關(guān)于DT-LDE系列智能電磁流量計(jì)閥體內(nèi)線圈的參數(shù)研發(fā)

   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。 金寧德等人對(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，趙琛、李斌等人對(duì)流量計(jì)鞍狀勵(lì)磁線圈磁場(chǎng)分布的計(jì)算方法進(jìn)行研究，鄔惠峰等人運(yùn)用 ANSYS 對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行建模研究。 王月明對(duì)電磁測(cè)量計(jì)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并開(kāi)展研究 ，杜勝雪、孔令富等人對(duì)電磁流量計(jì)矩形與鞍狀線圈磁場(chǎng)的數(shù)值仿真以期獲得較好的勵(lì)磁方法，張昊等人對(duì)電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行了優(yōu)化，徐立軍等人對(duì)多電*電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈的進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計(jì)，張小章對(duì)電磁流量計(jì)磁場(chǎng)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。 在一些特殊的工況領(lǐng)域下，如何設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)一直是工程技術(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，王月明等人提出了電磁相關(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 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*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流式電磁流量計(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)。

電磁流量計(jì)

1、T 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 表示線圈位置;2 表示磁芯位置;3 表示電*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 型(因稱為 T 型磁芯)，磁芯在靠近電磁流量計(jì)內(nèi)管道時(shí)為 T 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， 珔 B 為樣本平均值; B s 為樣本標(biāo)準(zhǔn)差; B cv 為樣本磁場(chǎng)均勻度; B c 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 為測(cè)量區(qū)域任意一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與 珔B之比在95%至105%的面積和，S 測(cè)量區(qū)域 為測(cè)量區(qū)域的總面積。由 Maxwell 方程及在一定的假設(shè)條件下，可得西源電磁流量計(jì)的感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)方程 ，

    式中，U 2 － U 1 是兩電*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 珗 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， 仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)定T型磁芯較長(zhǎng)端寬度為k1 占T型磁芯整個(gè)寬度的1/3，1/2以及2/3時(shí)(即k1/(k1 + 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。

   電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域截面磁場(chǎng)仿真圖，從仿真圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁芯所占空間減小，勵(lì)磁線圈空間增大時(shí)，流量計(jì)內(nèi)部測(cè)量區(qū)域中的磁場(chǎng)強(qiáng)度總體上有所增加。 在仿真實(shí)驗(yàn)中，將所得的仿真數(shù)據(jù)保存，對(duì)其運(yùn)用磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)分析。

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SC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 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 a 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 a 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 型磁芯較長(zhǎng)端的角度 a 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a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 a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 a 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 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 a 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a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a 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 a 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 a 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a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 a 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 a 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 a 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*兩端感應(yīng)信號(hào)如公式(2) 對(duì)SC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 a 的角度，仿真中 k1/(k1 + k2) 為 1/2。 仿真實(shí)驗(yàn)中虛線為仿真流體為湍流情況下獲取的感應(yīng)電勢(shì)差，實(shí)線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 a 越小，流量計(jì)電*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 a 一定時(shí)，T 型磁芯的較短端的角度 b 越小，流量計(jì)電*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*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**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)。