0 . 引.. 言 電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律用(yòng)來(lái)測量導電性液體體積流量的(de)儀表, 它具有測量不受外部因素和(hé)流體本身特性影(yǐng)響, 以及無阻流元件等優點[ 1~ 3] , 所以曾經被廣泛應用(yòng)于地面單相的(de)、導電流體( 如水(shuǐ)) 的(de)流量測量, 也(yě)廣泛應用(yòng)于油田注水(shuǐ)井、注聚井的(de)注入剖面測井中。本文所涉及的(de)電磁流量計是一種井下(xià)集流式電磁流量計, 應用(yòng)于産出剖面測井來(lái)測量油水(shuǐ)兩相流的(de)流量[ 4] 。在流道的(de)外壁焊有鐵芯來(lái)優化(huà)磁場(chǎng), 由電工純鐵制成。在鐵芯周圍纏繞銅制線圈, 線圈上通(tōng)以電流後, 就會産生磁場(chǎng)。當導電性流體流過時(shí)就會切割磁感線産生感應電動勢, 利用(yòng)測量電極把感應電動勢信号采集到外圍電路, 再把電壓信号轉化(huà)爲頻(pín)率信号, 這(zhè)樣流體的(de)體積流量和(hé)頻(pín)率信号就會形成一種關系, 利用(yòng)這(zhè)種關系并通(tōng)過對(duì)采集到的(de)頻(pín)率信号進行分(fēn)析處理(lǐ)以及對(duì)儀器進行标定就會得(de)到導電流體的(de)體積流量值。鐵芯的(de)結構參數對(duì)于磁場(chǎng)的(de)形成是十分(fēn)重要的(de), 本文就是利用(yòng)ANSYS 仿真, 通(tōng)過改變鐵芯的(de)中心角的(de)方式來(lái)改變鐵芯結構參數, 分(fēn)析在不同鐵芯中心角的(de)情況下(xià)各個(gè)磁場(chǎng)評價指标的(de)分(fēn)布, 來(lái)确定鐵芯的(de)最優結構參數。 1 .. 建模和(hé)網格劃分(fēn) 利用(yòng)ANSYS 有限元仿真軟件進行仿真[ 5~ 7] , 建模和(hé)劃分(fēn)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爲集流式電磁流量計截面圖。内部的(de)小圓表示流量計流道, 外部的(de)大(dà)圓爲流量計的(de)外壁; 被x 軸貫穿的(de)兩個(gè)中心角較大(dà)的(de)扇環爲鐵芯, 實際材料爲電工純鐵, 焊接在流道的(de)外壁上; 四個(gè)中心角較小的(de)扇環爲線圈, 纏繞在鐵芯上; 黑(hēi)色矩形爲測量電極。流道與鐵芯和(hé)線圈之間有一定的(de)厚度表示流道的(de)壁厚, 外壁與鐵芯和(hé)線圈之間表示外壁的(de)厚度和(hé)空氣隙, 流道内的(de)流體是磁導率爲0. 999 970 7 的(de)水(shuǐ)[ 8] 。爲方便分(fēn)析和(hé)說明(míng), 定義一個(gè)中心角.. 如圖所示。圖中線圈的(de)中心角固定爲23.., 在建模的(de)時(shí)候通(tōng) 過改變所定義的(de)中心角.. ( 從5..到60..之間變化(huà), 除從5..到10..之間相差5..外, 角度以10..爲步長(cháng)變化(huà)) , 就能改變鐵芯結構參數, 進而研究磁場(chǎng)的(de)各個(gè)評價指标在不同鐵芯尺寸條件下(xià)的(de)分(fēn)布情況, 最終達到優化(huà)鐵芯參數的(de)目的(de)。 2 .. ANSYS 仿真磁場(chǎng)分(fēn)布 圖2 爲中心角從5..~ 60..仿真之後部分(fēn)中心角下(xià)的(de)磁通(tōng)分(fēn)布圖。圖2 .. 磁通(tōng)分(fēn)布圖觀察并分(fēn)析圖2 的(de)磁通(tōng)分(fēn)布圖, 當中心角爲10..的(de)時(shí)候, 線圈附近的(de)磁通(tōng)線很密集, 說明(míng)此處磁感應強度大(dà), 而電極附近的(de)磁通(tōng)線相對(duì)比較稀疏, 說明(míng)此處磁感應強度較小; 當中心角爲20..時(shí), 線圈附近的(de)磁感應強度較10..時(shí)小, 而電極附近的(de)磁感應強度較10..時(shí)大(dà); 當角度再增大(dà)時(shí), 同樣是這(zhè)種變化(huà)趨勢。這(zhè)就說明(míng), 随著(zhe)鐵芯的(de)中心角增大(dà), 線圈附近的(de)磁感應強度B 有逐漸減小的(de)趨勢, 而電極附近的(de)磁感應強度有逐漸增大(dà)的(de)趨勢。 3 .. MATLAB 分(fēn)析得(de)到磁感應強度分(fēn)布 ANSYS 在建模和(hé)劃分(fēn)網格之後會産生一系列節點, 當仿真完成後, 用(yòng)MATLAB 做(zuò)敏感區(qū)域節點的(de)磁感應強度B 值對(duì)于節點坐(zuò)标值的(de)分(fēn)布圖, 如圖3 所示。x 軸方向與y 軸方向如圖1 所示, z 軸爲磁感應強度B 的(de)大(dà)小( 單位是特斯拉) 。從圖3( a) 當鐵芯中心角爲10..時(shí)磁感應強度分(fēn)布圖可(kě)以看出, 線圈位置z 值大(dà), 電極位置z 值小, 與圖2( a ) 當鐵芯中心角爲10..時(shí)磁通(tōng)線分(fēn)布圖相對(duì)應; 比較圖3 和(hé)圖2 其他(tā)幾幅對(duì)應圖發現, 經MATLAB 處理(lǐ)得(de)到的(de)磁感應強度分(fēn)布圖同ANSYS 仿真得(de)到的(de)磁通(tōng)分(fēn)布圖都有對(duì)應關系, 就可(kě)以驗證仿真及其導出的(de)數據文件以及MATLAB 編程所計算(suàn)的(de)結果是可(kě)信的(de)。這(zhè)樣也(yě)可(kě)以很直觀的(de)看出在不同中心角的(de)情況下(xià), 流量計流道内部各個(gè)位置的(de)磁感應強度。圖3.. 磁感應強度分(fēn)布圖 4 .. 不同鐵芯結構情況下(xià)對(duì)磁場(chǎng)的(de)評價 爲了(le)判斷磁場(chǎng)的(de)質量, 定義了(le)四個(gè)磁場(chǎng)的(de)評價指标: 磁感應強度B 的(de)平均值; 磁感應強度B 的(de)标準差; 磁感應強度B 的(de)中心值; 磁場(chǎng)的(de)均勻區(qū)域面積。對(duì)于磁感應強度B 的(de)平均值和(hé)标準差, 分(fēn)别指整個(gè)敏感區(qū)( 流量計流道内) 各個(gè)節點的(de)算(suàn)術平均值和(hé)标準差, 把仿真得(de)到的(de)數據文本通(tōng)過MATLAB 可(kě)以容易的(de)得(de)到這(zhè)兩個(gè)指标。顯然, 平均值越大(dà)越好, 标準差越小越好; 對(duì)于磁感應強度B 的(de)中心值, 它的(de)計算(suàn)過程與前兩個(gè)指标類似, 需要強調的(de)是, 這(zhè)裏的(de)中心值指的(de)不一定是流道中心點的(de)磁感應強度B 的(de)值, 因爲, ANSYS 在建模和(hé)劃分(fēn)網格之後, 并不能保證在流道的(de)中心點, 即坐(zuò)标( 0, 0) 點一定有一個(gè)節點, 隻能利用(yòng)MATLAB 找到一個(gè)與流道中心點最近的(de)節點作爲它的(de)中心點, 所産生的(de)誤差是完全可(kě)以忽略不計的(de)。和(hé)平均值一樣, 中心值也(yě)是越大(dà)越好。平均值, 标準差和(hé)中心值三個(gè)磁場(chǎng)評價指标在不同中心角.. 的(de)情況下(xià)分(fēn)布如圖4( a) 、4( b) 所示。從這(zhè)兩個(gè)圖闆可(kě)以看出, 中心值與平均值随著(zhe)中心角的(de)增大(dà)而增大(dà), 而标準差大(dà)體随其增大(dà)而減小; 綜合考慮三個(gè)指标, 在中心角爲50..~ 60..時(shí)有相對(duì)較好的(de)取值。在50..附近( 45..~ 57..) 以1..爲步長(cháng)變化(huà)中心角.. , 圖4 .. 中心值、平均值和(hé)标準差分(fēn)布圖對(duì)45..~ 57..區(qū)間予以放大(dà), 得(de)到圖闆如圖4( c) 、4( d) 所示。可(kě)以看出, 在中心角爲55..~ 56..左右時(shí), 磁感應強度的(de)平均值, 标準差和(hé)中心值有較好的(de)取值。在測量區(qū)域中, 選定x 軸或y 軸方向上很窄的(de)區(qū)域, 中心點的(de)磁感應強度爲B ( 0, 0) , 其他(tā)點的(de)磁感應強度爲B ( x , y ) , 如果B ( 0, 0) , B ( x , y ) 滿足B ( x , y ) - B ( 0, 0) B ( 0, 0) .. 100% .. 5% ( 1) 就認爲該區(qū)域的(de)磁場(chǎng)是均勻的(de)[ 10] , 通(tōng)過編程, 在選定x 軸方向窄區(qū)域中可(kě)以找到這(zhè)樣兩個(gè)節點, 在這(zhè)兩個(gè)節點之間的(de)節點服從式( 1) , 在這(zhè)兩個(gè)節點之外的(de)下(xià)一個(gè)節點不服從式( 1) 。同理(lǐ), 在選定y 軸方向窄區(qū)域中也(yě)可(kě)以找到兩個(gè)點能夠符合上述條件。這(zhè)樣, 把這(zhè)四個(gè)點确定的(de)面的(de)面積定義爲均勻區(qū)域面積。由于對(duì)稱性, 在y 軸方向隻要确定一個(gè)點即可(kě), 這(zhè)裏選定x 軸上方( 縱坐(zuò)标大(dà)于零) 的(de)點, 縱坐(zuò)标爲Ymax ; 同樣對(duì)于x 軸方向可(kě)以選定y 軸右側( 橫坐(zuò)标大(dà)于零) 的(de)一個(gè)點, 橫坐(zuò)标爲X max。所以均勻區(qū)域面積爲S = 2 .. X max .. Ymax ( 2) 不同中心角.. 下(xià)均勻區(qū)域面積分(fēn)布如圖5( a) 。從該圖闆可(kě)以看出, 在中心角.. 爲50..的(de)時(shí)候, 均勻區(qū)域面積取值最大(dà)。在50..附近( 45..~ 57..) 以1..爲步長(cháng)變化(huà)中心角.. , 将該區(qū)間予以放大(dà), 得(de)到如圖5( b) 的(de)面積分(fēn)布圖。通(tōng)過對(duì)均勻區(qū)域面積分(fēn)布圖闆的(de)分(fēn)析可(kě)以看出, 在中心角爲46..~ 56..時(shí), 均勻區(qū)域面積取值相當, 尤其在55..~ 56..左右的(de)情況下(xià), 均勻區(qū)域面積取值最大(dà); 然而, 當中心角小于等于45..或者大(dà)于等于57.. 時(shí), 面積的(de)大(dà)小驟降。 5 .. 結.. 論 通(tōng)過利用(yòng)ANSYS 仿真軟件對(duì)集流式智能電磁流量計内部磁場(chǎng)進行仿真以及利用(yòng)MATLAB 數學計算(suàn)工具對(duì)仿真數據進行分(fēn)析處理(lǐ), 可(kě)以得(de)到如下(xià)的(de)結論: 圖5.. 均勻區(qū)域面積分(fēn)布 1) 磁感應強度B 的(de)中心值和(hé)平均值随鐵芯中心角的(de)增大(dà)而增大(dà), 而标準差與中心角的(de)關系不是單調的(de), 在55..~ 56..左右有個(gè)拐點, 此時(shí)取值最小, 所以當鐵芯中心角爲55..~ 56..左右時(shí), 三個(gè)評價指标取值理(lǐ)想。 2) 當鐵芯中心角在46..~ 56..之間變化(huà)時(shí), 均勻區(qū)域面積大(dà)小相當, 在55..~ 56..左右時(shí)取值最大(dà), 而當鐵芯中心角小于等于45..或者大(dà)于等于57..時(shí), 面積的(de)大(dà)小驟降。綜上所述, 綜合考慮磁場(chǎng)的(de)四個(gè)評價指标, 當鐵芯中心角爲55..~ 56..時(shí), 結構比較合理(lǐ)。