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电磁流量计

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泥浆电磁流量计在工频交流与低频矩形波两者流量测量对比实验分析

来源:作者:发表时间:2021-09-09 09:18:50

       摘 要:电磁流量计作为一种无损测量手段,可以为疏浚泥浆输送过程提供流速、流量有效监测。论文对工频交流励磁与低频矩形波励磁方式的各自特点和工作原理进行分析,并结合疏浚行业进行了实船测量实验研究,对工频交流励磁电磁流量计测量数据、低频矩形波励磁电磁流量计测量数据和舱容测量值对比分析。结论表明:工频交流励磁电磁流量计在测量泥浆流量时相比于低频矩形波电磁流量计精确度更高,噪声抑制性能更好,更适合于疏浚施工现场使用要求。

 
0 引言
        两相流是自然界**广泛存在的流态之一,疏浚工程船输送的泥浆属典型的液固两相流,其流量测量值实时性与精确性在提升施工效率、保证安全施工方面具有很大的促进作用。与其它流量测量仪表相比,电磁流量计基于法拉第电磁感应原理测量排泥管道内混合物的流速和流量,具有一些突出的优点:结构简单,对被测流体的流动无外加影响;测量时不受被测流体物理参数的影响;直线性好,测量准确度高,测量范围宽;反应灵敏,耐腐蚀性能强,等等。因此,在众多的流量仪表中,电磁流量计成为发展**快、应用**广泛的流量仪表之一,也是疏浚泥浆测量的一种主流仪表[1-2]。
 
        电磁流量计励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力和零点稳定性能,不同的励磁方式适用于不同的应用对象和场合。在疏浚行业,电磁流量计励磁技术主要为工频正弦波励磁、低频矩形波励磁两种,长期以来较少有研究对比两种技术的电磁流量计在实船施工中的性能。
 
1 交流励磁和低频方波励磁模式
        交流励磁方式相对于之流励磁来说能够降低检测电极极化效应,励磁电源简单,其中工频交流市电就是方便的激励源,而且采用工频市电可以产生较高的磁感应强度,检测出的感应电动势也具有较高的信噪比。另外,由于工频交流的频率特点可以较好的抑制浆液噪声[3]。图1为工频交流励磁方式下的单周期内磁感应强度变化曲线,用公式可以表示为式(1)。
的单周期内磁感应强度变化曲线公式
        工频交流励磁方式不可避免会引入正交干扰和同向干扰,但是可以采用相敏整流、电磁屏蔽、线路补偿、自动正交抑制系统及数字信号滤波处理等技术措施来消除干扰信号。另外,从激励信号源的角度而言,低频矩形波励磁技术同样不像直流励磁那样产生极化效应,同时也可以避免工频交流励磁技术的不足,不会像工频正弦波励磁那样产生严重的涡流效应、正交干扰和同相干扰。低频矩形波励磁方式磁感应强度变化图,见图2。
交流励磁方式磁感应强度变化图低频矩形波励磁方式磁感应强度变化图
        电磁流量计在测液固两相流流量时,由于信号采集电极与流体直接接触,除了流体中电解质与电极间发生极化效应造成的干扰外,固相颗粒碰撞电极表面会想成浆液噪声。当液固两相流中的固体颗粒撞击或摩擦电极表面时,会在一定程度上改变电极表面薄层氧化膜结构,而在液固两相流电解质环境中的受损氧化膜仍需要重新形成。在电极表面重新形成薄层氧化膜的过程中,电极与流体间的极化电压将发生突变,电极测量信号表现出随机大幅度跳动信号,并且该信号频率分布较宽,其功率谱密度和频率成反比,近似于1/f的关系[4-5]。
 
        疏浚管道输送介质在大多数情况下是具有一定固相浓度范围的液固两相流,因而其测量要求必然要求能够解决零点稳定性的同时并能有效抑制浆液噪声干扰。本研究从实船实验的角度对两种励磁方式的电磁流量计在输送清水和不同浓度的泥浆时测量数据进行对比,探索更适合疏浚泥浆测量的励磁方式。
 
2 对比实验方案
        实验在某耙吸挖泥船进行,该船为双车、双浆、双舵、双耙、单耙施工的挖泥船,可耙吸装舱、抽舱吹填和艏喷,适用于挖掘淤泥、砂质土、粘土、亚粘土、密实性砂质粘土和密实细砂等土质,仓容1000方。在管道上加装工频交流励磁流量计和低频矩形波流量计,密度传感器也安装于处于同一段管线。
 
        在某海域针对成分为淤泥、细粉沙、贝壳、中粗颗粒物、石头的复杂土质进行了两种励磁方式电磁流量计测量数据、仓容测量数据对比实验。现场比对实验具体方案为:根据密度表判断土质特性,在土质相对较均匀时施工基本处于稳定状态时,船上人员分别观察一定时间内工频交流电磁流量计累积流量,低频矩形波电磁流量计累积流量和仓容变化量,并对三者测量值进行比较。
 
3 实验数据及其分析
        表1为一定时间内实船实验测量的数据,其中仓容变化量为根据仓容表直接测量数据,视为基准值,在测量了工频交流励磁电磁流量计和低频矩形波励磁电磁流量计数据后并计算了测量误差。
电磁流量计测量数据及实际装舱增加量比对表
        从表1分析可以,在测量清水(流体密度值为1t/m3)流量时工频交流励磁电磁流量计和低频矩形波电磁流量计准确度都很高,其中工频交流电磁流量计**高误差为-0.30%,低频矩形波电磁流量计**高误差为+0.55%(见图3)。
清水测量实验误差对比图
        在测量混合物浓度时,采用工频交流励磁电磁流量计与低频矩形波励磁电磁流量计两套设备均能反应不同密度下液固两相流流量变化情况,但二者存在不同的偏差程度,具体表现为:工频交流励磁电磁流量计误差与泥浆密度值无关,误差始终保持在±1.5%以内。而低频矩形波励磁电磁流量计测量结果但随着泥浆密度上升其误差值越来越大,**高接近+18%(见图4)。
清水测量实验误差对比图
        在测量技术原理上,交流励磁方式在测量机理上能够较好的抑制浆液噪声,因而不管是测量清水还是泥浆都具有较高的精确度,而低频矩形波励磁方式在清水测量时结果较准确,但当泥浆密度上升到一定程度时泥浆中固体颗粒刮擦电极引起的噪声效应随着泥浆密度增加而不断加大。
 
4 结论
        电磁流量计相对比与其他类型流量及更适合于疏浚泥浆流量测量,特别是工频交流励磁电磁流量计有着诸多优点,激励源方便获取,测量信号信噪比高,并且能够有效抑制浆液噪声。从实船施工测试实验来看,工频交流励磁电磁流量计在测量泥浆流量时相比于低频矩形波电磁流量计精确度更高,噪声抑制性能更好,更适合于疏浚施工现场使用要求。