井下集流式电磁流量计铁芯结构优化设计＊

王 乐刘兴斌张玉辉胡金海曹胜男

(1.东北石油大学研究生院 黑龙江大庆) (2.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆)

井下集流式电磁流量计铁芯结构优化设计＊

王 乐1刘兴斌2张玉辉2胡金海2曹胜男2

(1.东北石油大学研究生院 黑龙江大庆) (2.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆)

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律测量导电性液体体积流量的仪表,励磁铁芯的结构是影响流量测量的关键之一。利用ANSYS有限元仿真软件,在改变铁芯结构参数的情况下,对井下集流式电磁流量计内部磁场进行仿真;把得到的仿真数据用MATLAB数学计算工具进行处理,分析流量计流道内部的磁场,对磁场的各个评价指标进行综合的权衡,进而从理论上得到最优的铁芯结构参数。仿真结果以及数据分析结果表明,在铁芯的中心角为55°～56°左右时,磁场的各个评价指标都有较好的取值。

电磁流量计;铁芯结构参数优化;ANSYS仿真;MATLAB数据处理

0 引 言

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律用来测量导电性液体体积流量的仪表,它具有测量不受外部因素和流体本身特性影响,以及无阻流元件等优点[1～3],所以曾经被广泛应用于地面单相的、导电流体(如水)的流量测量,也广泛应用于油田注水井、注聚井的注入剖面测井中。本文所涉及的电磁流量计是一种井下集流式电磁流量计,应用于产出剖面测井来测量油水两相流的流量[4]。在流道的外壁焊有铁芯来优化磁场,由电工纯铁制成。在铁芯周围缠绕铜制线圈,线圈上通以电流后,就会产生磁场。当导电性流体流过时就会切割磁感线产生感应电动势,利用测量电极把感应电动势信号采集到外围电路,再把电压信号转化为频率信号,这样流体的体积流量和频率信号就会形成一种关系,利用这种关系并通过对采集到的频率信号进行分析处理以及对仪器进行标定就会得到导电流体的体积流量值。

铁芯的结构参数对于磁场的形成是十分重要的,本文就是利用ANSYS仿真,通过改变铁芯的中心角的方式来改变铁芯结构参数,分析在不同铁芯中心角的情况下各个磁场评价指标的分布,来确定铁芯的最优结构参数。

1 建模和网格划分

利用ANSYS有限元仿真软件进行仿真[5～7],建模和划分网格,建模示意图如图1所示。

图1 建模示意图

该建模示意图为集流式电磁流量计截面图。内部的小圆表示流量计流道,外部的大圆为流量计的外壁;被x轴贯穿的两个中心角较大的扇环为铁芯,实际材料为电工纯铁,焊接在流道的外壁上;四个中心角较小的扇环为线圈,缠绕在铁芯上;黑色矩形为测量电极。流道与铁芯和线圈之间有一定的厚度表示流道的壁厚,外壁与铁芯和线圈之间表示外壁的厚度和空气隙,流道内的流体是磁导率为0.999 970 7的水[8]。

2 ANSYS仿真磁场分布

图2为中心角从5°～60°仿真之后部分中心角下的磁通分布图。

图2 磁通分布图

观察并分析图2的磁通分布图,当中心角为10°的时候,线圈附近的磁通线很密集,说明此处磁感应强度大,而电极附近的磁通线相对比较稀疏,说明此处磁感应强度较小;当中心角为20°时,线圈附近的磁感应强度较10°时小,而电极附近的磁感应强度较10°时大;当角度再增大时,同样是这种变化趋势。这就说明,随着铁芯的中心角增大,线圈附近的磁感应强度B有逐渐减小的趋势,而电极附近的磁感应强度有逐渐增大的趋势。

3 MATLAB分析得到磁感应强度分布

ANSYS在建模和划分网格之后会产生一系列节点,当仿真完成后,用MATLAB做敏感区域节点的磁感应强度B值对于节点坐标值的分布图,如图3所示。x轴方向与y轴方向如图1所示,z轴为磁感应强度B的大小(单位是特斯拉)。

从图3(a)当铁芯中心角为10°时磁感应强度分布图可以看出,线圈位置z值大,电极位置z值小,与图2(a)当铁芯中心角为10°时磁通线分布图相对应;比较图3和图2其他几幅对应图发现,经MATLAB处理得到的磁感应强度分布图同ANSYS仿真得到的磁通分布图都有对应关系,就可以验证仿真及其导出的数据文件以及MATLAB编程所计算的结果是可信的。这样也可以很直观的看出在不同中心角的情况下,流量计流道内部各个位置的磁感应强度。

图3 磁感应强度分布图

4 不同铁芯结构情况下对磁场的评价

为了判断磁场的质量,定义了四个磁场的评价指标:磁感应强度B的平均值;磁感应强度B的标准差;磁感应强度B的中心值;磁场的均匀区域面积。

对于磁感应强度B的平均值和标准差,分别指整个敏感区(流量计流道内)各个节点的算术平均值和标准差,把仿真得到的数据文本通过MATLAB可以容易的得到这两个指标。显然,平均值越大越好,标准差越小越好;对于磁感应强度B的中心值,它的计算过程与前两个指标类似,需要强调的是,这里的中心值指的不一定是流道中心点的磁感应强度B的值,因为,ANSYS在建模和划分网格之后,并不能保证在流道的中心点,即坐标(0,0)点一定有一个节点,只能利用MATLAB找到一个与流道中心点最近的节点作为它的中心点,所产生的误差是完全可以忽略不计的。和平均值一样,中心值也是越大越好。

平均值,标准差和中心值三个磁场评价指标在不同中心角Φ的情况下分布如图4(a)、4(b)所示。从这两个图板可以看出,中心值与平均值随着中心角的增大而增大,而标准差大体随其增大而减小;综合考虑三个指标,在中心角为50°～60°时有相对较好的取值。

图4 中心值、平均值和标准差分布图

在50°附近(45°～57°)以1°为步长变化中心角Φ,对45°～57°区间予以放大,得到图板如图4(c)、4(d)所示。可以看出,在中心角为55°～56°左右时,磁感应强度的平均值,标准差和中心值有较好的取值。

1)单桩基础的谱疲劳分析中，传递函数的选择对疲劳评估影响很大，在选择传递函数时，应综合考虑结构实际尺寸以及Morison方程的应用限制条件。

在测量区域中,选定x轴或y轴方向上很窄的区域,中心点的磁感应强度为B(0,0),其他点的磁感应强度为B(x,y),如果B(0,0),B(x,y)满足

就认为该区域的磁场是均匀的[10],通过编程,在选定x轴方向窄区域中可以找到这样两个节点,在这两个节点之间的节点服从式(1),在这两个节点之外的下一个节点不服从式(1)。同理,在选定y轴方向窄区域中也可以找到两个点能够符合上述条件。这样,把这四个点确定的面的面积定义为均匀区域面积。

由于对称性,在y轴方向只要确定一个点即可,这里选定x轴上方(纵坐标大于零)的点,纵坐标为Ymax;同样对于x轴方向可以选定y轴右侧(横坐标大于零)的一个点,横坐标为Xmax。

所以均匀区域面积为

不同中心角Φ下均匀区域面积分布如图5(a)。从该图板可以看出,在中心角Φ为50°的时候,均匀区域面积取值最大。在50°附近(45°～57°)以1°为步长变化中心角Φ,将该区间予以放大,得到如图5(b)的面积分布图。通过对均匀区域面积分布图板的分析可以看出,在中心角为46°～56°时,均匀区域面积取值相当,尤其在55°～56°左右的情况下,均匀区域面积取值最大;然而,当中心角小于等于45°或者大于等于57°时,面积的大小骤降。

5 结 论

通过利用ANSYS仿真软件对集流式电磁流量计内部磁场进行仿真以及利用MATLAB数学计算工具对仿真数据进行分析处理,可以得到如下的结论:

图5 均匀区域面积分布

1)磁感应强度B的中心值和平均值随铁芯中心角的增大而增大,而标准差与中心角的关系不是单调的,在55°～56°左右有个拐点,此时取值最小,所以当铁芯中心角为55°～56°左右时,三个评价指标取值理想。

2)当铁芯中心角在46°～56°之间变化时,均匀区域面积大小相当,在55°～56°左右时取值最大,而当铁芯中心角小于等于45°或者大于等于57°时,面积的大小骤降。

综上所述,综合考虑磁场的四个评价指标,当铁芯中心角为55°～56°时,结构比较合理。

[1] 蔡武昌,马中元,瞿国芳,等.电磁流量计[M].北京:中国石化出版社,2004

[2] 王延军.电磁流量计在聚合物溶液中的响应特性[D].大庆石油学院,2007

[3] 吕殿龙,魏云飞,韦 旺.电磁流量计及其在聚驱测井中的应用[J].石油仪器,2001,15(3)

[4] 王培烈.产出剖面测井技术的发展[J].江汉采油工艺,1999,3(2)

[5] 金宁德,宗艳波,郑桂波,等.注聚井中电磁流量计测量特性分析[J].石油学报,2009,30(2)

[6] 邬惠峰,严义,吴红娉.基于ANSYS的电磁流量计建模研究[J].仪器仪表学报,2008,29(2)

[7] 滕 涛,刘 娟,王延军,等.外流式电磁流量计磁场分布的仿真研究[J].石油仪器,2008,22(5)

[8] 彭 魁.利用冲击电流计测量水磁导率的研究[J].辽宁大学学报,1999,26(4)

[9] 刘丽贤,马国鹭,赵登峰.基于APDL的ANSYS网格划分及应用[J].重庆科技学院学报,2008,10(5)

[10] 伍春雷,李泉凤,胡玉民.磁铁材料对加速器电磁铁好场区的影响[J].清华大学学报,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

国家重大专项“复杂油气藏测井综合评价技术、配套装备与处理解释软件”中的子课题“多相流测井配套技术及成像测井技术研究”(2008ZX05020)

王 乐,男,1983年生,2006年本科毕业于东北石油大学电子信息工程专业,目前为东北石油大学2008级在读硕士研究生,专业为精密仪器及机械,研究方向现代传感技术及系统。邮编:163453

2010-07-16编辑:高红霞)