摘要:爲解(jie)決當前疏浚船上(shàng)電磁流量計
測速(sù)過程中假設磁場(chang)均勻及無法實時(shi)标定的問題,本文(wen)提出㊙️-種新的磁場(chang)強度計算方法以(yi)克服應用過程中(zhong)由上述假定所帶(dài)來的局限性。該方(fang)法使用船上射線(xian)源密度計測得的(de)⭕含率及其變化率(lü),分别作爲計算電(dian)磁流量計磁場變(bian)化的輸🆚人變量，從(cóng)而得到計算時變(bian)電磁場🌈的磁場強(qiáng)度的兩部分，據此(cǐ)對電磁流量♋計的(de)測量流速進行修(xiū)正。通過疏浚工程(cheng)中實際測試,流速(sù)的平均計算誤差(chà)能夠降低爲5.51%。爲提(tí)高電磁流量計測(ce)量的正确率和可(ke)應用範🌐圍提供了(le)實踐基礎。
電磁流(liú)量計是一種普遍(biàn)使用的管道測量(liàng)儀表，不僅能✌️提㊙️供(gong)🔞流速測量參數而(er)且能夠提供産量(liàng)的輸出結🌍果。目🌈前(qian),電磁流量計💜在我(wo)國疏浚行業的流(liu)速測量中已經廣(guǎng)泛應用叫。電磁流(liu)量計與其他流量(liang)計相比，具有結構(gou)簡單無侵人性、量(liang)程大和測量對象(xiang)的範圍廣等特點(diǎn)，特别🤞是與基于渦(wō)街、光學、超聲等測(cè)量儀器相比具有(yǒu)以下優⛷️勢。
(1) 壓力損(sǔn)失小。傳感器構造(zào)簡單可靠,不會破(pò)壞流場從而不🥵會(hui)改🙇♀️變被測流體流(liú)動狀态,而且傳感(gǎn)器截面與管徑同(tóng)口徑并使用光滑(hua)耐磨的材料作爲(wei)襯裏，避免了磨損(sǔn)、阻塞等情況的發(fā)生,極☁️大減少運行(hang)功耗。
(2) 耐腐蝕性。由(you)于測量管内壁的(de)襯裏使用絕緣材(cái)料并♉且測量電極(jí)表面經過了化學(xué)鈍化，因此隻要襯(chèn)裏材料選擇合适(shi)就能夠測量--般的(de)腐蝕性流體。
(3)不受(shòu)流體物理參數影(ying)響。管道内流體的(de)流體參數多達幾(jǐ)十個,對應不同的(de)流形分布和流動(dong)狀态。電磁流量計(jì)在測量過程中受(shòu)這些流動狀态和(hé)測量條件影⚽響很(hěn)小，能穩定地對流(liú)體的體積濃度和(he)流速進行測量,而(ér)且其标定也很簡(jian)單,隻需在測量管(guǎn)♉道中注人固相對(duì)應的液相物質即(jí)可進行标定。
(4)量程(chéng)範圍大。流速測量(liang)範圍可達100:1至1000:1。同-類(lei)型的電磁流量計(ji)傳感器在進行滿(mǎn)量程流速測量時(shí)，使用的☂️管徑最大(da)達到㊙️3m,而最小可到(dào)分米量級,極大地(di)拓寬了電磁💘流量(liàng)計的可應用範圍(wéi)。
(5)測量原理是線性(xìng)的。電磁流量計所(suo)測量參數與法拉(lā)第電磁感應定律(lǜ)所表述的感應電(dian)動勢之間滿足确(que)定的線性📱關系。若(ruò)流體的流型穩定(dìng)且被測多相流在(zai)管道内基本均勻(yún)，則測💃量相對誤差(chà)可達到百分位,可(ke)🛀🏻測量正反兩個方(fang)向的流量。
(6)适應性(xing)強。電場流量計的(de)測量輸出實際上(shàng)是流體截面的🏒平(píng)均流速,标定過程(cheng)對測量的流體物(wu)質類型沒有太高(gao)要求,并且電場流(liú)量計滿足綠色環(huan)保☔要求,便🔴于安裝(zhuang)和維護⛹🏻♀️。使用測量(liang)值的輸出不涉及(jí)流體的動力慣性(xing),響應靈敏可測瞬(shùn)時流量。
然而，當前(qián)基于法拉第電磁(cí)感應定律的電磁(cí)流量計測量隻依(yi)賴一對測量電極(jí)時，這對于傳感器(qi)測量和🎯轉換器的(de)要求高,至少需要(yao)滿足以下測量條(tiáo)件”。
(1)磁感應強度沿(yán)着管道的軸線方(fāng)向必須是均勻的(de),而🚶且被測🥵流體在(zài)傳感器對應的每(měi)個橫截面上電荷(he)量也基本相⚽等，從(cóng)而保證流速爲随(sui)着感應電動㊙️勢變(bian)化的唯一變量,可(kě)🔞通過基本關系方(fang)程求解得到.
(2)被測(ce)流體的流型和流(liú)速是相對穩定的(de),這就要求在很長(zhǎng)的管道量測範圍(wei)内流場是相對穩(wen)定和近似不變的(de)，所以測量傳感☂️器(qì)的前端須有一-定(ding)長度的直管⛷️道;反(fǎn)之,若是前端存在(zài)着彎管或者管道(dào)縮進,則必然導緻(zhi)測量結果産生不(bú)同程度🙇♀️偏差。
(3)由于(yu)僅僅依靠-對電極(ji)作爲傳感器進行(hang)測量,從而截☀️面上(shàng)的不同點對于測(cè)量值的影響和貢(gong)獻難以正确估計(jì)💃,當截面分🔅布嚴重(zhòng)不均勻時,這種影(ying)響無法忽略⚽不計(ji)。
因此,實際應用中(zhōng)上述測量條件很(hěn)難滿足。多年來，很(hen)多研究針🎯對上述(shù)問題提出解決方(fāng)案。實驗證明在電(diàn)磁流量計♋工作過(guo)程🌐中，磁感應強度(du)與電磁流㊙️量計的(de)精度密切相關,因(yin)此要提高流測量(liàng)速精度必須正确(què)地計算磁場強度(dù),同時還必須考慮(lü)其他場域外不确(què)定因素的影響。進(jin)一步研究了電磁(ci)流量計的磁場測(cè)量精度與提高電(diàn)磁流量計測量正(zhèng)确率的關系,爲更(gèng)深人地研究電磁(cí)流量計的工作原(yuán)理提供了實踐基(jī)礎。通過一系列典(dian)型流動狀态下的(de)實驗🔞證明,可以從(cóng)數據層面驗證原(yuan)先磁場設計的各(ge)個參數是否合理(li),包括磁轭和極靴(xue)的大小和現狀等(děng),分析了各部分對(dui)磁場的影響及新(xīn)的設🐕計思🏃♂️路,爲研(yán)究穩定的電磁流(liu)量計提供了經驗(yan)。介紹了一種能夠(gòu)檢測電導率更低(di)流體🐅介質的電磁(cí)流量計,其設計原(yuan)理💃🏻是利用不同頻(pin)率下的交流勵磁(ci)線圈提高濾波去(qu)噪過程中正确率(lü)和效率,利用⛱️不同(tong)頻率下信息之間(jiān)的互補性實現對(duì)，應随機噪聲的有(you)效抑制,從而能夠(gòu)對管道内電導率(lǜ)更低的流動對象(xiang)進行檢測和識别(bie)。進一步研究了低(dī)電導✏️率流體的測(ce)量和穩定性問題(tí),提出了改變電磁(cí)流量計轉換電路(lù)的新設計方案。從(cóng)電⁉️路的選通🈚、濾波(bo)、模數轉換和🔞控制(zhi)方面進行了❤️一系(xi)列測試和一般性(xìng)比較分析。
然而，疏(shu)浚作業工程中電(diàn)場流量計測量條(tiao)件更加複👉雜,由于(yu)管道内固相含率(lǜ)是變化的，因此管(guǎn)道内每個截面含(han)有的流體的電導(dǎo)率也是快變的，這(zhè)種變化必🎯然産生(shēng)附加磁場,導緻實(shi)際磁場是變化的(de)。這樣将無法滿足(zu)電🌈場流量計測量(liang)的基💜本要求,如果(guǒ)使用法拉第電磁(ci)感應定律進行計(ji)⛹🏻♀️算必然産生誤差(chà)。
本文面向疏浚工(gōng)程的具體應用條(tiáo)件,使用電磁流量(liang)計和船上射線源(yuan)密度計進行組合(he)測量,從而得出更(gèng)加正确的磁場強(qiáng)度⭐,以解決已有流(liu)速方法無法正确(que)計算磁電轉換效(xiào)應導緻流速計算(suan)不正确的問題。
1電(dian)磁流量計測量原(yuán)理
電磁流量計的(de)測量服從法拉第(dì)電磁感應定律吧(ba)，其中切💯割磁力線(xian)的流體爲具有一(yī)定導電性或弱導(dao)電🐇性流體，如圖1所(suo)示。
使用一對(dui)上下對稱的勵磁(ci)線圈在測量管道(dao)内産🏃🏻♂️生基本均勻(yun)的磁場,帶有一定(dìng)導電性流體的流(liú)動方向垂直于磁(ci)場方🔞向,從😍而在管(guǎn)内做切割磁力線(xian)運動并産生感應(yīng)電動勢。在管道兩(liǎng)端測量的電極🐅連(lián)接閉合回路,對應(ying)測量感應⛷️電動勢(shì)可以測得。當磁.感(gan)應強度大小一定(ding)時㊙️,感應電動勢與(yu)流量成正🔞比，電動(dong)勢方向可按判斷(duàn)磁場方向的右手(shou)規則進行判斷,其(qi)計算表達式爲
式(shì)中:E爲感應電動勢(shi);k爲标定參數;B0爲勵(lì)磁線圈産生的磁(ci)感應❄️強度;D爲測量(liang)管内徑;`v爲平均流(liú)速;Q爲流量,大小由(you)流體平均流速決(jue)定。對于圓形測量(liang)管道，單位時間穿(chuān)過測💛量管道流體(ti)的體積流♈量Q與E之(zhi)間滿足
式(2)表明，在(zài)管道内徑D和磁感(gan)應強度B0爲定值時(shí)，感應電⛱️動勢E與流(liu)🛀體瞬時體積流量(liang)Q成正比。然而，這種(zhǒng)正比關系的成立(li)依賴💞于下列前提(tí)條件。
(1)不僅由勵磁(cí)線圈産生的磁感(gan)應強度B0必須基本(běn)保持🚶不變,而且傳(chuán)感器對應每個橫(heng)截面上流體包含(hán)的電荷量基本不(bú)變以保持磁場穩(wen)定;否則，變化的電(diàn)荷量就會産生變(bian)化的電場✏️從而産(chan)生附加磁場，使計(ji)算得🐆到的流體👈流(liu)速産生🏃🏻♂️不可預期(qi)的偏差。
(2)被測流體(tǐ)基本是沿着軸向(xiàng)流動與磁力線做(zuò)切割🧑🏽🤝🧑🏻垂直🐅運動♻️，反(fǎn)之,不穩定的紊流(liú)或渦流使得切割(ge)方向不🌈垂直甚至(zhi)反向，必然導緻計(jì)算誤差。
(3)溫度、熱電(dian)效應等影響可忽(hū)略不計，流體磁導(dao)率與⭕真空☔相同，這(zhe)樣就可忽略流體(tǐ)磁性與工作磁場(chang)之🥵間相互作用産(chan)生的影響。在疏浚(xùn)工程中流體是由(you)基本不包含電🎯荷(he)的固相物質(沙土(tu)、碎礫石等)和包含(han)電荷的液相物質(zhì)(海水等)構成，除了(le)溫度和熱電效應(ying)影響很小外，其他(tā)假設是很難成立(lì)的。事實上👈，與磁場(chǎng)耦合的💋流場是受(shou)工況💰限制而非上(shang)述理想狀況，具體(ti)限制如下。
(1)在疏浚(xun)管道作業過程中(zhong)，固液流的流速變(bian)化範圍通♉常在♋3~6m/s内(nèi)變化[13],而每個截面(mian)上含率不同，這意(yì)味着任何一個截(jié)面的電場是快速(su)變化的。根據Maxwell方程(chéng)，變化的磁場必然(rán)産生動生電動勢(shì)，從而🔱實際磁場B0必(bi)然是時變的。
(2)在圓(yuán)形管道中流體充(chong)分發展後，管道中(zhong)間的流速㊙️比較均(jun1)勻，但👉是管壁處流(liu)速梯度較大。圖2(a)爲(wei)理想流速分布，當(dāng)雷諾數較❄️小時弧(hú)度較大[14],對應流速(sù)差别也大。但由于(yú)現場管道安裝複(fú)雜(例如有大量彎(wan)管、閥門等)，實際流(liu)速分布如圖2(b)所示(shi)。若流速🈲越低,則不(bú)同位置流速差異(yì)越大同時伴随着(zhe)素流或渦流産生(sheng),所以在實際應用(yong)中管道内平均流(liu)速很難正确✊測得(dé)。
爲了确保測量結(jie)果更接近實際流(liú)速，在實際疏浚🈲工(gōng)程測🔴量中，主要采(cǎi)用對測量流速進(jin)行示蹤物标定和(hé)不同工況下多次(ci)标定的方法15]。示蹤(zong)物标定比較好理(lǐ)解，隻需要在一定(dìng)長度管道的入口(kou)與出口放入示蹤(zong)物，記錄其度越時(shi)間後就可以♍計算(suàn)出平⛹🏻♀️均流速。多點(diǎn)🔞标定是在多種工(gong)況分類标定。但是(shi)無⛹🏻♀️論哪種方法都(dou)無法适應工況的(de)複雜性，更加無法(fa)判斷紊流♉對于精(jing)度的影響，本文将(jiang)提出解決上述問(wen)🏃🏻♂️題的解決方案。
2電(diàn)磁流量計誤差分(fen)析與改進措施
目(mù)前普遍使用的電(diàn)磁流量計雖然利(li)用了電磁現🍓象，但(dan)僅僅✉️獲得相應的(de)感應電動勢，無法(fǎ)确定時變的磁👄場(chǎng)強🈲度。由于實際管(guan)道中截面含率可(ke)以由射線源密度(dù)計測量，射線🔴源密(mì)度計與電磁流量(liàng)計相距很近(如圖(tú)3所示)，因🈲此可近似(sì)認爲測量的是同(tóng)-對象。從進一步減(jian)小誤差角度出發(fa)，測得的含率與流(liu)💜速位置差異也可(kě)以通過電磁流量(liàng)計測得平均流速(sù)修正，即根據平☁️均(jun)流速🚶将測得的含(hán)率序列向後平移(yi)-定單位。本文用射(she)線源密度計測得(dé)的含率及🌍其變化(hua)率作爲輸入變🈲量(liàng)，提高電磁流量計(ji)的測速精度。
在使(shi)用法拉第電磁感(gan)應定律測速時，爲(wei)了實時估♈計變化(hua)㊙️的B值，根據Maxwell方程，B服(fu)從以下本構方程(cheng):
式中:▽爲二階微分(fen)算子;μ爲磁導率;H爲(wei)磁場強度，這裏假(jiǎ)設磁感🤞應🙇🏻強度與(yu)磁場強度滿足線(xian)性關系;σ(vxB)表示帶電(dian)流體💋産生洛倫茲(zī)力引起的磁場電(dian)場;σE表示歐姆電流(liú)對于磁場的貢獻(xian)。爲此🔴，必須量測和(hé)計算式(3)右邊兩項(xiàng)的值才能正确地(di)确定磁場強度。在(zai)疏浚💚管道測量中(zhong),任何截面的電場(chang)變化主要由流體(tǐ)内㊙️液相所包含的(de)電荷量引起，而液(ye)相包含的電荷量(liàng)又是由于👨❤️👨截面含(han)🔞率及其變化引起(qi)，具體分析如下。
(1)任(rèn)何一個截面的電(diàn)荷完全包含于液(ye)相中，雖然液相與(yǔ)固相是混雜在-起(qǐ)形成混合液，無論(lùn)液相與固相是否(fǒu)可分，根據電荷守(shou)恒定律産生的磁(ci)場應滿足
式中:B1爲(wei)感生電動勢産生(sheng)的磁感應強度;v爲(wèi)截面固相🚶♀️含率;k1爲(wèi)B1與v之間的比例系(xi)數,需要預先測試(shì)後标定。
(2)任何一個(ge)截面的電荷完全(quan)包含于液相中，含(hán)率的變化意🔞味着(zhe)電場的變化，從而(er)導緻變化的電場(chang)産🏃🏻生附加的磁場(chang)，本質上對應的是(shì)動生電動勢的變(bian)化，其應滿足.
式中(zhōng):B2爲動生電動勢産(chan)生的磁感應強度(dù);△Y爲截面固相含率(lǜ)的✌️變化率;k2爲B2與△y的(de)比例系數,需要預(yù)先測試後标定。最(zuì)後得到最終磁感(gan)應強度B爲
式中，B0爲(wei)勵磁線圈産生的(de)磁感應強度。将B代(dai)入式(1)，則流速可🔞以(yi)進-步正确确定。在(zai)已有的電磁流量(liàng)計磁場計算時，假(jia)設B1是不變的，但是(shì)這不符合疏浚管(guǎn)道的實際🌐情況。
因(yīn)此，利用射線源密(mi)度計或者船上的(de)實際測量裝🔅置等(deng)測💋量🚶♀️出❤️含率Y及其(qí)變化率△Y,在線估計(ji)出瞬時流場中實(shi)際存在的時變磁(ci)感應強度B，并作爲(wei)式(3)的輸入變量。結(jie)合實際測得的感(gǎn)應電動勢E，能夠有(yǒu)效、正确地計算出(chu)時變的磁感應強(qiáng)度進而正确計算(suan)出瞬時流速，克服(fú)當前電磁流量計(ji)隻能😍使用1個事先(xiān)标定的先驗磁場(chang)強度導緻流速計(jì)算的誤差。上述方(fang)法的實現步驟🌐和(he)實現過程如圖4和(hé)表1所示。
3實驗分析(xī)
測試是在黃骅港(gǎng)'“神浚7号”船上實施(shī)，使用了曆史數據(ju)和實際📱施工數據(jù)作爲參考比對。實(shi)際疏浚船.上雖然(rán)有電磁流量計和(hé)射線源密度計，但(dàn)是沒有其💯他客觀(guan)⭐可以比🔞較的實時(shí)流速數據，因此分(fèn)别采用☁️漂浮物标(biao)定法和水🏃🏻下泵輸(shū)出功率變動法兩(liǎng)種方式作爲流速(sù)☀️檢驗的客觀🚶♀️标準(zhun)，驗證本文所提出(chū)方法的有效性和(hé)正确性，其中水🔞下(xia)泵輸出功率🏃♀️與流(liu)♋速有緊密的正相(xiàng)關性。
在實驗過程(cheng)中已經确保挖泥(ní)船在淤泥或細粉(fen)沙土👈土質的施工(gong)條件下進行，同時(shi)必須使管内泥漿(jiāng)濃度在合理範❄️圍(wei)，即在一個較寬的(de)流速範圍内工🏃🏻♂️作(zuò)而不🌏至于形成段(duàn)塞流甚至管道堵(dǔ)📞塞等極端情🐆況，因(yīn)此需要把水下泥(ní)泵真空壓力設置(zhi)在合理範圍。在實(shi)驗過程中，根據船(chuán)上壓力曆史數據(ju)，設置真💃空壓力值(zhí)範圍爲[0.5MPa,12.0MPa]。
具體實驗(yan)步驟如下。
步驟1不(bú)斷近似等間距地(di)增加艙内泵的輸(shū)出功率從而改變(bian)流速。
步驟2在每個(ge)固定的輸出功率(lǜ)下，讓系統穩定工(gong)作一段時🧑🏽🤝🧑🏻間後，通(tōng)過調整絞刀的挖(wa)深得到依次遞增(zeng)的泥漿濃度并記(ji)錄🚶♀️泥漿的瞬時濃(nóng)度。
步驟3在每個固(gù)定的輸出功率下(xià)，從管口放入标志(zhi)👣物并記錄其放入(ru)時間及到達管口(kǒu)的時間，從而得到(dào)漂浮物的度越時(shi)間。實驗中輸送管(guǎn)徑的長度爲✂️5000m,因此(cǐ)得到的平均流速(su)的相對誤差較小(xiao)，具有客觀性。
圖5顯(xian)示電磁流量計測(cè)量的瞬時流速(對(dui)應方法1)近乎平緩(huǎn)❗，由于輸出功率的(de)增加幅度并不足(zu)夠大，使得電磁流(liu)量計本身的輸出(chu)不能反映出整個(gè)艙内泵輸出功率(lǜ)導緻的實際流速(su)的增加，而且由于(yú)整☔體含率逐漸增(zēng)加，輸出流速甚🌈至(zhì)有下降趨勢。這與(yu)實際工況和經驗(yan)不符,因爲含率的(de)增加不可能根❤️本(ben)改變流速的🈲變化(hua)趨勢，而使用本文(wén)方法計算得到的(de)流速(對應方法2)有(you)明顯上升趨勢，并(bing)在艙内泵輸出功(gōng)率穩定時趨于平(ping)穩，與艙内泵🌍的💚輸(shu)出功率基本一緻(zhi)。
表(biao)2進一步比較了電(dian)磁流:星計按照3種(zhong)方法計算的平均(jun)流🍓速。其📞中，平均流(liu)速是指由電磁流(liu)量計輸出流速的(de)平均值;修正流速(su)💚是指用本研究提(ti)出的方♌法計算的(de)流速的平均⭕值;客(kè)觀💋流速是指通過(guò)标示物測得的流(liú)速平均值。實驗中(zhōng)濃度數據使用射(she)線源密度計得🌈到(dao)，考慮到船上上遊(yóu)射線源密度計與(yǔ)♋下遊電磁流量計(jì)相距1.5m,因此将♈射線(xian)源密度計的濃度(du)測量值序列向🐇後(hòu)移動🚶一定長度🈲，該(gai)移動長度根據标(biao)示物的平均流速(su)值除1.5m後得到。
由表(biǎo)2可知，相比于标示(shì)物測得的客觀流(liú)速，本文方法計🏃算(suan)的平均流速明顯(xian)更加接近實際值(zhi)。按照相對誤差标(biāo)準，在❌整個流速則(zé)量過程中，流速越(yue)高相應測量誤差(chà)越🤩小，本文方法的(de)相對誤💯差從12.13%降低(dī)到7.23%。而僅僅依賴于(yú)已有電磁流量計(jì)所測量的流速，不(bu)僅相對誤差更大(dà)，而且随着流速和(he)濃度的增大而增(zēng)大，相對誤差🔱從12.13%增(zeng)大到17.28%。.上述結果表(biǎo)明，本文💛提出的流(liu)速計㊙️算方法更加(jia)合理和客觀。
4結語(yu)
目前電磁流量計(jì)的相關研究多聚(ju)焦在低電導率流(liú)體介質✨、非🛀滿管狀(zhuàng)态、節能型電磁流(liu)量計及系統結構(gou)和工藝等問題上(shang)，對磁場測量和分(fèn)布的研究較少。本(ben)文從分析磁場産(chǎn)生的機理出發，以(yǐ)船上現有測量設(shè)備輸出參數爲基(ji)礎,提出一個新的(de)流速正确測量改(gai)進方案，以期對于(yu)工程問題産生實(shi)際的指導意義。由(you)💚于電磁流量計在(zai)流場中測量是一(yi)個複雜的、多因素(sù)相互作🏃♂️用問題，涉(she)🔴及電場與磁場的(de)㊙️耦台、複雜流形和(he)不同測量對象(如(rú)土🔞質等)下差異等(děng)，如何減小誤差還(hai)必須考慮這些因(yin)素的影響。今後可(ke)繼續研宄更加正(zheng)确的流速計算公(gong)式。
本文來源于網(wang)絡,如有侵權聯系(xì)即删除！
