摘要:為解決當(dāng)前疏浚船上電磁流量計(jì)測(cè)速過程中假設(shè)磁場(chǎng)均勻及無法實(shí)時(shí)標(biāo)定的問題,本文提出-種新的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法以克服應(yīng)用過程中由上述假定所帶來的局限性。該方法使用船上射線源密度計(jì)測(cè)得的含率及其變化率,分別作為計(jì)算電磁流量計(jì)磁場(chǎng)變化的輸人變量，從而得到計(jì)算時(shí)變電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的兩部分，據(jù)此對(duì)電磁流量計(jì)的測(cè)量流速進(jìn)行修正。通過疏浚工程中實(shí)際測(cè)試,流速的平均計(jì)算誤差能夠降低為5.51%。為提高電磁流量計(jì)測(cè)量的正確率和可應(yīng)用范圍提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。
電磁流量計(jì)是一種普遍使用的管道測(cè)量?jī)x表，不僅能提供流速測(cè)量參數(shù)而且能夠提供產(chǎn)量的輸出結(jié)果。目前,電磁流量計(jì)在我國(guó)疏浚行業(yè)的流速測(cè)量中已經(jīng)廣泛應(yīng)用叫。電磁流量計(jì)與其他流量計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無侵人性、量程大和測(cè)量對(duì)象的范圍廣等特點(diǎn)，特別是與基于渦街、光學(xué)、超聲等測(cè)量?jī)x器相比具有以下優(yōu)勢(shì)。
(1) 壓力損失小。傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單可靠,不會(huì)破壞流場(chǎng)從而不會(huì)改變被測(cè)流體流動(dòng)狀態(tài),而且傳感器截面與管徑同口徑并使用光滑耐磨的材料作為襯里，避免了磨損、阻塞等情況的發(fā)生,極大減少運(yùn)行功耗。
(2) 耐腐蝕性。由于測(cè)量管內(nèi)壁的襯里使用絕緣材料并且測(cè)量電極表面經(jīng)過了化學(xué)鈍化，因此只要襯里材料選擇合適就能夠測(cè)量--般的腐蝕性流體。
(3)不受流體物理參數(shù)影響。管道內(nèi)流體的流體參數(shù)多達(dá)幾十個(gè),對(duì)應(yīng)不同的流形分布和流動(dòng)狀態(tài)。電磁流量計(jì)在測(cè)量過程中受這些流動(dòng)狀態(tài)和測(cè)量條件影響很小，能穩(wěn)定地對(duì)流體的體積濃度和流速進(jìn)行測(cè)量,而且其標(biāo)定也很簡(jiǎn)單,只需在測(cè)量管道中注人固相對(duì)應(yīng)的液相物質(zhì)即可進(jìn)行標(biāo)定。
(4)量程范圍大。流速測(cè)量范圍可達(dá)100:1至1000:1。同-類型的電磁流量計(jì)傳感器在進(jìn)行滿量程流速測(cè)量時(shí)，使用的管徑最大達(dá)到3m,而最小可到分米量級(jí),極大地拓寬了電磁流量計(jì)的可應(yīng)用范圍。
(5)測(cè)量原理是線性的。電磁流量計(jì)所測(cè)量參數(shù)與法拉第電磁感應(yīng)定律所表述的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間滿足確定的線性關(guān)系。若流體的流型穩(wěn)定且被測(cè)多相流在管道內(nèi)基本均勻，則測(cè)量相對(duì)誤差可達(dá)到百分位,可測(cè)量正反兩個(gè)方向的流量。
(6)適應(yīng)性強(qiáng)。電場(chǎng)流量計(jì)的測(cè)量輸出實(shí)際上是流體截面的平均流速,標(biāo)定過程對(duì)測(cè)量的流體物質(zhì)類型沒有太高要求,并且電場(chǎng)流量計(jì)滿足綠色環(huán)保要求,便于安裝和維護(hù)。使用測(cè)量值的輸出不涉及流體的動(dòng)力慣性,響應(yīng)靈敏可測(cè)瞬時(shí)流量。
然而，當(dāng)前基于法拉第電磁感應(yīng)定律的電磁流量計(jì)測(cè)量只依賴一對(duì)測(cè)量電極時(shí)，這對(duì)于傳感器測(cè)量和轉(zhuǎn)換器的要求高,至少需要滿足以下測(cè)量條件”。
(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿著管道的軸線方向必須是均勻的,而且被測(cè)流體在傳感器對(duì)應(yīng)的每個(gè)橫截面上電荷量也基本相等，從而保證流速為隨著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化的唯一變量,可通過基本關(guān)系方程求解得到.
(2)被測(cè)流體的流型和流速是相對(duì)穩(wěn)定的,這就要求在很長(zhǎng)的管道量測(cè)范圍內(nèi)流場(chǎng)是相對(duì)穩(wěn)定和近似不變的，所以測(cè)量傳感器的前端須有一-定長(zhǎng)度的直管道;反之,若是前端存在著彎管或者管道縮進(jìn),則必然導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不同程度偏差。
(3)由于僅僅依靠-對(duì)電極作為傳感器進(jìn)行測(cè)量,從而截面上的不同點(diǎn)對(duì)于測(cè)量值的影響和貢獻(xiàn)難以正確估計(jì),當(dāng)截面分布嚴(yán)重不均勻時(shí),這種影響無法忽略不計(jì)。
因此,實(shí)際應(yīng)用中上述測(cè)量條件很難滿足。多年來，很多研究針對(duì)上述問題提出解決方案。實(shí)驗(yàn)證明在電磁流量計(jì)工作過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度與電磁流量計(jì)的精度密切相關(guān),因此要提高流測(cè)量速精度必須正確地計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí)還必須考慮其他場(chǎng)域外不確定因素的影響。進(jìn)一步研究了電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)測(cè)量精度與提高電磁流量計(jì)測(cè)量正確率的關(guān)系,為更深人地研究電磁流量計(jì)的工作原理提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。通過一系列典型流動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)證明,可以從數(shù)據(jù)層面驗(yàn)證原先磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)是否合理,包括磁軛和極靴的大小和現(xiàn)狀等,分析了各部分對(duì)磁場(chǎng)的影響及新的設(shè)計(jì)思路,為研究穩(wěn)定的電磁流量計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。介紹了一種能夠檢測(cè)電導(dǎo)率更低流體介質(zhì)的電磁流量計(jì),其設(shè)計(jì)原理是利用不同頻率下的交流勵(lì)磁線圈提高濾波去噪過程中正確率和效率,利用不同頻率下信息之間的互補(bǔ)性實(shí)現(xiàn)對(duì)，應(yīng)隨機(jī)噪聲的有效抑制,從而能夠?qū)艿纼?nèi)電導(dǎo)率更低的流動(dòng)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。進(jìn)一步研究了低電導(dǎo)率流體的測(cè)量和穩(wěn)定性問題,提出了改變電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換電路的新設(shè)計(jì)方案。從電路的選通、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和控制方面進(jìn)行了一系列測(cè)試和一般性比較分析。
然而，疏浚作業(yè)工程中電場(chǎng)流量計(jì)測(cè)量條件更加復(fù)雜,由于管道內(nèi)固相含率是變化的，因此管道內(nèi)每個(gè)截面含有的流體的電導(dǎo)率也是快變的，這種變化必然產(chǎn)生附加磁場(chǎng),導(dǎo)致實(shí)際磁場(chǎng)是變化的。這樣將無法滿足電場(chǎng)流量計(jì)測(cè)量的基本要求,如果使用法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行計(jì)算必然產(chǎn)生誤差。
本文面向疏浚工程的具體應(yīng)用條件,使用電磁流量計(jì)和船上射線源密度計(jì)進(jìn)行組合測(cè)量,從而得出更加正確的磁場(chǎng)強(qiáng)度,以解決已有流速方法無法正確計(jì)算磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)導(dǎo)致流速計(jì)算不正確的問題。
1電磁流量計(jì)測(cè)量原理
電磁流量計(jì)的測(cè)量服從法拉第電磁感應(yīng)定律吧，其中切割磁力線的流體為具有一定導(dǎo)電性或弱導(dǎo)電性流體，如圖1所示。
使用一對(duì)上下對(duì)稱的勵(lì)磁線圈在測(cè)量管道內(nèi)產(chǎn)生基本均勻的磁場(chǎng),帶有一定導(dǎo)電性流體的流動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)方向,從而在管內(nèi)做切割磁力線運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在管道兩端測(cè)量的電極連接閉合回路,對(duì)應(yīng)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以測(cè)得。當(dāng)磁.感應(yīng)強(qiáng)度大小一定時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流量成正比，電動(dòng)勢(shì)方向可按判斷磁場(chǎng)方向的右手規(guī)則進(jìn)行判斷,其計(jì)算表達(dá)式為
式中:E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);k為標(biāo)定參數(shù);B0為勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;D為測(cè)量管內(nèi)徑;`v為平均流速;Q為流量,大小由流體平均流速?zèng)Q定。對(duì)于圓形測(cè)量管道，單位時(shí)間穿過測(cè)量管道流體的體積流量Q與E之間滿足
式(2)表明，在管道內(nèi)徑D和磁感應(yīng)強(qiáng)度B0為定值時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與流體瞬時(shí)體積流量Q成正比。然而，這種正比關(guān)系的成立依賴于下列前提條件。
(1)不僅由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0必須基本保持不變,而且傳感器對(duì)應(yīng)每個(gè)橫截面上流體包含的電荷量基本不變以保持磁場(chǎng)穩(wěn)定;否則，變化的電荷量就會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)從而產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，使計(jì)算得到的流體流速產(chǎn)生不可預(yù)期的偏差。
(2)被測(cè)流體基本是沿著軸向流動(dòng)與磁力線做切割垂直運(yùn)動(dòng)，反之,不穩(wěn)定的紊流或渦流使得切割方向不垂直甚至反向，必然導(dǎo)致計(jì)算誤差。
(3)溫度、熱電效應(yīng)等影響可忽略不計(jì)，流體磁導(dǎo)率與真空相同，這樣就可忽略流體磁性與工作磁場(chǎng)之間相互作用產(chǎn)生的影響。在疏浚工程中流體是由基本不包含電荷的固相物質(zhì)(沙土、碎礫石等)和包含電荷的液相物質(zhì)(海水等)構(gòu)成，除了溫度和熱電效應(yīng)影響很小外，其他假設(shè)是很難成立的。事實(shí)上，與磁場(chǎng)耦合的流場(chǎng)是受工況限制而非上述理想狀況，具體限制如下。
(1)在疏浚管道作業(yè)過程中，固液流的流速變化范圍通常在3~6m/s內(nèi)變化[13],而每個(gè)截面上含率不同，這意味著任何一個(gè)截面的電場(chǎng)是快速變化的。根據(jù)Maxwell方程，變化的磁場(chǎng)必然產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)際磁場(chǎng)B0必然是時(shí)變的。
(2)在圓形管道中流體充分發(fā)展后，管道中間的流速比較均勻，但是管壁處流速梯度較大。圖2(a)為理想流速分布，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)弧度較大[14],對(duì)應(yīng)流速差別也大。但由于現(xiàn)場(chǎng)管道安裝復(fù)雜(例如有大量彎管、閥門等)，實(shí)際流速分布如圖2(b)所示。若流速越低,則不同位置流速差異越大同時(shí)伴隨著素流或渦流產(chǎn)生,所以在實(shí)際應(yīng)用中管道內(nèi)平均流速很難正確測(cè)得。
為了確保測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)際流速，在實(shí)際疏浚工程測(cè)量中，主要采用對(duì)測(cè)量流速進(jìn)行示蹤物標(biāo)定和不同工況下多次標(biāo)定的方法15]。示蹤物標(biāo)定比較好理解，只需要在一定長(zhǎng)度管道的入口與出口放入示蹤物，記錄其度越時(shí)間后就可以計(jì)算出平均流速。多點(diǎn)標(biāo)定是在多種工況分類標(biāo)定。但是無論哪種方法都無法適應(yīng)工況的復(fù)雜性，更加無法判斷紊流對(duì)于精度的影響，本文將提出解決上述問題的解決方案。
2電磁流量計(jì)誤差分析與改進(jìn)措施
目前普遍使用的電磁流量計(jì)雖然利用了電磁現(xiàn)象，但僅僅獲得相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，無法確定時(shí)變的磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于實(shí)際管道中截面含率可以由射線源密度計(jì)測(cè)量，射線源密度計(jì)與電磁流量計(jì)相距很近(如圖3所示)，因此可近似認(rèn)為測(cè)量的是同-對(duì)象。從進(jìn)一步減小誤差角度出發(fā)，測(cè)得的含率與流速位置差異也可以通過電磁流量計(jì)測(cè)得平均流速修正，即根據(jù)平均流速將測(cè)得的含率序列向后平移-定單位。本文用射線源密度計(jì)測(cè)得的含率及其變化率作為輸入變量，提高電磁流量計(jì)的測(cè)速精度。
在使用法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)速時(shí)，為了實(shí)時(shí)估計(jì)變化的B值，根據(jù)Maxwell方程，B服從以下本構(gòu)方程:
式中:▽為二階微分算子;μ為磁導(dǎo)率;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，這里假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足線性關(guān)系;σ(vxB)表示帶電流體產(chǎn)生洛倫茲力引起的磁場(chǎng)電場(chǎng);σE表示歐姆電流對(duì)于磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)。為此，必須量測(cè)和計(jì)算式(3)右邊兩項(xiàng)的值才能正確地確定磁場(chǎng)強(qiáng)度。在疏浚管道測(cè)量中,任何截面的電場(chǎng)變化主要由流體內(nèi)液相所包含的電荷量引起，而液相包含的電荷量又是由于截面含率及其變化引起，具體分析如下。
(1)任何一個(gè)截面的電荷完全包含于液相中，雖然液相與固相是混雜在-起形成混合液，無論液相與固相是否可分，根據(jù)電荷守恒定律產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)滿足
式中:B1為感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;v為截面固相含率;k1為B1與v之間的比例系數(shù),需要預(yù)先測(cè)試后標(biāo)定。
(2)任何一個(gè)截面的電荷完全包含于液相中，含率的變化意味著電場(chǎng)的變化，從而導(dǎo)致變化的電場(chǎng)產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，本質(zhì)上對(duì)應(yīng)的是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的變化，其應(yīng)滿足.
式中:B2為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;△Y為截面固相含率的變化率;k2為B2與△y的比例系數(shù),需要預(yù)先測(cè)試后標(biāo)定。最后得到最終磁感應(yīng)強(qiáng)度B為
式中，B0為勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。將B代入式(1)，則流速可以進(jìn)-步正確確定。在已有的電磁流量計(jì)磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)，假設(shè)B1是不變的，但是這不符合疏浚管道的實(shí)際情況。
因此，利用射線源密度計(jì)或者船上的實(shí)際測(cè)量裝置等測(cè)量出含率Y及其變化率△Y,在線估計(jì)出瞬時(shí)流場(chǎng)中實(shí)際存在的時(shí)變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，并作為式(3)的輸入變量。結(jié)合實(shí)際測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，能夠有效、正確地計(jì)算出時(shí)變的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)而正確計(jì)算出瞬時(shí)流速，克服當(dāng)前電磁流量計(jì)只能使用1個(gè)事先標(biāo)定的先驗(yàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)致流速計(jì)算的誤差。上述方法的實(shí)現(xiàn)步驟和實(shí)現(xiàn)過程如圖4和表1所示。
3實(shí)驗(yàn)分析
測(cè)試是在黃驊港'“神浚7號(hào)”船上實(shí)施，使用了歷史數(shù)據(jù)和實(shí)際施工數(shù)據(jù)作為參考比對(duì)。實(shí)際疏浚船.上雖然有電磁流量計(jì)和射線源密度計(jì)，但是沒有其他客觀可以比較的實(shí)時(shí)流速數(shù)據(jù)，因此分別采用漂浮物標(biāo)定法和水下泵輸出功率變動(dòng)法兩種方式作為流速檢驗(yàn)的客觀標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證本文所提出方法的有效性和正確性，其中水下泵輸出功率與流速有緊密的正相關(guān)性。
在實(shí)驗(yàn)過程中已經(jīng)確保挖泥船在淤泥或細(xì)粉沙土土質(zhì)的施工條件下進(jìn)行，同時(shí)必須使管內(nèi)泥漿濃度在合理范圍，即在一個(gè)較寬的流速范圍內(nèi)工作而不至于形成段塞流甚至管道堵塞等極端情況，因此需要把水下泥泵真空壓力設(shè)置在合理范圍。在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)船上壓力歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置真空壓力值范圍為[0.5MPa,12.0MPa]。
具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。
步驟1不斷近似等間距地增加艙內(nèi)泵的輸出功率從而改變流速。
步驟2在每個(gè)固定的輸出功率下，讓系統(tǒng)穩(wěn)定工作一段時(shí)間后，通過調(diào)整絞刀的挖深得到依次遞增的泥漿濃度并記錄泥漿的瞬時(shí)濃度。
步驟3在每個(gè)固定的輸出功率下，從管口放入標(biāo)志物并記錄其放入時(shí)間及到達(dá)管口的時(shí)間，從而得到漂浮物的度越時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中輸送管徑的長(zhǎng)度為5000m,因此得到的平均流速的相對(duì)誤差較小，具有客觀性。
圖5顯示電磁流量計(jì)測(cè)量的瞬時(shí)流速(對(duì)應(yīng)方法1)近乎平緩，由于輸出功率的增加幅度并不足夠大，使得電磁流量計(jì)本身的輸出不能反映出整個(gè)艙內(nèi)泵輸出功率導(dǎo)致的實(shí)際流速的增加，而且由于整體含率逐漸增加，輸出流速甚至有下降趨勢(shì)。這與實(shí)際工況和經(jīng)驗(yàn)不符,因?yàn)楹实脑黾硬豢赡芨靖淖兞魉俚淖兓厔?shì)，而使用本文方法計(jì)算得到的流速(對(duì)應(yīng)方法2)有明顯上升趨勢(shì)，并在艙內(nèi)泵輸出功率穩(wěn)定時(shí)趨于平穩(wěn)，與艙內(nèi)泵的輸出功率基本一致。
表2進(jìn)一步比較了電磁流:星計(jì)按照3種方法計(jì)算的平均流速。其中，平均流速是指由電磁流量計(jì)輸出流速的平均值;修正流速是指用本研究提出的方法計(jì)算的流速的平均值;客觀流速是指通過標(biāo)示物測(cè)得的流速平均值。實(shí)驗(yàn)中濃度數(shù)據(jù)使用射線源密度計(jì)得到，考慮到船上上游射線源密度計(jì)與下游電磁流量計(jì)相距1.5m,因此將射線源密度計(jì)的濃度測(cè)量值序列向后移動(dòng)一定長(zhǎng)度，該移動(dòng)長(zhǎng)度根據(jù)標(biāo)示物的平均流速值除1.5m后得到。
由表2可知，相比于標(biāo)示物測(cè)得的客觀流速，本文方法計(jì)算的平均流速明顯更加接近實(shí)際值。按照相對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)，在整個(gè)流速則量過程中，流速越高相應(yīng)測(cè)量誤差越小，本文方法的相對(duì)誤差從10.30%降低到7.23%。而僅僅依賴于已有電磁流量計(jì)所測(cè)量的流速，不僅相對(duì)誤差更大，而且隨著流速和濃度的增大而增大，相對(duì)誤差從12.30%增大到17.28%。.上述結(jié)果表明，本文提出的流速計(jì)算方法更加合理和客觀。
4結(jié)語
目前電磁流量計(jì)的相關(guān)研究多聚焦在低電導(dǎo)率流體介質(zhì)、非滿管狀態(tài)、節(jié)能型電磁流量計(jì)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝等問題上，對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量和分布的研究較少。本文從分析磁場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，以船上現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備輸出參數(shù)為基礎(chǔ),提出一個(gè)新的流速正確測(cè)量改進(jìn)方案，以期對(duì)于工程問題產(chǎn)生實(shí)際的指導(dǎo)意義。由于電磁流量計(jì)在流場(chǎng)中測(cè)量是一個(gè)復(fù)雜的、多因素相互作用問題，涉及電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦臺(tái)、復(fù)雜流形和不同測(cè)量對(duì)象(如土質(zhì)等)下差異等，如何減小誤差還必須考慮這些因素的影響。今后可繼續(xù)研宄更加正確的流速計(jì)算公式。
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