井下集流式電磁流量計鐵芯結構優化設計

井下集流式電磁流量計鐵芯結構優化設計*
   摘 要: 電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律測量導電性液體體積流量的儀表, 勵磁鐵芯的結構是影響流量測量的關鍵之一。利用ANSYS 有限元仿真軟件, 在改變鐵芯結構參數的情況下, 對井下集流式電磁流量計內部磁場進行仿真; 把得到的仿真數據用MATLAB 數學計算工具進行處理, 分析流量計流道內部的磁場, 對磁場的各個評價指標進行綜合的權衡, 進而從理論上得到的鐵芯結構參數。仿真結果以及數據分析結果表明, 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。
   關鍵詞: 電磁流量計; 鐵芯結構參數優化; ANSYS 仿真; MATLAB 數據處理
     0 . 引.. 言
    電磁流量計是根據法拉第電磁感應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點[ 1~ 3] , 所以曾經被廣泛應用于地面單相的、導電流體( 如水) 的流量測量, 也廣泛應用于油田注水井、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, 應用于產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, 就會產生磁場。當導電性流體流過時就會切割磁感線產生感應電動勢, 利用測量電極把感應電動勢信號采集到外圍電路, 再把電壓信號轉化為頻率信號, 這樣流體的體積流量和頻率信號就會形成一種關系, 利用這種關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。鐵芯的結構參數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構參數, 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, 來確定鐵芯的結構參數。
   1 .. 建模和網格劃分
    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, 流道內的流體是磁導率為0. 999 970 7 的水[ 8] 。為方便分析和說明, 定義一個中心角.. 如圖所示。圖中線圈的中心角固定為23.., 在建模的時候通
過改變所定義的中心角.. ( 從5..到60..之間變化, 除從5..到10..之間相差5..外, 角度以10..為步長變化) , 就能改變鐵芯結構參數, 進而研究磁場的各個評價指標在不同鐵芯尺寸條件下的分布情況, 最終達到優化鐵芯參數的目的。
   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, 說明此處磁感應強度較小; 當中心角為20..時, 線圈附近的磁感應強度較10..時小, 而電極附近的磁感應強度較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, 線圈附近的磁感應強度B 有逐漸減小的趨勢, 而電極附近的磁感應強度有逐漸增大的趨勢。
    3 .. MATLAB 分析得到磁感應強度分布
    ANSYS 在建模和劃分網格之后會產生一系列節點, 當仿真完成后, 用MATLAB 做敏感區域節點的磁感應強度B 值對于節點坐標值的分布圖, 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; 比較圖3 和圖2 其他幾幅對應圖發現, 經MATLAB 處理得到的磁感應強度分布圖同ANSYS 仿真得到的磁通分布圖都有對應關系, 就可以驗證仿真及其導出的數據文件以及MATLAB 編程所計算的結果是可信的。這樣也可以很直觀的看出在不同中心角的情況下, 流量計流道內部各個位置的磁感應強度。圖3.. 磁感應強度分布圖
   4 .. 不同鐵芯結構情況下對磁場的評價
   為了判斷磁場的質量, 定義了四個磁場的評價指標: 磁感應強度B 的平均值; 磁感應強度B 的標準差; 磁感應強度B 的中心值; 磁場的均勻區域面積。對于磁感應強度B 的平均值和標準差, 分別指整個敏感區( 流量計流道內) 各個節點的算術平均值和標準差, 把仿真得到的數據文本通過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, 需要強調的是, 這里的中心值指的不一定是流道中心點的磁感應強度B 的值, 因為, ANSYS 在建模和劃分網格之后, 并不能保證在流道的中心點, 即坐標( 0, 0) 點一定有一個節點, 只能利用MATLAB 找到一個與流道中心點最近的節點作為它的中心點, 所產生的誤差是*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.. 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。在50..附近( 45..~ 57..) 以1..為步長變化中心角.. ,
圖4 .. 中心值、平均值和標準差分布圖對45..~ 57..區間予以放大, 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, 磁感應強度的平均值, 標準差和中心值有較好的取值。在測量區域中, 選定x 軸或y 軸方向上很窄的區域, 中心點的磁感應強度為B ( 0, 0) , 其他點的磁感應強度為B ( x , y ) , 如果B ( 0, 0) , B ( x , y ) 滿足B ( x , y ) - B ( 0, 0) B ( 0, 0) .. 99% .. 5% ( 1) 就認為該區域的磁場是均勻的[ 10] , 通過編程, 在選定x 軸方向窄區域中可以找到這樣兩個節點, 在這兩個節點之間的節點服從式( 1) , 在這兩個節點之外的下一個節點不服從式( 1) 。同理, 在選定y 軸方向窄區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( 橫坐標大于零) 的一個點, 橫坐標為X max。所以均勻區域面積為S = 2 .. X max .. Ymax ( 2) 不同中心角.. 下均勻區域面積分布如圖5( a) 。從該圖板可以看出, 在中心角.. 為50..的時候, 均勻區域面積取值。在50..附近( 45..~ 57..) 以1..為步長變化中心角.. , 將該區間予以放大, 得到如圖5( b) 的面積分布圖。通過對均勻區域面積分布圖板的分析可以看出, 在中心角為46..~ 56..時, 均勻區域面積取值相當, 尤其在55..~ 56..左右的情況下, 均勻區域面積取值; 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.. 論
    通過利用ANSYS 仿真軟件對集流式智能電磁流量計內部磁場進行仿真以及利用MATLAB 數學計算工具對仿真數據進行分析處理, 可以得到如下的結論: 圖5.. 均勻區域面積分布
  1) 磁感應強度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系不是單調的, 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, 均勻區域面積大小相當, 在55..~ 56..左右時取值, 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, 結構比較合理。
   參考文獻
   [ 1] .. 蔡武昌, 馬中元, 瞿國芳, 等. 智能電磁流量計[M] . 北京: 中國石化出版社, 2004--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：