电磁流量计磁场仿真研究

近年来，电磁流量计的内部的磁场分部情况备受研究人员的关注。金宁德[1-2]等人对外流式的电磁流量计的磁场分布情况进行仿真研究，赵琛、李斌等人对电磁流量传感器鞍状励磁线圈磁场分布的计算方法[3]，王经卓对电磁流量计权函数的数值进行仿真与验证[4]，邬惠峰等人运用ANSYS对电磁流量计进行建模研究[5]。一种集流型电磁流量计由于其构造的特殊性，被广泛用于石油井下测量以及其它特殊场合。由于集流型电磁流量计构造的特殊性，其内部磁场分部情况比普通结构的电磁流量计的更为复杂，对其内部磁场的分布情况的研究对流量计的设计具有重要的意义。本文运用ansys有限元软件对这种电磁流量计内部磁场敏感场进行建模仿真，并在这种模型下，研究了在电磁流量计中增加部分磁导率不同的颗粒状物质时，电磁流量计内部磁场分布情况。

1 流量计结构与磁场分布仿真

集流型电磁流量计是广泛用于石油井下测量，其在流量计外壳内镶嵌有两个发射磁极和两个接收电极。由于在电磁传感器底部安装有伞式集流器，当流量计位于指定测点后，使集流器张开，以封堵套管和测井仪器之间流体的流动通道，迫使流体全部或绝大部分流经电磁传感器的测量区域，并经上出液口重新流回井筒，井下集流式流量计截面结构如图1中（a）所示。

图1 电磁流量计结构示意图

集流型电磁流量计ANSYS仿真模型如图1中（b）所示。图中，电磁流量计内部水平方向有两个磁极，垂直方向有两个电极；磁极由磁芯和线圈两部分组成，即在每个磁极磁芯的外侧均包裹一层线圈，用来产生交变磁场。仿真时，传感器磁极磁芯的长度为8mm、宽度为4mm，材料为导磁性铁芯；磁芯外层包裹线圈的厚度为1mm，材料为铜丝；电极的长度和宽度均为4mm，材料为不锈钢。螺线管线圈电流加载后，左边磁极外侧为S极，内侧为N极；右边磁极外侧为N极，内侧为S极。

采用magsolv命令对上述外流式电磁流量计磁场分布问题进行静态求解，得到磁感应强度B分布和2D磁通线分布，分别如图2中的（a）和（b）所示。可以看出，在传感器管道内磁场分布较均匀，在靠近磁极表面区域磁力线密集，表示该部分测量灵敏度较高。为了更清晰的了解流量计内部磁感应场的分布情况，建立电磁流量计测量区域的磁感应强度分布场，如图3所示，从仿真磁感应分布图中可以清楚的获得各部分的磁感应强度大小。

2 管道内含磁性物质时电磁流量计磁场分布仿真

为了考察流体中含有的磁性物质时，对电磁流量计磁场分布的影响，ANSYS仿真模型如图4所示的模型。图中，在传感器管道测量区域内设置直径磁性球体，并设定磁性球体的相对磁导率为：μ=10。

对线圈施加载激励电流，并采用esize命令对ANSYS模型进行网格剖分，采用magsolv命令对该含磁性物质时电磁流量计磁场分布问题进行静态求解，得到了磁感应强度B分布和2D磁通线分布，如图5中（a）和（b）所示。

从图5可以看出，磁性物质流经传感器管道测量区域时，磁性物质附近的磁场发生了变化，进而影响测量磁场的整体分布特性。也就是说，流体中的磁性物质同样会对集流型电磁流量计的测量造成影响。将仿真结果数值化显示其分布图如图6所示，从仿真结果可以看出，流体中含有磁物质时，这部分磁感应强度是增大的，是影响整个空间的磁感应强度分布的。

3 结束语

集流型电磁流量计以一种特殊结构在油气井测量方面有广泛的应用，本文对这种特殊结构的流量测量计建立仿真模型，利用有限元的方法对集流式电磁流量计磁场的测定进行了计算机实验仿真，为利用有限元方法在电磁流量计的仿真方法中磁场的仿真测量及其结构优化奠定一定基础。

参考文献：
[1]金宁德，宗艳波，张玉辉，等.四电极电磁流量计磁场分布特性数值模拟[J].工业计量，2009，19（2）：2-6.
[2]金宁德，宗艳波，郑桂波，等.注聚井中电磁流量计测量特性分析[J].石油学报，2009，30（2）：308-311.
[3]赵琛，李斌，陈文建.电磁流量传感器鞍状励磁线圈磁场分布的计算方法[J].上海大学学报自然科学版，2008，14（1）：31-35.
[4]王经卓.电磁流量计权函数的数值仿真与验证[J].仪器仪表学报，2009，30（1）：132-137.
[5]邬惠峰，严义，吴红娉.基于ANSYS的电磁流量计建模研究[J].仪器仪表学报，2008，29（2）：372-376.(end)