1引言(yán)
　　近年(nián)來,電(diàn)磁流量計 的勵磁結構況備受研究人(rén)員的關(guān)注對外(wài)流(liú)式的(de)電磁流量計的(de)磁場分布情況(kuàng)進行(háng)了仿真研究"在些特殊的(de)工況領域下,如何設(shè)計電(diàn)磁流(liú)量計(jì)直(zhí)是工程(chéng)技術(shù)人員研究(jiū)的熱點(diǎn)問題”,生(shēng)産測井中特殊(shū)工況(kuàng)環(huán)境下如(rú)何設計電磁流量計(jì)傳感(gǎn)器結構一直(zhí)是石油(yóu)生産測井(jǐng)領域研究(jiū)的問題,電磁相關(guān)法(fǎ)流量(liàng)測量(liàng)傳感器解(jiě)決了生産(chǎn)測井(jǐng)中油(yóu)氣水三相(xiàng)流流量測量問題.另一方面生(shēng)産測(cè)井空間狹小，需要構(gòu)造特(tè)殊的(de)電磁流量(liàng)計傳(chuán)感(gǎn)器,本文(wén)提出了一(yī)種勵(lì)磁結(jié)構的磁芯(xīn)設計爲t型的電磁流(liú)量計,使得(dé)有限(xiàn)的空(kōng)間下(xià)電磁(cí)流(liú)量計的(de)勵磁(cí)線(xiàn)圈空間增大,進而(ér)增強(qiáng)測量管(guǎn)道中(測(cè)量區(qū)域)磁(cí)場強度，使兩端電極感應(yīng)信(xìn)号變大(dà),有助于信(xìn)号的(de)獲取,爲(wèi)有(yǒu)限空間下的井(jǐng)下 小(xiǎo)管徑(jìng)集電(diàn)磁流(liú)量計 實現(xiàn)提供(gòng)可能(néng).同時,對電(diàn)磁流量計勵(lì)磁結構中t型磁芯(xīn)參數進(jìn)行研究，獲得不同t型磁(cí)芯對測量管道(dào)中磁場(chǎng)産生的(de)影響.研究(jiū)結果(guǒ)可爲(wèi)應用在一(yī)些特殊(shū)場合中具有(yǒu)t型(xíng)磁芯的(de)電磁流量(liàng)計(jì)實現提(tí)供參考依(yī)據.
1t型磁芯結構
　　t型磁(cí)芯是爲較(jiào)小的空間下實(shí)現盡可能大的(de)勵磁線圈而提出的,如圖1所示(shì)爲較小空間結(jié)構下(xià),設計有t型(xíng)磁芯的電磁流(liú)量計(jì)傳感器截(jié)面圖.在圖(tú)中1表(biǎo)示線圈位置;2表示磁芯位(wèi)置;3表(biǎo)示電極及(jí)其固(gù)定器件位(wèi)置;4表示襯裏(lǐ)位置;5表(biǎo)示内(nèi)徑壁(bì)位置(zhì);6表示外徑壁;7表(biǎo)示測量管道(測(cè)量區域(yù)).如(rú)圖1所(suǒ)示電磁流(liú)量計(jì)勵磁(cí)結構(gòu)磁芯(xīn)造型近似爲t型(因稱爲t型磁芯(xīn)),磁芯(xīn)在靠(kào)近電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計内管(guǎn)道時爲(wèi)t型(xíng)磁芯的較長端.如圖(tú)中所示,t型磁芯較長端與(yǔ)x軸夾角爲a,t型磁芯較(jiào)短端與x軸夾角(jiǎo)爲b,t型(xíng)磁芯較長端寬度(dù)爲(wèi)k1,t型磁(cí)芯較短端寬度爲k2.
 
2磁場評(píng)價指(zhǐ)标
　　爲了詳(xiáng)細的獲得電(diàn)磁流量(liàng)計勵(lì)磁線(xiàn)圈及(jí)t型(xíng)磁芯變(biàn)化對(duì)流量(liàng)計測量區(qū)域内部磁場強(qiáng)度分布的影響(xiǎng)情況(kuàng)，引入(rù)樣本(běn)平均值樣本标(biāo)準差、變異系(xì)數磁場(chǎng)均勻(yún)度、感(gǎn)應電勢值等磁場評(píng)價指标分(fèn)析傳(chuán)感器(qì)勵磁(cí)線圈(quān)不同軸向(xiàng)長度時測(cè)量區(qū)域内(nèi)部磁場分(fèn)布情(qíng)況，如式(1)所(suǒ)示(shì).式(shì)中，bs爲樣本(běn)平均值(zhí);`b爲樣本(běn)标準差;bcv爲(wèi)樣本(běn)磁場均勻(yún)度;bc爲(wèi)樣本(běn)變異系數(shù).在這4個磁(cí)場評價指(zhǐ)标中,樣本(běn)平均(jun1)值越(yuè)大越好，樣(yàng)本标(biāo)準差(chà)越小越好,磁場(chǎng)均(jun1)勻度越(yuè)大越(yuè)好,變(biàn)異系數越小越好.
 
　　式(shì)中，s均(jun1)勻爲測量(liàng)區域任意一(yī)點磁感(gǎn)應強度與`b之比(bǐ)在均(jun1)勻95%至105%的面(miàn)積和(hé),s測(cè)量(liàng)區的總面(miàn)積。
　　由maxwell方程(chéng)及在(zài)一定的假(jiǎ)設條(tiáo)件下，可得(dé)i5]電磁流(liú)量(liàng)計的(de)感應電(diàn)勢(shì)的表達方程(chéng)"],如式(2)所(suǒ)示:
 
　　式中(zhōng)，u2-u1是兩電(diàn)極的(de)電勢差;a表(biǎo)示對(duì)所有空間(jiān)積分;l爲絕(jué)緣管(guǎn)道筒長一半;r爲(wèi)流量(liàng)計截(jié)面管半徑(jìng);矢量`b是導(dǎo)電流(liú)體的流速(sù);b是磁感應強度(dù);w爲矢量(liàng)權(quán)重函數,它(tā)是(shì)-一個隻(zhī)由電磁流(liú)量計本身結構決定(dìng)的量.由(yóu)(2)式(shì)可知(zhī)，隻要(yào)确定了流(liú)體的(de)流速v、磁感(gǎn)應強度b、以及權(quán)重函數w,以及流(liú)量計(jì)管徑(jìng)半徑,就可以(yǐ)求流量(liàng)計的(de)感應電勢(shì)差.
3仿真實驗
　　仿(páng)真實(shí)驗中，設定(dìng)a分别爲23°,30°,35°,40°，45°,50°,設(shè)定b小(xiǎo)于等(děng)于a,根據實(shí)際情(qíng)況設定角(jiǎo)度分别爲8°,16°,23°,30°,35°,40°,45°,50°.仿真(zhēn)實驗中設定(dìng)t型磁芯較長端寬(kuān)度爲(wèi)h1占(zhàn)t型(xíng)磁芯整個(gè)寬度的1/3,1/2以(yǐ)及2/3時(即h1/(h1+k2)爲1/3,1/2以及(jí)2/3時的情況(kuàng))分别考查不同參數情況(kuàng)下t型磁芯(xīn)構建的勵(lì)磁結(jié)構對(duì)電磁流量(liàng)計測(cè)量區域中産生(shēng)的磁(cí)場影(yǐng)響情況.
 
　　如(rú)圖2所示爲(wèi)不(bú)同(tóng)t型磁(cí)芯結構在(zài)電磁(cí)流量計測量區(qū)域産生(shēng)磁場強度分布(bù)仿真圖(tú).由于篇幅原因(yīn)，這裏(lǐ)隻(zhī)顯示了(le)k1/(k1+k2)爲1/2,b爲23°的仿真(zhēn)圖(tú).圖2(a),(b),(c),(d)分(fèn)别顯示的(de)是a爲23°,
4實(shí)驗數據分析(xī)
　　爲了考察不(bú)同t型磁(cí)芯結(jié)構對(duì)電磁流(liú)量(liàng)計測量區域磁場強度(dù)的分布(bù)情況影(yǐng)響(xiǎng),仿真實(shí)驗中獲得的(de)數據(jù)結果運用(yòng)公式(1)電磁流量計磁場強度分(fèn)布評價指标進(jìn)行分(fèn)析，以(yǐ)獲得電磁流量計不同t型磁(cí)芯(xīn)結構(gòu)參數(shù)對(duì)流量計(jì)測量區域(yù)的磁(cí)場強度(dù)分(fèn)布影(yǐng)響,從而爲(wèi)電磁(cí)流量計(jì)t型磁芯(xīn)結構設計(jì)給出(chū)指導(dǎo)性的意見(jiàn).
 
　　如(rú)圖3所(suǒ)示爲不同t型磁芯結構(gòu)下測量區(qū)域産(chǎn)生磁(cí)場感應強(qiáng)度平(píng)均值，圖中橫坐标(biāo)爲t型磁(cí)芯b的角度,縱(zòng)坐(zuò)标爲測(cè)量區域(yù)的平(píng)均磁(cí)場強度，圖(tú)标(biāo)表示的(de)是t型磁芯的不同α的(de)角度以及磁芯長端寬度所占(zhàn)的比例其(qí)中以“角度-比例”表示,例如(rú)30-1/2表示(shì)t型磁芯的較長(zhǎng)端角度α爲30°,k1/(k1+k2)爲1/2時(shí)的測量(liàng)區(qū)域中(zhōng)平均磁場強度(dù)測量結果圖标(biāo)other爲t型磁芯較長(zhǎng)端的角度(dù)α與較短端(duān)的(de)角度b相(xiàng)等(即(jí)爲(wèi)23,30,35,40,45,50)時(shí)的流量計測:量區域(yù)中的(de)平均磁(cí)場強度.從仿真結(jié)果可以(yǐ)看出:t型(xíng)磁芯(xīn)的較長端(duān)的角度α越(yuè)小，流(liú)量計測量區域(yù)中平均磁場強度越(yuè)大;在t型磁(cí)芯的較長(zhǎng)端的角(jiǎo)度(dù)α一(yī)定時,t型(xíng)磁芯的較(jiào)短(duǎn)端(duān)的角(jiǎo)度b越小，流(liú)量計測量區域(yù)中平(píng)均磁場強(qiáng)度越大(dà);在t型磁(cí)芯的較長端的(de)角度α與(yǔ)較(jiào)短端的角(jiǎo)度(dù)b一定時(shí),t型磁(cí)芯的(de)k1/(k1+k2)越小，在流量計測量(liàng)區域中平均磁(cí)場強度越(yuè)大.
 
　　如(rú)圖4所示爲不同(tóng)t型磁(cí)芯結構下(xià)測量(liàng)區域産生(shēng)磁場感(gǎn)應強度(dù)标準差，圖中橫坐标(biāo)爲t型磁芯(xīn)b的角(jiǎo)度,縱坐标爲(wèi)測量區域磁(cí)場強度(dù)的(de)标(biāo)準(zhǔn)差，圖标圖(tú)例與圖3中(zhōng)一(yī)緻(zhì)從仿(páng)真結(jié)果可以看(kàn)出:t型磁(cí)芯(xīn)的較(jiào)長端的角度α越(yuè)小，流量計測量(liàng)區域(yù)中磁場強(qiáng)度标準(zhǔn)差越大(dà);在t型磁芯的較(jiào)長端的角度(dù)α一(yī)定時,t型磁(cí)芯的(de)較短端(duān)的角度(dù)b越小(xiǎo)，流量(liàng)計測(cè)量區域(yù)中磁場(chǎng)強度标準差越(yuè)大;在t型磁(cí)芯的(de)較長端的(de)角度(dù)α與較短端(duān)的角(jiǎo)度(dù)b一(yī)定時(shí),t型磁(cí)芯的k1/(k1+k2)越小，在流量計測(cè)量(liàng)區域(yù)中磁(cí)場強度标(biāo)準差(chà)越大。
 
　　标準(zhǔn)差代表磁場測(cè)量區(qū)域的磁場(chǎng)分布波動性較大，因而(ér)需(xū)引入(rù)變異(yì)系數(shù)對測量區(qū)域(yù)中的磁(cí)場分(fèn)布情(qíng)況進(jìn)一步分(fèn)析.如圖(tú)5所示爲不同t型磁芯結構下測(cè)量區域磁場感(gǎn)應強度變異(yì)系(xì)數,圖中橫坐标(biāo)爲t型(xíng)磁芯b的角(jiǎo)度，縱(zòng)坐标(biāo)爲測(cè)量區域磁場強(qiáng)度分布的(de)變異系數(shù),圖标(biāo)圖例(lì)與圖3中一(yī)緻.從(cóng)仿真結果可以看(kàn)出:t型磁芯的(de)較長端的角度(dù)α越小(xiǎo)，流量(liàng)計測，量區域中磁場(chǎng)強度(dù)變(biàn)異系數越大(dà);在(zài)t型磁芯(xīn)的較長端(duān)的角(jiǎo)度α一(yī)定時,t型磁(cí)芯的(de)較短端的(de)角度b越小，流量計測(cè)量(liàng)區(qū)域中(zhōng)磁場(chǎng)強度變異(yì)系數越大(dà);在t型磁芯的較(jiào)長端(duān)的角(jiǎo)度α與較短(duǎn)端(duān)的角(jiǎo)度b一定(dìng)時，t型(xíng)磁芯的k1/(k1+k2)越小，在(zài)流量計測(cè)量區域中(zhōng)磁場(chǎng)強度(dù)變(biàn)異系數(shù)越大.異系數越(yuè)大說明磁(cí)場(chǎng)分(fèn)布越不均(jun1)勻，波(bō)動性(xìng)越(yuè)大;異系(xì)數越(yuè)小(xiǎo)說明磁(cí)場分布趨向均(jun1)勻.下(xià)面(miàn)通過計(jì)算測量區域中的磁(cí)場(chǎng)均勻區域來(lái)對這一結(jié)果進一(yī)步(bù)的分析.
 
　　如圖6所示爲不同t型磁芯結構下測(cè)量區域磁場感應強度(dù)均勻(yún)區域面積(jī)，圖中橫(héng)坐标爲t型磁芯b的角度(dù),縱坐(zuò)标爲測量(liàng)區域磁場強度(dù)分布的均勻區(qū)域面積,圖标圖(tú)例與圖3中一緻(zhì).從仿(páng)真(zhēn)結果可(kě)以看(kàn)出:t型磁芯(xīn)的(de)較(jiào)長端(duān)的角(jiǎo)度α爲越小,流量(liàng)計測(cè)量區域中(zhōng)磁場強(qiáng)度(dù)均勻(yún)區域(yù)面積越大;在(zài)t型磁芯(xīn)的較長端的角度α一(yī)定時,t型磁(cí)芯的(de)較短端的角度(dù)b越小(xiǎo)，流量(liàng)計測量(liàng)區域中磁場(chǎng)強度均勻區(qū)域面積越大;在t型(xíng)磁芯(xīn)的較長端(duān)的角度α與較短端的(de)角度b一定時,t型磁芯的(de)k1/(h1+k2)越(yuè)小，在流量(liàng)計測(cè)量區域中磁場強度(dù)均勻(yún)區域(yù)面積(jī)越大.
 
　　上面對不同t型磁(cí)芯結(jié)構對流量計測(cè)量區(qū)域内部(bù)磁(cí)場分(fèn)布影響進行了研究,下面(miàn)通過(guò)電極兩端感應(yīng)信号如公(gōng)式(2)對電磁流量(liàng)計t型(xíng)磁芯結構(gòu)對流量(liàng)計(jì)測量結果(guǒ)的影響進(jìn)行研究(jiū).如圖7所示爲(wèi)不同t型(xíng)磁(cí)芯結構下電磁流量計(jì)感(gǎn)應信(xìn)号.圖中橫坐标(biāo)爲t型磁芯b的角(jiǎo)度,縱(zòng)坐(zuò)标爲電(diàn)磁流量計獲取(qǔ)的感應信(xìn)号(電(diàn)勢差(chà)),圖标(biāo)表示的是t型(xíng)磁芯的(de)不同(tóng)α的角(jiǎo)度,仿(páng)真中k1/(k1+k2)爲1/2.仿真實(shí)驗中虛線爲仿(páng)真流體爲(wèi)湍流(liú)情況下獲取的(de)感應電勢差(chà),實線爲流體爲層流情(qíng)況下獲取的感應電勢差(chà).
　　從仿真結果可(kě)以看出:t型磁芯(xīn)的較長(zhǎng)端的角(jiǎo)度α越小,流量計電極兩端獲得的感(gǎn)應信号越(yuè)大;在t型磁芯的(de)較長端的(de)角度(dù)α一定時,t型磁芯的較(jiào)短(duǎn)端(duān)的角(jiǎo)度(dù)b越小，流量計(jì)電極(jí)兩端獲得(dé)的感應信号越(yuè)大.這主(zhǔ)要是因(yīn)爲電磁流量計(jì)勵磁線(xiàn)圈的增(zēng)加,使(shǐ)得流(liú)量計測量區域(yù)的磁(cí)場強度增加,同樣分(fèn)布的流速(sù)下使得流(liú)量計(jì)電極兩(liǎng)端的感應信号增加
　　仿(páng)真實(shí)驗(yàn)證明在(zài)有限的空間下(xià)，修改t磁(cí)芯的不(bú)同參數,可(kě)以增(zēng)加流(liú)量計測量(liàng)區域内部(bù)的磁場分(fèn)布情況，也(yě)可(kě)以适當(dāng)的調(diào)整流量計測量(liàng)區域中的磁場強度與均勻度,根據生産測井(jǐng)中的實際工況(kuàng)，改變(biàn)電磁流量計的t磁芯參數(shù)獲得設計參數.
5結論(lùn)
　　井(jǐng)下集流(liú)型電磁流量計(jì)在油氣井測量(liàng)方面(miàn)有廣泛的(de)應用(yòng)前(qián)景,針對(duì)生産(chǎn)測(cè)井(jǐng)特殊(shū)工況下提出具(jù)有t型(xíng)磁芯的(de)勵磁結構的集流(liú)式電(diàn)磁流量計,利用(yòng)有限元軟(ruǎn)件ansys建立了該種(zhǒng)t型磁芯(xīn)結構電(diàn)磁流量(liàng)計的磁場分(fèn)布計算機(jī)仿真模型(xíng),并通過(guò)各(gè)種性能指(zhǐ)标的分析,獲得(dé)該t型磁(cí)芯結構(gòu)參數設計(jì)指标(biāo)與流量計測量(liàng)區域中磁場分(fèn)布關(guān)系,爲(wèi)擁有(yǒu)t型磁(cí)芯結構的(de)勵磁結構的實(shí)現提供參考依(yī)據(jù).

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