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      時間:2022-9-19 08:45:47

    電磁流量計在疏浚管道流速測量中誤差及修正

    摘要:為解決當前疏浚船上電磁流量計測速過程中假設磁場均勻及無法實時標定的問題,本文提出-種新的磁場強度計算方法以克服應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測得的含率及其變化率,分別作為計算電磁流量計磁場變化的輸人變量,從而得到計算時變電磁場的磁場強度的兩部分,據此對電磁流量計的測量流速進行修正。通過疏浚工程中實際測試,流速的平均計算誤差能夠降低為5.51%。本文方法為提高電磁流量計測量的準確性和可應用范圍提供了實踐基礎。
      電磁流量計是一種普遍使用的管道測量儀表,不僅能提供流速測量參數而且能夠提供產量的輸出結果。目前,電磁流量計在我國疏浚行業的流速測量中已經廣泛應用叫。電磁流量計與其他流量計相比,具有結構簡單無侵人性、量程大和測量對象的范圍廣等特點,特別是與基于渦街、光學、超聲等測量儀器相比具有以下優勢。
    (1) 壓力損失小。傳感器構造簡單可靠,不會破壞流場從而不會改變被測流體流動狀態,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、阻塞等情況的發生,極大減少運行功耗。
    (2) 耐腐蝕性。由于測量管內壁的襯里使用絕緣材料并且測量電極表面經過了化學鈍化,因此只要襯里材料選擇合適就能夠測量--般的腐蝕性流體。
    (3)不受流體物理參數影響。管道內流體的流體參數多達幾十個,對應不同的流形分布和流動狀態。電磁流量計在測量過程中受這些流動狀態和測量條件影響很小,能穩定地對流體的體積濃度和流速進行測量,而且其標定也很簡單,只需在測量管道中注人固相對應的液相物質即可進行標定。
    (4)量程范圍大。流速測量范圍可達100:1至1000:1。同-類型的電磁流量計傳感器在進行滿量程流速測量時,使用的管徑最大達到3m,而最小可到分米量級,極大地拓寬了電磁流量計的可應用范圍。
    (5)測量原理是線性的。電磁流量計所測量參數與法拉第電磁感應定律所表述的感應電動勢之間滿足確定的線性關系。若流體的流型穩定且被測多相流在管道內基本均勻,則測量相對誤差可達到百分位,可測量正反兩個方向的流量。
    (6)適應性強。電場流量計的測量輸出實際上是流體截面的平均流速,標定過程對測量的流體物質類型沒有太高要求,并且電場流量計滿足綠色環保要求,便于安裝和維護。使用測量值的輸出不涉及流體的動力慣性,響應靈敏可測瞬時流量。
    然而,當前基于法拉第電磁感應定律的電磁流量計測量只依賴--對測量電極時,這對于傳感器測量和轉換器的要求很高,至少需要滿足以下測量條件”。
    (1)磁感應強度沿著管道的軸線方向必須是均勻的,而且被測流體在傳感器對應的每個橫截面上電荷量也基本相等,從而保證流速為隨著感應電動勢變化的唯一變量,可通過基本關系方程求解得到.
    (2)被測流體的流型和流速是相對穩定的,這就要求在很長的管道量測范圍內流場是相對穩定和近似不變的,所以測量傳感器的前端須有一-定長度的直管道;反之,若是前端存在著彎管或者管道縮進,則必然導致測量結果產生不同程度偏差。
    (3)由于僅僅依靠-對電極作為傳感器進行測量,從而截面上的不同點對于測量值的影響和貢獻難以準確估計,當截面分布嚴重不均勻時,這種影響無法忽略不計。
      因此,實際應用中上述測量條件很難滿足。多年來,很多研究針對上述問題提出解決方案。實驗證明在電磁流量計工作過程中,磁感應強度與電磁流量計的精度密切相關,因此要提高流測量速精度必須更加準確地計算磁場強度,同時還必須考慮其他場域外不確定因素的影響。進一步研究了電磁流量計的磁場測量精度與提高電磁流量計測量準確性的關系,為更深人地研究電磁流量計的工作原理提供了實踐基礎。通過一系列典型流動狀態下的實驗證明,可以從數據層面驗證原先磁場設計的各個參數是否合理,包括磁軛和極靴的大小和現狀等,分析了各部分對磁場的影響及新的設計思路,為研究穩定的電磁流量計提供了經驗。介紹了一種能夠檢測電導率更低流體介質的電磁流量計,其設計原理是利用不同頻率下的交流勵磁線圈提高濾波去噪過程中準確性和效率,利用不同頻率下信息之間的互補性實現對,應隨機噪聲的有效抑制,從而能夠對管道內電導率更低的流動對象進行檢測和識別。進一步研究了低電導率流體的測量和穩定性問題,提出了改變電磁流量計轉換電路的新設計方案。從電路的選通、濾波、模數轉換和控制方面進行了一系列測試和一般性比較分析。
      然而,疏浚作業工程中電場流量計測量條件更加復雜,由于管道內固相含率是變化的,因此管道內每個截面含有的流體的電導率也是快變的,這種變化必然產生附加磁場,導致實際磁場是變化的。這樣將無法滿足電場流量計測量的基本要求,如果使用法拉第電磁感應定律進行計算必然產生誤差。
      本文面向疏浚工程的具體應用條件,使用電磁流量計和船上射線源密度計進行組合測量,從而得出更加準確的磁場強度,以解決已有流速方法無法準確計算磁電轉換效應導致流速計算不準確的問題。
    1電磁流量計測量原理
      電磁流量計的測量服從法拉第電磁感應定律吧,其中切割磁力線的流體為具有一定導電性或弱導電性流體,如圖1所示。
    電磁流量計及示意圖 
      使用一對上下對稱的勵磁線圈在測量管道內產生基本均勻的磁場,帶有一定導電性流體的流動方向垂直于磁場方向,從而在管內做切割磁力線運動并產生感應電動勢。在管道兩端測量的電極連接閉合回路,對應測量感應電動勢可以測得。當磁.感應強度大小一定時,感應電動勢與流量成正比,電動勢方向可按判斷磁場方向的右手規則進行判斷,其計算表達式為
     
      式中:E為感應電動勢;k為標定參數;B0為勵磁線圈產生的磁感應強度;D為測量管內徑;`v為平均流速;Q為流量,大小由流體平均流速決定。對于圓形測量管道,單位時間穿過測量管道流體的體積流量Q與E之間滿足
     
      式(2)表明,在管道內徑D和磁感應強度B0為定值時,感應電動勢E與流體瞬時體積流量Q成正比。然而,這種正比關系的成立依賴于下列前提條件。
    (1)不僅由勵磁線圈產生的磁感應強度B0必須基本保持不變,而且傳感器對應每個橫截面上流體包含的電荷量基本不變以保持磁場穩定;否則,變化的電荷量就會產生變化的電場從而產生附加磁場,使計算得到的流體流速產生不可預期的偏差。
    (2)被測流體基本是沿著軸向流動與磁力線做切割垂直運動,反之,不穩定的紊流或渦流使得切割方向不垂直甚至反向,必然導致計算誤差。
    (3)溫度、熱電效應等影響可忽略不計,流體磁導率與真空相同,這樣就可忽略流體磁性與工作磁場之間相互作用產生的影響。在疏浚工程中流體是由基本不包含電荷的固相物質(沙土、碎礫石等)和包含電荷的液相物質(海水等)構成,除了溫度和熱電效應影響很小外,其他假設是很難成立的。事實上,與磁場耦合的流場是受工況限制而非上述理想狀況,具體限制如下。
    (1)在疏浚管道作業過程中,固液流的流速變化范圍通常在3~6m/s內變化[13],而每個截面上含率不同,這意味著任何一個截面的電場是快速變化的。根據Maxwell方程,變化的磁場必然產生動生電動勢,從而實際磁場B0必然是時變的。
    (2)在圓形管道中流體充分發展后,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,當雷諾數較小時弧度較大[14],對應流速差別也大。但由于現場管道安裝復雜(例如有大量彎管、閥門等),實際流速分布如圖2(b)所示。若流速越低,則不同位置流速差異越大同時伴隨著素流或渦流產生,所以在實際應用中管道內平均流速很難準確測得。
     
      為了盡可能確保測量結果更接近實際流速,在實際疏浚工程測量中,主要采用對測量流速進行示蹤物標定和不同工況下多次標定的方法15]。示蹤物標定比較好理解,只需要在一定長度管道的入口與出口放入示蹤物,記錄其度越時間后就可以計算出平均流速。多點標定是在多種工況分類標定。但是無論哪種方法都無法適應工況的復雜性,更加無法判斷紊流對于精度的影響,本文將提出解決上述問題的解決方案。
    2電磁流量計誤差分析與改進措施
      目前普遍使用的電磁流量計雖然利用了電磁現象,但僅僅獲得相應的感應電動勢,無法確定時變的磁場強度。由于實際管道中截面含率可以由射線源密度計測量,射線源密度計與電磁流量計相距很近(如圖3所示),因此可近似認為測量的是同-對象。從進一步減小誤差角度出發,測得的含率與流速位置差異也可以通過電磁流量計測得平均流速修正,即根據平均流速將測得的含率序列向后平移-定單位。本文用射線源密度計測得的含率及其變化率作為輸入變量,提高電磁流量計的測速精度。
     
      在使用法拉第電磁感應定律測速時,為了實時估計變化的B值,根據Maxwell方程,B服從以下本構方程:
     
      式中:▽為二階微分算子;μ為磁導率;H為磁場強度,這里假設磁感應強度與磁場強度滿足線性關系;σ(vxB)表示帶電流體產生洛倫茲力引起的磁場電場;σE表示歐姆電流對于磁場的貢獻。為此,必須量測和計算式(3)右邊兩項的值才能準確地確定磁場強度。在疏浚管道測量中,任何截面的電場變化主要由流體內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,根據電荷守恒定律產生的磁場應滿足
     
      式中:B1為感生電動勢產生的磁感應強度;v為截面固相含率;k1為B1與v之間的比例系數,需要預先測試后標定。
    (2)任何一個截面的電荷完全包含于液相中,含率的變化意味著電場的變化,從而導致變化的電場產生附加的磁場,本質上對應的是動生電動勢的變化,其應滿足.
     
      式中:B2為動生電動勢產生的磁感應強度;△Y為截面固相含率的變化率;k2為B2與△y的比例系數,需要預先測試后標定。最后得到最終磁感應強度B為
     
      式中,B0為勵磁線圈產生的磁感應強度。將B代入式(1),則流速可以進-步準確確定。在已有的電磁流量計磁場計算時,假設B1是不變的,但是這不符合疏浚管道的實際情況。
      因此,利用射線源密度計或者船上的實際測量裝置等測量出含率Y及其變化率△Y,在線估計出瞬時流場中實際存在的時變磁感應強度B,并作為式(3)的輸入變量。結合實際測得的感應電動勢E,能夠有效、準確地計算出時變的磁感應強度進而準確計算出瞬時流速,克服當前電磁流量計只能使用1個事先標定的先驗磁場強度導致流速計算的誤差。上述方法的實現步驟和實現過程如圖4和表1所示。
     
    3實驗分析
      測試是在黃驊港'“神浚7號”船上實施,使用了歷史數據和實際施工數據作為參考比對。實際疏浚船.上雖然有電磁流量計和射線源密度計,但是沒有其他客觀可以比較的實時流速數據,因此分別采用漂浮物標定法和水下泵輸出功率變動法兩種方式作為流速檢驗的客觀標準,驗證本文所提出方法的有效性和準確性,其中水下泵輸出功率與流速有緊密的正相關性。
      在實驗過程中已經確保挖泥船在淤泥或細粉沙土土質的施工條件下進行,同時必須使管內泥漿濃度在合理范圍,即在一個較寬的流速范圍內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置在合理范圍。在實驗過程中,根據船上壓力歷史數據,設置真空壓力值范圍為[0.5MPa,12.0MPa]。
    具體實驗步驟如下。
    步驟1不斷近似等間距地增加艙內泵的輸出功率從而改變流速。
    步驟2在每個固定的輸出功率下,讓系統穩定工作一段時間后,通過調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濃度。
    步驟3在每個固定的輸出功率下,從管口放入標志物并記錄其放入時間及到達管口的時間,從而得到漂浮物的度越時間。實驗中輸送管徑的長度為5000m,因此得到的平均流速的相對誤差較小,具有客觀性。
      圖5顯示電磁流量計測量的瞬時流速(對應方法1)近乎平緩,由于輸出功率的增加幅度并不足夠大,使得電磁流量計本身的輸出不能反映出整個艙內泵輸出功率導致的實際流速的增加,而且由于整體含率逐漸增加,輸出流速甚至有下降趨勢。這與實際工況和經驗不符,因為含率的增加不可能根本改變流速的變化趨勢,而使用本文方法計算得到的流速(對應方法2)有明顯上升趨勢,并在艙內泵輸出功率穩定時趨于平穩,與艙內泵的輸出功率基本一致。
    電磁流量計兩種方法對比圖示 
      表2進一步比較了電磁流:星計按照3種方法計算的平均流速。其中,平均流速是指由電磁流量計輸出流速的平均值;修正流速是指用本研究提出的方法計算的流速的平均值;客觀流速是指通過標示物測得的流速平均值。實驗中濃度數據使用射線源密度計得到,考慮到船上上游射線源密度計與下游電磁流量計相距1.5m,因此將射線源密度計的濃度測量值序列向后移動一定長度,該移動長度根據標示物的平均流速值除1.5m后得到。
     
      由表2可知,相比于標示物測得的客觀流速,本文方法計算的平均流速明顯更加接近實際值。按照相對誤差標準,在整個流速則量過程中,流速越高相應測量誤差越小,本文方法的相對誤差從10.30%降低到7.23%。而僅僅依賴于已有電磁流量計所測量的流速,不僅相對誤差更大,而且隨著流速和濃度的增大而增大,相對誤差從12.30%增大到17.28%。.上述結果表明,本文提出的流速計算方法更加合理和客觀。
    4結語
      目前電磁流量計的相關研究多聚焦在低電導率流體介質、非滿管狀態、節能型電磁流量計及系統結構和工藝等問題上,對磁場測量和分布的研究較少。本文從分析磁場產生的機理出發,以船上現有測量設備輸出參數為基礎,提出一個新的流速精確測量改進方案,以期對于工程問題產生實際的指導意義。由于電磁流量計在流場中測量是一個復雜的、多因素相互作用問題,涉及電場與磁場的耦臺、復雜流形和不同測量對象(如土質等)下差異等,如何減小誤差還必須考慮這些因素的影響。今后可繼續研宄更加準確的流速計算公式。

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