,在中心角Φ為50°的時(shí)候,均勻區(qū)域面積取值最大。在50°附近(45°～57°)以1°為步長(zhǎng)變化中心角Φ,將該區(qū)間予以放大,得到如圖5(b)的面積分布圖。通過(guò)對(duì)均勻區(qū)域面積分布圖板的分析可以看出,在中心角為46°～56°時(shí),均勻區(qū)域面積取值相當(dāng),尤其在55°～56°左右的情況下,均勻區(qū)域面積取值最大;然而,當(dāng)中心角小于等于45°或者大于等于57°時(shí),面積的大小驟降。

5 結(jié) 論

通過(guò)利用ANSYS仿真軟件對(duì)集流式電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行仿真以及利用MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算工具對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,可以得到如下的結(jié)論:

圖5 均勻區(qū)域面積分布

1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的中心值和平均值隨鐵芯中心角的增大而增大,而標(biāo)準(zhǔn)差與中心角的關(guān)系不是單調(diào)的,在55°～56°左右有個(gè)拐點(diǎn),此時(shí)取值最小,所以當(dāng)鐵芯中心角為55°～56°左右時(shí),三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值理想。

2)當(dāng)鐵芯中心角在46°～56°之間變化時(shí),均勻區(qū)域面積大小相當(dāng),在55°～56°左右時(shí)取值最大,而當(dāng)鐵芯中心角小于等于45°或者大于等于57°時(shí),面積的大小驟降。

綜上所述,綜合考慮磁場(chǎng)的四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),當(dāng)鐵芯中心角為55°～56°時(shí),結(jié)構(gòu)比較合理。

[1] 蔡武昌,馬中元,瞿國(guó)芳,等.電磁流量計(jì)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2004

[2] 王延軍.電磁流量計(jì)在聚合物溶液中的響應(yīng)特性[D].大慶石油學(xué)院,2007

[3] 呂殿龍,魏云飛,韋 旺.電磁流量計(jì)及其在聚驅(qū)測(cè)井中的應(yīng)用[J].石油儀器,2001,15(3)

[4] 王培烈.產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)的發(fā)展[J].江漢采油工藝,1999,3(2)

[5] 金寧德,宗艷波,鄭桂波,等.注聚井中電磁流量計(jì)測(cè)量特性分析[J].石油學(xué)報(bào),2009,30(2)

[6] 鄔惠峰,嚴(yán)義,吳紅娉.基于ANSYS的電磁流量計(jì)建模研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(2)

[7] 滕 濤,劉 娟,王延軍,等.外流式電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布的仿真研究[J].石油儀器,2008,22(5)

[8] 彭 魁.利用沖擊電流計(jì)測(cè)量水磁導(dǎo)率的研究[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào),1999,26(4)

[9] 劉麗賢,馬國(guó)鷺,趙登峰.基于APDL的ANSYS網(wǎng)格劃分及應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,10(5)

[10] 伍春雷,李泉鳳,胡玉民.磁鐵材料對(duì)加速器電磁鐵好場(chǎng)區(qū)的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2003,43(10)

PI,2011,25(1):18～20,23

Electromagnetic flowmeter is an apparatus which is used to measure the flowrate of conductive liquid based on Faraday′s law of induction.The structure of the excite iron corn is one of the key factors which influence the result.Inside magnetic field of the downhole basket electromagnetic flowmeter has been simulated by means of ANSYS finite element simulation software on the situation of changing the structure parameters of iron core.The optimized structural parameters of iron core in theory can be produced with sufficient analyses on inside magnetic field of flowmeter which is acquired by simulating data on MATLAB mathematics computation tool.The simulation result and data analyses show that all the indexes of magnate field will be much better when the central angle of iron core reaches about 55°～56°.

Key words:electromagnetic flowmeter,the structure parameter optimize of the iron core,ANSYS simulation,MATLAB data processing

The optimized design for the iron core structure of downhole basket electromagnetic flowmeter.

Wang Le,Liu Xingbin,Zhang Yuhui,Hu Jinhai and Cao Shengnan.

P631.8+11

B

1004-9134(2011)01-0018-03

國(guó)家重大專項(xiàng)“復(fù)雜油氣藏測(cè)井綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、配套裝備與處理解釋軟件”中的子課題“多相流測(cè)井配套技術(shù)及成像測(cè)井技術(shù)研究”(2008ZX05020)

王 樂(lè),男,1983年生,2006年本科畢業(yè)于東北石油大學(xué)電子信息工程專業(yè),目前為東北石油大學(xué)2008級(jí)在讀碩士研究生,專業(yè)為精密儀器及機(jī)械,研究方向現(xiàn)代傳感技術(shù)及系統(tǒng)。郵編:163453

2010-07-16編輯:高紅霞)