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

王 樂劉興斌張玉輝胡金海曹勝男

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

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

王 樂1劉興斌2張玉輝2胡金海2曹勝男2

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

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測量導電性液體體積流量的儀表,勵磁鐵芯的結(jié)構(gòu)是影響流量測量的關(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,對井下集流式電磁流量計內(nèi)部磁場進行仿真;把得到的仿真數(shù)據(jù)用MATLAB數(shù)學計算工具進行處理,分析流量計流道內(nèi)部的磁場,對磁場的各個評價指標進行綜合的權(quán)衡,進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,磁場的各個評價指標都有較好的取值。

電磁流量計;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

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律用來測量導電性液體體積流量的儀表,它具有測量不受外部因素和流體本身特性影響,以及無阻流元件等優(yōu)點[1～3],所以曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地面單相的、導電流體(如水)的流量測量,也廣泛應(yīng)用于油田注水井、注聚井的注入剖面測井中。本文所涉及的電磁流量計是一種井下集流式電磁流量計,應(yīng)用于產(chǎn)出剖面測井來測量油水兩相流的流量[4]。在流道的外壁焊有鐵芯來優(yōu)化磁場,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,就會產(chǎn)生磁場。當導電性流體流過時就會切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,利用測量電極把感應(yīng)電動勢信號采集到外圍電路,再把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號,這樣流體的體積流量和頻率信號就會形成一種關(guān)系,利用這種關(guān)系并通過對采集到的頻率信號進行分析處理以及對儀器進行標定就會得到導電流體的體積流量值。

鐵芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于磁場的形成是十分重要的,本文就是利用ANSYS仿真,通過改變鐵芯的中心角的方式來改變鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù),分析在不同鐵芯中心角的情況下各個磁場評價指標的分布,來確定鐵芯的最優(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截面圖。內(nèi)部的小圓表示流量計流道,外部的大圓為流量計的外壁;被x軸貫穿的兩個中心角較大的扇環(huán)為鐵芯,實際材料為電工純鐵,焊接在流道的外壁上;四個中心角較小的扇環(huán)為線圈,纏繞在鐵芯上;黑色矩形為測量電極。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)的流體是磁導率為0.999 970 7的水[8]。

2 ANSYS仿真磁場分布

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,當中心角為10°的時候,線圈附近的磁通線很密集,說明此處磁感應(yīng)強度大,而電極附近的磁通線相對比較稀疏,說明此處磁感應(yīng)強度較小;當中心角為20°時,線圈附近的磁感應(yīng)強度較10°時小,而電極附近的磁感應(yīng)強度較10°時大;當角度再增大時,同樣是這種變化趨勢。這就說明,隨著鐵芯的中心角增大,線圈附近的磁感應(yīng)強度B有逐漸減小的趨勢,而電極附近的磁感應(yīng)強度有逐漸增大的趨勢。

3 MATLAB分析得到磁感應(yīng)強度分布

ANSYS在建模和劃分網(wǎng)格之后會產(chǎn)生一系列節(jié)點,當仿真完成后,用MATLAB做敏感區(qū)域節(jié)點的磁感應(yīng)強度B值對于節(jié)點坐標值的分布圖,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)強度B的大小(單位是特斯拉)。

從圖3(a)當鐵芯中心角為10°時磁感應(yīng)強度分布圖可以看出,線圈位置z值大,電極位置z值小,與圖2(a)當鐵芯中心角為10°時磁通線分布圖相對應(yīng);比較圖3和圖2其他幾幅對應(yīng)圖發(fā)現(xiàn),經(jīng)MATLAB處理得到的磁感應(yīng)強度分布圖同ANSYS仿真得到的磁通分布圖都有對應(yīng)關(guān)系,就可以驗證仿真及其導出的數(shù)據(jù)文件以及MATLAB編程所計算的結(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,流量計流道內(nèi)部各個位置的磁感應(yīng)強度。

圖3 磁感應(yīng)強度分布圖

4 不同鐵芯結(jié)構(gòu)情況下對磁場的評價

為了判斷磁場的質(zhì)量,定義了四個磁場的評價指標:磁感應(yīng)強度B的平均值;磁感應(yīng)強度B的標準差;磁感應(yīng)強度B的中心值;磁場的均勻區(qū)域面積。

對于磁感應(yīng)強度B的平均值和標準差,分別指整個敏感區(qū)(流量計流道內(nèi))各個節(jié)點的算術(shù)平均值和標準差,把仿真得到的數(shù)據(jù)文本通過MATLAB可以容易的得到這兩個指標。顯然,平均值越大越好,標準差越小越好;對于磁感應(yīng)強度B的中心值,它的計算過程與前兩個指標類似,需要強調(diào)的是,這里的中心值指的不一定是流道中心點的磁感應(yīng)強度B的值,因為,ANSYS在建模和劃分網(wǎng)格之后,并不能保證在流道的中心點,即坐標(0,0)點一定有一個節(jié)點,只能利用MATLAB找到一個與流道中心點最近的節(jié)點作為它的中心點,所產(chǎn)生的誤差是完全可以忽略不計的。和平均值一樣,中心值也是越大越好。

平均值,標準差和中心值三個磁場評價指標在不同中心角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,而標準差大體隨其增大而減小;綜合考慮三個指標,在中心角為50°～60°時有相對較好的取值。

圖4 中心值、平均值和標準差分布圖

在50°附近(45°～57°)以1°為步長變化中心角Φ,對45°～57°區(qū)間予以放大,得到圖板如圖4(c)、4(d)所示。可以看出,在中心角為55°～56°左右時,磁感應(yīng)強度的平均值,標準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)的選擇對疲勞評估影響很大，在選擇傳遞函數(shù)時，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)實際尺寸以及Morison方程的應(yīng)用限制條件。

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

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

由于對稱性,在y軸方向只要確定一個點即可,這里選定x軸上方(縱坐標大于零)的點,縱坐標為Ymax;同樣對于x軸方向可以選定y軸右側(cè)(橫坐標大于零)的一個點,橫坐標為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°的時候,均勻區(qū)域面積取值最大。在50°附近(45°～57°)以1°為步長變化中心角Φ,將該區(qū)間予以放大,得到如圖5(b)的面積分布圖。通過對均勻區(qū)域面積分布圖板的分析可以看出,在中心角為46°～56°時,均勻區(qū)域面積取值相當,尤其在55°～56°左右的情況下,均勻區(qū)域面積取值最大;然而,當中心角小于等于45°或者大于等于57°時,面積的大小驟降。

5 結(jié) 論

通過利用ANSYS仿真軟件對集流式電磁流量計內(nèi)部磁場進行仿真以及利用MATLAB數(shù)學計算工具對仿真數(shù)據(jù)進行分析處理,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)強度B的中心值和平均值隨鐵芯中心角的增大而增大,而標準差與中心角的關(guān)系不是單調(diào)的,在55°～56°左右有個拐點,此時取值最小,所以當鐵芯中心角為55°～56°左右時,三個評價指標取值理想。

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

綜上所述,綜合考慮磁場的四個評價指標,當鐵芯中心角為55°～56°時,結(jié)構(gòu)比較合理。

[1] 蔡武昌,馬中元,瞿國芳,等.電磁流量計[M].北京:中國石化出版社,2004

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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

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

王 樂,男,1983年生,2006年本科畢業(yè)于東北石油大學電子信息工程專業(yè),目前為東北石油大學2008級在讀碩士研究生,專業(yè)為精密儀器及機械,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)