電磁流量計磁場仿真研究

近年來，電磁流量計的內(nèi)部的磁場分部情況備受研究人員的關(guān)注。本文運用ansys有限元軟件對這種電磁流量計內(nèi)部磁場敏感場進行建模仿真，并在這種模型下，研究了在電磁流量計中增加部分磁導(dǎo)率不同的顆粒狀物質(zhì)時，電磁流量計內(nèi)部磁場分布情況。

1 流量計結(jié)構(gòu)與磁場分布仿真

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

圖1 電磁流量計結(jié)構(gòu)示意圖

集流型電磁流量計ANSYS仿真模型如圖1中（b）所示。圖中，電磁流量計內(nèi)部水平方向有兩個磁極，垂直方向有兩個電極；磁極由磁芯和線圈兩部分組成，即在每個磁極磁芯的外側(cè)均包裹一層線圈，用來產(chǎn)生交變磁場。仿真時，傳感器磁極磁芯的長度為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命令對上述外流式電磁流量計磁場分布問題進行靜態(tài)求解，得到磁感應(yīng)強度B分布和2D磁通線分布，分別如圖2中的（a）和（b）所示。可以看出，在傳感器管道內(nèi)磁場分布較均勻，在靠近磁極表面區(qū)域磁力線密集，表示該部分測量靈敏度較高。為了更清晰的了解流量計內(nèi)部磁感應(yīng)場的分布情況，建立電磁流量計測量區(qū)域的磁感應(yīng)強度分布場，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)強度大小。

2 管道內(nèi)含磁性物質(zhì)時電磁流量計磁場分布仿真

為了考察流體中含有的磁性物質(zhì)時，對電磁流量計磁場分布的影響，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)定磁性球體的相對磁導(dǎo)率為：μ=10。

對線圈施加載激勵電流，并采用esize命令對ANSYS模型進行網(wǎng)格剖分，采用magsolv命令對該含磁性物質(zhì)時電磁流量計磁場分布問題進行靜態(tài)求解，得到了磁感應(yīng)強度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)傳感器管道測量區(qū)域時，磁性物質(zhì)附近的磁場發(fā)生了變化，進而影響測量磁場的整體分布特性。也就是說，流體中的磁性物質(zhì)同樣會對集流型電磁流量計的測量造成影響。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，這部分磁感應(yīng)強度是增大的，是影響整個空間的磁感應(yīng)強度分布的。

3 結(jié)束語

集流型電磁流量計以一種特殊結(jié)構(gòu)在油氣井測量方面有廣泛的應(yīng)用，本文對這種特殊結(jié)構(gòu)的流量測量計建立仿真模型，利用有限元的方法對集流式電磁流量計磁場的測定進行了計算機實驗仿真，為利用有限元方法在電磁流量計的仿真方法中磁場的仿真測量及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定一定基礎(chǔ)。