基于ANSYS磁場仿真的清管器發射機研制

楊喜良，陳英杰，譚 哲，曾昭雄，張成芝，熊 敏，余東亮

（1.中油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中國石油工程建設公司，北京 100120；3.北京石油機械廠，北京 100083；4.中國石油管道公司，河北廊坊 065000；5.中國石油管道鄭州輸油氣分公司，河南鄭州 450000）

基于ANSYS磁場仿真的清管器發射機研制

楊喜良1，陳英杰2，譚 哲3，曾昭雄4，張成芝5，熊 敏1，余東亮1

（1.中油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中國石油工程建設公司，北京 100120；3.北京石油機械廠，北京 100083；4.中國石油管道公司，河北廊坊 065000；5.中國石油管道鄭州輸油氣分公司，河南鄭州 450000）

文章針對現有電子清管器廠家研制發射機—接收機方法的缺點，通過電磁發射理論計算和利用ANSYS軟件仿真清管器發射機，得出清管器發射機發射頻率和電壓等工作參數以及它們之間的關系，從而指導清管器發射機的研制，以節省時間和降低研發成本。經過實際試驗測試，驗證了分析和仿真的結論。

管道；電子清管器；發射機；電磁仿真；ANSYS軟件

0 引言

清管器是清理管道的有效工具之一。清管器作業時一旦發生卡堵事故，如果不能及時發現并快速、準確定位卡堵位置，就會延長排障時間，將影響油氣的正常輸送，嚴重時甚至會危及整條管道的安全。目前，國內外的清管器跟蹤定位產品主要是基于聲學、機械、放射性、電磁和永磁等原理制成的。調查研究發現：由于放射性對人體有危害，相關設備已限制使用；機械式跟蹤設備需要直接與清管器接觸，通常作為通過指示器，不適合用于跟蹤定位；聲學設備具有有效距離遠的優點，但定位精度較差；電子清管器具有定位精度高的優點，是應用的主流。

目前，國內外電子清管器廠家一般通過試驗方法確定清管器收發機的頻率和強度，從而研制出發射機。這種方法的缺點是成本高、試驗時間長等。因此針對這些缺點，本文通過理論計算和利用ANSYS軟件仿真管內發射機產生的磁場并結合實際測試，指導清管器發射機研制，降低研發成本。

1 發射機功率分析

由于加載在發射機線圈兩端的是周期變化的信號，根據傅里葉級數原理，任何周期函數都可以由正弦函數和余弦函數構成的無窮級數來表示。另外，對于螺旋管加載電壓時，正弦和余弦電壓只相差90°，所以完全可以選擇加載余弦電壓分析發射機特性。

1.1 線圈輻射功率的計算

由于發射機天線的磁芯導磁率相當高，可達104H/m以上，因此，可以把磁芯中的磁壓降忽略，把發射線圈視為一個在軸向無長度的線圈即磁偶極子。對于一個有磁芯的螺線管線圈，當它簡化成一個磁偶極子時，其磁矩可以推算為：

式中N——螺線管線圈匝數；

I0——線圈電流；

R——線圈計算磁矩的等效半徑。

將其代入輻射功率計算式得：

式中λ——電磁波波長；

f——頻率；

c——電磁波傳播速度。

當f為超低頻時，W近似為零，發射線圈不對外輻射能量。由于發射機頻率特別低，可以近似認為發射機不對外輻射能量。

1.2 線圈消耗功率的計算

因為線圈不對外輻射能量，則可將線圈等效為電感元件來計算其功率。

當線圈的電感L=3.15 H、電阻R=5.145 Ω、加載在線圈兩端的電壓降u=12 cos ωt V時，加載在線圈上電流：

式中I——電流/A；

u——電壓/V；

z——線圈阻抗/Ω。

由于線圈消耗的能量都在線圈電阻上，所以線圈電阻平均功率表達式為：

式中P——功率/W；

R——線圈電阻/Ω。

可見加載的電壓越高，消耗的功率越大；頻率越高，電能消耗越少。如發射機發射頻率為22 Hz時，消耗功率為1.96 mW。因此選擇適當頻率可使研究超長工作時間的發射機成為可能。

清管器跟蹤器的超低頻發射機—接收機收發系統，不能等同于一般無線電的發射、接收機。清管器的接收機依靠發射機產生的空間磁場來感知清管器通過，猶如變壓器原理。因此，發射機研制需將管道外產生的磁場強度作為清管器跟蹤系統主要參數。下面通過ANSYS軟件對管內發射機進行仿真，研究其在地面上產生的磁場強度。

2 管內發射機仿真

2.1 模型建立

在秦京線上，原油管道規格大部分為D 529 mm×7 mm，埋深一般為1.5~2 m，且這部分土壤對磁場的影響不大，因此仿真時用空氣代替處理。

發射機線圈長度為250 mm，內徑為30 mm，外徑為40 mm，內部為導磁材料，產生的磁場在任一軸向截面都是對稱式結構，因此采用2維模型，且取計算截面的1/4區域即可，使用如下單元模型：

（1）PLANE53， 模擬空氣。

（2）帶有 CURR和 AZ自由度的 PLANE53，模擬載壓線圈。

（3）INFIN10，模擬遠場單元。

根據管道及發射線圈物理模型的尺寸，通過命令流或GUI方法對模型進行從左到右的建模，如圖1所示。

2.2 定義材料屬性及線圈實常數

根據管道及發射機物理模型的已知參數，在ANSYS中對具體實物模型進行屬性設置，物理模型參數有材料屬性和線圈實常數 （見表1）。

表1 材料屬性

2.3 網格劃分

網格劃分使用GUI方法或命令流，在劃分中可以利用智能網格劃分功能，網格的形狀可取三角形或四邊形。線圈、導磁材料和管道區域采用四邊形劃分，這樣更精確。其他區域采用智能劃分，見圖2。

2.4 加載和求解

給線圈施加的余弦交流電壓降為12 V，頻率為1~100 Hz。

CurrentLS求解運算之后，在TimeHistPosrpro中查看A（2，0，0）點處的磁場強度值圖形 （見圖3）。

很多電子清管器廠家都認為23~27Hz段為最佳發射頻率，但是從圖3可以看出，發射機頻率越低，管道外磁場強度越強，因此沒有所謂的最佳發射頻率，由于脈沖中低頻分量幅值大，所以在研制發射機時設計為加載脈沖，以便在管道外獲得最大磁場。

3 試驗驗證

3.1 脈沖加載驗證

對線圈加載不同寬度的脈沖，電壓統一為12 V。其試驗與仿真的對比見表2。

表2 脈沖寬度和A處磁場峰值關系

由于儀器測量有誤差，環境本身有干擾，而且仿真時做了一定的等效處理，所以測量值與仿真值存在一定差異，但可以得出大體變化關系。加載脈沖的寬度越寬，所含的低頻信號分量比例越大，因而管道外部磁場幅值越強。可以根據表2選擇脈沖寬度。

3.2 頻率加載驗證

對線圈加載不同頻率的12 V余弦電壓，試驗對比如表3所示。

表3 加載頻率與A點磁場強度關系

由于儀器測量有誤差，環境本身也有干擾，所以測量值與仿真值存在一定差異，但實測與仿真結果的變化趨勢一致。

3.3 電壓加載分析及試驗驗證

理論上，線圈加載的電壓越高，管道外產生的磁場越強。因此以22 Hz發射頻率為例，計算其在A點產生的最大磁場，如表4所示。

表4 加載電壓幅值與A點磁場強度關系

由于現場干擾等因素，兩組實測的結果比仿真結果偏大，但大致反映出頻率與磁場強度關系變化趨勢以及加載電壓幅值與A點磁場強度成一定程度的線性關系。由此可知，距離管道2 m處地面的磁場強度隨發射機頻率增大而降低，隨加載電壓幅值增大而增強。

4 結論

（1）按無線電輻射功率計算，超低頻發射機的輻射功率近似為零。這說明，超低頻發射機基本不對外輻射能量。按電路理論計算，發射機的功率為毫瓦級，為電池供電提供可能。因此，研制發射機主要目標在于研究其管道外產生的磁場強度，并將其作為清管器跟蹤系統的主要參數。

（2）由仿真及試驗驗證結果可以看出：地面的磁場強度隨發射機頻率增大而降低，隨加載電壓幅值增大而增強，因此對線圈加載脈沖更為合適。

（3）所加載的脈沖越寬，管道外部磁場越強，但是最寬的脈沖寬度不能超過其充磁時間。

在設計中，選擇12 V加載電壓、0.04 s的脈沖寬度。實際裝置已運用于中石油秦京線管道，用6節普通干電池持續工作時間可達110 h以上，地面最大磁場強度值為3.5×10-7A/m，易于被跟蹤器識別，取得了良好的應用效果。

[1]朱喜平.天然氣長輸管道清管技術[J].石油工程建設，2005，（3）：1-2.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.50-70.

[3]P勞蘭，D R考森.電磁場與電磁波[M].陳成鈞，譯.北京：人民教育出版社，1980.21-30.

Development of Pig Transmitter Based on Magnetic Field Simulation by ANSYS

YANG Xi-liang（PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang 065000,China）,CHEN Ying-jie,TANG Zhe,et al.

Aimed at the defects of the electronic pig transmitter-receivers developed by existing manufacturers and with the help of theoretical calculation of electromagnetic emission and pig transmitter simulation by software ANSYS,the working parameters such as frequency and voltage and their relationship of the pig transmitter are obtained to guide the development of the pig transmitter for saving time and reducing development costs.Finally,after the actual experimental tests,the conclusions from the analysis and simulation are verified.

pipeline;electric pig;transmitter;electromagnetic simulation;software ANSYS

TE973 U178

B

1001－2206（2011）04－0010－03

楊喜良 （1982-），男，江西臨川人，助理工程師，2009年畢業于北京理工大學自動化專業，碩士，主要從事油氣管道安全檢測研究工作。

2011-04-21；

2011-05-16