1引言
近年來(lái),電磁流量計(jì)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)況備受研究人員的關(guān)注對(duì)外流式的電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了仿真研究"在些特殊的工況領(lǐng)域下,如何設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)直是工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)題”,生產(chǎn)測(cè)井中特殊工況環(huán)境下如何設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)一直是石油生產(chǎn)測(cè)井領(lǐng)域研究的問(wèn)題,電磁相關(guān)法流量測(cè)量傳感器解決了生產(chǎn)測(cè)井中油氣水三相流流量測(cè)量問(wèn)題.另一方面生產(chǎn)測(cè)井空間狹小，需要構(gòu)造特殊的電磁流量計(jì)傳感器,本文提出了一種勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的磁芯設(shè)計(jì)為T(mén)型的電磁流量計(jì),使得有限的空間下電磁流量計(jì)的勵(lì)磁線(xiàn)圈空間增大,進(jìn)而增強(qiáng)測(cè)量管道中(測(cè)量區(qū)域)磁場(chǎng)強(qiáng)度，使兩端電極感應(yīng)信號(hào)變大,有助于信號(hào)的獲取,為有限空間下的井下小管徑集電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)提供可能.同時(shí),對(duì)電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中T型磁芯參數(shù)進(jìn)行研究，獲得不同T型磁芯對(duì)測(cè)量管道中磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響.研究結(jié)果可為應(yīng)用在一些特殊場(chǎng)合中具有T型磁芯的電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù).
1T型磁芯結(jié)構(gòu)
T型磁芯是為較小的空間下實(shí)現(xiàn)盡可能大的勵(lì)磁線(xiàn)圈而提出的,如圖1所示為較小空間結(jié)構(gòu)下,設(shè)計(jì)有T型磁芯的電磁流量計(jì)傳感器截面圖.在圖中1表示線(xiàn)圈位置;2表示磁芯位置;3表示電極及其固定器件位置;4表示襯里位置;5表示內(nèi)徑壁位置;6表示外徑壁;7表示測(cè)量管道(測(cè)量區(qū)域).如圖1所示電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)磁芯造型近似為T(mén)型(因稱(chēng)為T(mén)型磁芯),磁芯在靠近電磁流量計(jì)內(nèi)管道時(shí)為T(mén)型磁芯的較長(zhǎng)端.如圖中所示,T型磁芯較長(zhǎng)端與x軸夾角為a,T型磁芯較短端與x軸夾角為b,T型磁芯較長(zhǎng)端寬度為k1,T型磁芯較短端寬度為k2.
2磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)
為了詳細(xì)的獲得電磁流量計(jì)勵(lì)磁線(xiàn)圈及T型磁芯變化對(duì)流量計(jì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響情況，引入樣本平均值樣本標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)磁場(chǎng)均勻度、感應(yīng)電勢(shì)值等磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析傳感器勵(lì)磁線(xiàn)圈不同軸向長(zhǎng)度時(shí)測(cè)量區(qū)域內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況，如式(1)所示.式中，Bs為樣本平均值;`B為樣本標(biāo)準(zhǔn)差;Bcv為樣本磁場(chǎng)均勻度;Bc為樣本變異系數(shù).在這4個(gè)磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中,樣本平均值越大越好，樣本標(biāo)準(zhǔn)差越小越好,磁場(chǎng)均勻度越大越好,變異系數(shù)越小越好.
式中，S均勻?yàn)闇y(cè)量區(qū)域任意一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與`B之比在均勻95%至105%的面積和,S測(cè)量區(qū)的總面積。
由Maxwell方程及在一定的假設(shè)條件下，可得I5]電磁流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)方程"],如式(2)所示:
式中，U2-U1是兩電極的電勢(shì)差;A表示對(duì)所有空間積分;L為絕緣管道筒長(zhǎng)一半;r為流量計(jì)截面管半徑;矢量`B是導(dǎo)電流體的流速;B是磁感應(yīng)強(qiáng)度;W為矢量權(quán)重函數(shù),它是-一個(gè)只由電磁流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)決定的量.由(2)式可知，只要確定了流體的流速V、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、以及權(quán)重函數(shù)W,以及流量計(jì)管徑半徑,就可以求流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)差.
3仿真實(shí)驗(yàn)
仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定a分別為23°,30°,35°,40°，45°,50°,設(shè)定b小于等于a,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定角度分別為8°,16°,23°,30°,35°,40°,45°,50°.仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)定T型磁芯較長(zhǎng)端寬度為h1占T型磁芯整個(gè)寬度的1/3,1/2以及2/3時(shí)(即h1/(h1+k2)為1/3,1/2以及2/3時(shí)的情況)分別考查不同參數(shù)情況下T型磁芯構(gòu)建的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響情況.
如圖2所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)在電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真圖.由于篇幅原因，這里只顯示了k1/(k1+k2)為1/2,b為23°的仿真圖.圖2(a),(b),(c),(d)分別顯示的是a為23°,
4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
為了考察不同T型磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況影響,仿真實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果運(yùn)用公式(1)電磁流量計(jì)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，以獲得電磁流量計(jì)不同T型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量計(jì)測(cè)量區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布影響,從而為電磁流量計(jì)T型磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)性的意見(jiàn).
如圖3所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測(cè)量區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度平均值，圖中橫坐標(biāo)為T(mén)型磁芯b的角度,縱坐標(biāo)為測(cè)量區(qū)域的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度，圖標(biāo)表示的是T型磁芯的不同α的角度以及磁芯長(zhǎng)端寬度所占的比例其中以“角度-比例”表示,例如30-1/2表示T型磁芯的較長(zhǎng)端角度α為30°,k1/(k1+k2)為1/2時(shí)的測(cè)量區(qū)域中平均磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果圖標(biāo)Other為T(mén)型磁芯較長(zhǎng)端的角度α與較短端的角度b相等(即為23,30,35,40,45,50)時(shí)的流量計(jì)測(cè):量區(qū)域中的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度.從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α越小，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中平均磁場(chǎng)強(qiáng)度越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α一定時(shí),T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中平均磁場(chǎng)強(qiáng)度越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α與較短端的角度b一定時(shí),T型磁芯的k1/(k1+k2)越小，在流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中平均磁場(chǎng)強(qiáng)度越大.
如圖4所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測(cè)量區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，圖中橫坐標(biāo)為T(mén)型磁芯b的角度,縱坐標(biāo)為測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，圖標(biāo)圖例與圖3中一致從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α越小，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α一定時(shí),T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α與較短端的角度b一定時(shí),T型磁芯的k1/(k1+k2)越小，在流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差越大。
標(biāo)準(zhǔn)差代表磁場(chǎng)測(cè)量區(qū)域的磁場(chǎng)分布波動(dòng)性較大，因而需引入變異系數(shù)對(duì)測(cè)量區(qū)域中的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)一步分析.如圖5所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度變異系數(shù),圖中橫坐標(biāo)為T(mén)型磁芯b的角度，縱坐標(biāo)為測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的變異系數(shù),圖標(biāo)圖例與圖3中一致.從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α越小，流量計(jì)測(cè)，量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度變異系數(shù)越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α一定時(shí),T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度變異系數(shù)越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α與較短端的角度b一定時(shí)，T型磁芯的k1/(k1+k2)越小，在流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度變異系數(shù)越大.異系數(shù)越大說(shuō)明磁場(chǎng)分布越不均勻，波動(dòng)性越大;異系數(shù)越小說(shuō)明磁場(chǎng)分布趨向均勻.下面通過(guò)計(jì)算測(cè)量區(qū)域中的磁場(chǎng)均勻區(qū)域來(lái)對(duì)這一結(jié)果進(jìn)一步的分析.
如圖6所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度均勻區(qū)域面積，圖中橫坐標(biāo)為T(mén)型磁芯b的角度,縱坐標(biāo)為測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的均勻區(qū)域面積,圖標(biāo)圖例與圖3中一致.從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α為越小,流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻區(qū)域面積越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α一定時(shí),T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻區(qū)域面積越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α與較短端的角度b一定時(shí),T型磁芯的k1/(h1+k2)越小，在流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻區(qū)域面積越大.
上面對(duì)不同T型磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)部磁場(chǎng)分布影響進(jìn)行了研究,下面通過(guò)電極兩端感應(yīng)信號(hào)如公式(2)對(duì)電磁流量計(jì)T型磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行研究.如圖7所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下電磁流量計(jì)感應(yīng)信號(hào).圖中橫坐標(biāo)為T(mén)型磁芯b的角度,縱坐標(biāo)為電磁流量計(jì)獲取的感應(yīng)信號(hào)(電勢(shì)差),圖標(biāo)表示的是T型磁芯的不同α的角度,仿真中k1/(k1+k2)為1/2.仿真實(shí)驗(yàn)中虛線(xiàn)為仿真流體為湍流情況下獲取的感應(yīng)電勢(shì)差,實(shí)線(xiàn)為流體為層流情況下獲取的感應(yīng)電勢(shì)差.
從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α越小,流量計(jì)電極兩端獲得的感應(yīng)信號(hào)越大;在T型磁芯的較長(zhǎng)端的角度α一定時(shí),T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計(jì)電極兩端獲得的感應(yīng)信號(hào)越大.這主要是因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)勵(lì)磁線(xiàn)圈的增加,使得流量計(jì)測(cè)量區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加,同樣分布的流速下使得流量計(jì)電極兩端的感應(yīng)信號(hào)增加
仿真實(shí)驗(yàn)證明在有限的空間下，修改T磁芯的不同參數(shù),可以增加流量計(jì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況，也可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與均勻度,根據(jù)生產(chǎn)測(cè)井中的實(shí)際工況，改變電磁流量計(jì)的T磁芯參數(shù)獲得設(shè)計(jì)參數(shù).
5結(jié)論
井下集流型電磁流量計(jì)在油氣井測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用前景,針對(duì)生產(chǎn)測(cè)井特殊工況下提出具有T型磁芯的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的集流式電磁流量計(jì),利用有限元軟件ANSYS建立了該種T型磁芯結(jié)構(gòu)電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)分布計(jì)算機(jī)仿真模型,并通過(guò)各種性能指標(biāo)的分析,獲得該T型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)與流量計(jì)測(cè)量區(qū)域中磁場(chǎng)分布關(guān)系,為擁有T型磁芯結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù).
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