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電磁流量計磁場仿真研究
近年來,電磁流量計的內部的磁場分部情況備受研究人員的關注。對外流式的電磁流量計的磁場分布情況進行仿真研究,對電磁流量傳感器鞍狀勵磁線圈磁場分布的計算方法,對電磁流量計權函數的數值進行仿真與驗證,運用ANSYS對電磁流量計進行建模研究。一種集流型電磁流量計由于其構造的特殊性,被廠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構造的特殊性,其內部磁場分部情況比普通結構的電磁流量計的更為復雜,對其內部磁場的分布情況的研究對流量計的設計具有重要的意義。本文運用ansys有限元軟件對這種電磁流量計內部磁場敏感場進行建模仿真,并在這種模型下,研究了在電磁流量計中增加部分磁導率不同的顆粒狀物質時,電磁流量計內部磁場分布情況。
 
1.流量計結構與磁場分布仿真
集流型電磁流量計是廣泛用于石油井下測量,其在流量計外殼內鑲嵌有兩個發射磁極和兩個接收電極。由于在電磁傳感器底部安裝有傘式集流器,當流量計位于指定測點后,使集流器張開,以封堵套管和測井儀器之間流體的流動通道,迫使流體全部或絕大部分流經電磁傳感器的測量區域,并經上出液口重新流回井筒,井下集流式流量計截面結構如圖1中(a)所示。
集流型電磁流量計 ANSYS仿真模型如圖1中(b)所示。圖中,電磁流量計內部水平方向有兩個磁極,垂直方向有兩個電極;磁極由磁芯和線圈兩部分組成,即在每個磁極磁芯的外側均包裹一層線圈,用來產生交變磁場。仿真時,傳感器磁極磁芯的長度為8mm、寬度為4mm,材料為導磁性鐵
芯;磁芯外層包裹線圈的厚度為1mm,材料為銅電極的長度和寬度均為4mm,材料為不銹鋼螺線管線圈電流加載后,左邊磁極外側為S極,內側為N極;右邊磁極外側為N極,內側為S極。采用magnol命令對上述外流式電磁流量計磁場分布問題進行靜態求解,得到磁感應強度B分布和2D磁通線分布,分別如圖2中的(a)和(b)所示。可以看出,在傳感器管道內磁場分布較均勻,在靠近磁極表面區域磁力線密集,表示該部分測量靈敏度較高。為了更清晰的了解流量計內部磁感應場的分布情況,建立電磁流量計測量區域的磁感應強度分布場,如圖3所示,從仿真磁感應分布圖中可以清楚的獲得各部分的磁感應強度大小。
 
2.管道內含磁性物質時電磁流量計磁場分布仿真
為了考察流體中含有的磁性物質時,對電磁流量計磁場分布的影響, ANSYS仿真模型如圖4所示的模型。圖中,在傳感器管道測量區域內設置直徑磁性球體,并設定磁性球體的相對磁導率為:u=10。
對線圈施加載激勵電流,并采用esle命令對ANSYS模型進行網格剖分,采用magsolv命令對該含磁性物質時電磁流量計磁場分布問題進行
靜態求解,得到了磁感應強度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,磁性物質流經傳感器管道測量區域時,磁性物質附近的磁場發生了變化,進而影響測量磁場的整體分布特性。也就是說,流體中的磁性物質同樣會對集流型電磁流量計的測量造成影響。將仿真結果數值化顯示其分布圖如圖6所示,從仿真結果可以看出,流體中含有磁物質時這部分磁感應強度是増大的,是影響整個空間的磁感應強度分布的。
 
3.結束語
集流型電磁流量計以一種特殊結構在油氣井測量方面有廣泛的應用,本文對這種特殊結構的流量測量計建立仿真模型,利用有限元的方法對集流式電磁流量計磁場的測定進行了計算機實驗仿真,為利用有限元方法在電磁流量計的仿真方法中磁場的仿真測量及其結構優化莫定一定基礎。
 
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