電磁流量計(jì)磁場(chǎng)仿真研究

近年來(lái)，電磁流量計(jì)的內(nèi)部的磁場(chǎng)分部情況備受研究人員的關(guān)注。本文運(yùn)用ansys有限元軟件對(duì)這種電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場(chǎng)敏感場(chǎng)進(jìn)行建模仿真，并在這種模型下，研究了在電磁流量計(jì)中增加部分磁導(dǎo)率不同的顆粒狀物質(zhì)時(shí)，電磁流量計(jì)內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況。

1 流量計(jì)結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)分布仿真

集流型電磁流量計(jì)是廣泛用于石油井下測(cè)量，其在流量計(jì)外殼內(nèi)鑲嵌有兩個(gè)發(fā)射磁極和兩個(gè)接收電極。由于在電磁傳感器底部安裝有傘式集流器，當(dāng)流量計(jì)位于測(cè)點(diǎn)后，使集流器張開(kāi)，以封堵套管和測(cè)井儀器之間流體的流動(dòng)通道，迫使流體全部或絕大部分流經(jīng)電磁傳感器的測(cè)量區(qū)域，并經(jīng)上出液口重新流回井筒，井下集流式流量計(jì)截面結(jié)構(gòu)如圖1中（a）所示。

圖1 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

集流型電磁流量計(jì)ANSYS仿真模型如圖1中（b）所示。圖中，電磁流量計(jì)內(nèi)部水平方向有兩個(gè)磁極，垂直方向有兩個(gè)電極；磁極由磁芯和線圈兩部分組成，即在每個(gè)磁極磁芯的外側(cè)均包裹一層線圈，用來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。仿真時(shí)，傳感器磁極磁芯的長(zhǎng)度為8mm、寬度為4mm，材料為導(dǎo)磁性鐵芯；磁芯外層包裹線圈的厚度為1mm，材料為銅絲；電極的長(zhǎng)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(cè)為S極，內(nèi)側(cè)為N極；右邊磁極外側(cè)為N極，內(nèi)側(cè)為S極。

采用magsolv命令對(duì)上述外流式電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布問(wèn)題進(jìn)行靜態(tài)求解，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布和2D磁通線分布，分別如圖2中的（a）和（b）所示?？梢钥闯?，在傳感器管道內(nèi)磁場(chǎng)分布較均勻，在靠近磁極表面區(qū)域磁力線密集，表示該部分測(cè)量靈敏度較高。為了更清晰的了解流量計(jì)內(nèi)部磁感應(yīng)場(chǎng)的分布情況，建立電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布場(chǎng)，如圖3所示，從仿真磁感應(yīng)分布圖中可以清楚的獲得各部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。

2 管道內(nèi)含磁性物質(zhì)時(shí)電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布仿真

為了考察流體中含有的磁性物質(zhì)時(shí)，對(duì)電磁流量計(jì)磁場(chǎng)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(cè)量區(qū)域內(nèi)設(shè)置直徑磁性球體，并設(shè)定磁性球體的相對(duì)磁導(dǎo)率為：μ=10。

對(duì)線圈施加載激勵(lì)電流，并采用esize命令對(duì)ANSYS模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用magsolv命令對(duì)該含磁性物質(zhì)時(shí)電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布問(wèn)題進(jìn)行靜態(tài)求解，得到了磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhì)流經(jīng)傳感器管道測(cè)量區(qū)域時(shí)，磁性物質(zhì)附近的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，進(jìn)而影響測(cè)量磁場(chǎng)的整體分布特性。也就是說(shuō)，流體中的磁性物質(zhì)同樣會(huì)對(duì)集流型電磁流量計(jì)的測(cè)量造成影響。將仿真結(jié)果數(shù)值化顯示其分布圖如圖6所示，從仿真結(jié)果可以看出，流體中含有磁物質(zhì)時(shí)，這部分磁感應(yīng)強(qiáng)度是增大的，是影響整個(gè)空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的。

3 結(jié)束語(yǔ)

集流型電磁流量計(jì)以一種特殊結(jié)構(gòu)在油氣井測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用，本文對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)的流量測(cè)量計(jì)建立仿真模型，利用有限元的方法對(duì)集流式電磁流量計(jì)磁場(chǎng)的測(cè)定進(jìn)行了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真，為利用有限元方法在電磁流量計(jì)的仿真方法中磁場(chǎng)的仿真測(cè)量及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定一定基礎(chǔ)。