摘要:爲解(jie)決當前疏浚船上(shang)電磁流量計 測速(sù)過程中假設磁場(chang)均勻及無法實時(shí)标定的問題,本文(wen)提出-種新的磁場(chǎng)強度計算方法以(yǐ)克服應用過😘程中(zhōng)由上述假定所帶(dai)來的局限性。該方(fāng)法使用船上射線(xiàn)源密度計測得的(de)含率及其變化率(lǜ),分别作爲計㊙️算電(dian)磁流量計磁場變(bian)化的輸人變量，從(cong)而得到計算時變(bian)電磁場的磁場強(qiang)度的兩部分，據此(cǐ)對電磁流量計的(de)測量流速進行修(xiu)正。通過疏浚⭕工程(cheng)中實⭐際測試,流速(su)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(kě)應用範圍提供了(le)實踐基礎。
　　電磁流(liu)量計是一種普遍(bian)使用的管道測量(liang)儀表，不僅能提供(gong)❄️流速測量參數而(ér)且能夠提供産量(liàng)的輸出結果。目🏃前(qián),電磁流🔞量計在我(wǒ)國疏浚行業的流(liu)速測量中已經廣(guang)泛應用叫。電磁流(liu)量計與其他流量(liàng)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(ce)量儀器🌈相比具有(yǒu)以下優勢。
(1) 壓力損(sun)失小。傳感器構造(zao)簡單可靠,不會破(po)壞流場從而📞不會(huì)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(wèi)襯裏，避免了磨損(sǔn)🐇、阻塞等情況的🌐發(fa)生,極大減少運行(hang)功耗。
(2) 耐腐蝕性。由(yóu)于測量管内壁的(de)襯裏使用絕緣材(cái)料💞并且測量電極(ji)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(yǐng)響。管道内流體的(de)流體參數👨‍❤️‍👨多達㊙️幾(ji)十個♌,對應不同的(de)流形分布和流動(dòng)狀态。電🏃🏻磁流量計(jì)在測量過☔程中受(shòu)這些流動狀态和(he)測量條件影響很(hen)小，能穩定地對流(liú)體的體積濃度和(he)流速進行測☔量,而(er)且其标定也很簡(jian)單,隻需在測量管(guan)道中注人固相對(dui)應的液相物質即(ji)可進行标定。
(4)量程(cheng)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(dà)達到3m,而最🆚小可到(dao)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(xing)的。電磁流量計所(suo)測量參數與法拉(la)🚶‍♀️第電🏒磁感應定律(lü)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(zài)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(fāng)向🔞的流量。
(6)适應性(xing)強。電場流量計的(de)測量輸出實際上(shang)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(liàng)值的輸出不涉及(jí)流體的動力慣性(xìng),響應靈敏可測瞬(shun)時流量。
然而，當前(qian)基于法拉第電磁(cí)感應定律的電磁(ci)流量計測量隻依(yī)賴一對測量電極(ji)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(tiao)件”。
(1)磁感應強度沿(yán)着管道的軸線方(fang)向必須是均勻的(de),而且被測流💃🏻體在(zai)傳感器對應的每(měi)個橫截面上電荷(he)量也基本相等，從(cong)🌈而保證流速爲随(suí)着感應電動✔️勢變(biàn)化的唯一變量,可(ke)通過基本關系方(fāng)程求解得💔到.
(2)被測(ce)流體的流型和流(liu)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(wěn)定和近似不變的(de)，所以測量傳感器(qi)的前端須有一-定(ding)長度🌈的直管🙇🏻道;反(fǎn)之,若是前端存在(zai)着彎管或者管道(dao)縮進,則必然導緻(zhì)測量👈結果産生不(bú)同程度偏差。
(3)由于(yu)僅僅依靠-對電極(jí)作爲傳感器進行(háng)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(ji),當截面分🔴布嚴🌏重(zhong)不均勻時,這種影(yǐng)響無法忽略🔞不計(ji)。
　　因此,實際應用中(zhong)上述測量條件很(hen)難滿足。多年來，很(hěn)多研究針對上述(shu)問題提出解決方(fang)案。實驗證明在電(dian)😍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(yīn)此要提高流🏃‍♀️測量(liàng)速精度必須正确(que)地計算磁場強度(dù),同時還必須‼️考慮(lǜ)其他🤩場域外不确(que)定因素的影🚶響。進(jin)一步研👄究了電磁(cí)流量計的磁場測(ce)量精度與提高🔞電(dian)磁流量計測量正(zhèng)确率的關系,爲更(geng)❗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(cong)數據層❄️面驗證原(yuan)先磁場設🙇🏻計的各(gè)個參數是👄否合理(li),包括磁轭和極靴(xuē)的大小和現狀等(děng),分析了各部分對(dui)磁場的影響及新(xin)的設計思路,爲研(yán)究穩定的電磁流(liú)量計提供了經驗(yan)。介紹了一種㊙️能夠(gou)檢測電導率更低(dī)流體介質的電磁(ci)流量計,其設計原(yuán)理是利用不同頻(pin)率下的交流勵🔞磁(cí)線圈提高濾波去(qu)噪過程中正确率(lǜ)和效率,利用不同(tong)頻率下信息之間(jiān)的互補性實現對(dui)🔴，應随機噪聲的有(you)效抑制,從而能夠(gou)對管道内電導率(lü)更低的🐪流動對象(xiang)進行檢測和識别(bié)。進一步研究了低(di)🈲電導率流體的🐉測(ce)量和穩定性問題(ti),提出了改變電磁(cí)流量計轉換電路(lu)的新🈚設計方案。從(cóng)電路的選通、濾波(bō)、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(shū)浚作業工程中電(dian)場流量計測量條(tiao)件更加複雜♈,由于(yú)管道内固相含率(lü)是變化的，因此管(guǎn)道内🌈每個截面含(han)有的流🤩體的電導(dao)率也是快變的，這(zhe)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(liàng)的基💘本要求,如果(guǒ)使用法拉第電磁(cí)感應定律進行計(jì)算必然産生💜誤差(cha)。
　　本文面向疏浚工(gong)程的具體應用條(tiao)件,使用電磁流量(liàng)計和🏃🏻‍♂️船上射線源(yuán)密度計進行組合(hé)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(suàn)不正确的問題。
1電(diàn)磁流量計測量原(yuán)理
　　電磁流量計的(de)測量服從法拉第(di)電磁感應定律吧(ba)，其中切割磁力線(xian)的流體爲具有一(yi)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(dào)内産生基本均勻(yún)的磁場,帶有一定(ding)導電性流體的流(liu)動方向垂直于磁(ci)場方向,從而在管(guan)内做切割磁力線(xian)運動并産生感應(yīng)電動勢。在管道兩(liang)端測量的電極連(lián)接閉合回路,對應(yīng)🈲測量感應😄電動勢(shi)可❌以測得。當磁.感(gǎn)應強度大小一定(ding)時,感應電動勢與(yǔ)流量成正比，電動(dòng)勢方向🥰可按判斷(duan)磁場♻️方向的右手(shǒu)規則進🎯行判斷,其(qi)計算表達式爲🐪
 
　　式(shi)中:E爲感應電動勢(shì);k爲标定參數;B0爲勵(li)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(liu)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(zhī)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(shi)，感應電動勢E與流(liu)體瞬時體積流量(liàng)Q成正比。然而，這種(zhong)正比關系的成立(lì)依賴于下列前提(ti)條件。
(1)不僅由勵磁(ci)線圈産生的磁感(gan)應強度B0必須基本(ben)保持☀️不變,而且傳(chuan)感器對應每個橫(héng)截面上流體包含(han)的電荷量基本不(bu)變以保持磁場穩(wěn)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(jì)算得🌂到的流體流(liú)速産生不可預期(qi)🈲的偏差。
(2)被測流體(ti)基本是沿着軸向(xiang)流動與磁力線做(zuo)切割垂直💰運動，反(fan)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(ji)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(ti)磁性與工作磁場(chǎng)之間相互作用産(chan)👨‍❤️‍👨生的影響。在疏浚(xun)工程中流體是由(yóu)基本不☔包含電🌍荷(hé)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(yīng)影響很🚩小外，其他(ta)假💃設是很難成立(li)的。事實上，與磁場(chǎng)耦合❗的流場是受(shòu)工況限制而非上(shàng)述理想狀況，具體(ti)限制如下。
(1)在疏浚(xùn)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(nei)🤞變🎯化[13],而每個截面(mian)上含率不同，這意(yì)味着任何🤞一個截(jie)面的電場是快速(sù)變化的。根據Maxwell方程(chéng)，變化的磁場必然(ran)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(jun)❤️勻，但是管壁處流(liu)速梯度較大。圖2(a)爲(wèi)理想流速分🐪布，當(dang)雷諾數較小時弧(hú)度較大[14],對應流速(su)差别也大。但♋由于(yu)現場管道安裝複(fu)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(bu)❌同位置流速差異(yi)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(liú)速很難正确測得(de)。
 
　　爲了确保測量結(jie)果更接近實際流(liu)速，在實際疏浚🌈工(gong)❗程♈測量中，主要采(cai)用對測量流速進(jìn)行示蹤物标定和(hé)不同工況下多次(ci)标定的方法15]。示蹤(zōng)物标定比較好理(li)解，隻需要在一定(dìng)長度管道的入口(kǒu)與出口放入示蹤(zong)物，記錄其🌍度越時(shí)間後就可以計算(suan)出平👣均流速。多點(diǎn)标定是在多種工(gong)況分類标定。但是(shì)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(dian)磁流量計雖然利(li)用了電磁現象，但(dàn)僅僅獲得相應的(de)感應電動勢，無法(fa)确定時變的磁🔞場(chang)強❄️度。由于實際管(guǎn)道中截面含率可(ke)以由射線源密🔴度(dù)計測量，射線源密(mi)度計與電磁流量(liàng)計相🈚距很近(如圖(tu)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(fā)，測得的含率與流(liú)速位置差異也可(ke)以通過電磁流量(liàng)計測得平均流速(su)修正，即根據平均(jun1)流速将測得的含(hán)率序列向後平✊移(yi)-定單位。本文用射(shè)線源密度計測得(dé)的含率及其變化(huà)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(gǎn)應定律測速時，爲(wèi)了實時估計變化(huà)的B值，根據Maxwell方程，B服(fú)從以下本構方程(chéng):
 
　　式中:▽爲二階微分(fèn)算子;μ爲磁導率;H爲(wei)磁場強度，這裏假(jia)設磁😍感應強度與(yu)磁場強度滿足線(xiàn)性關系;σ(vxB)表示帶電(diàn)流體産生洛倫☂️茲(zī)力🌈引起的磁場電(diàn)場;σE表示歐姆電流(liu)對于磁場的貢獻(xian)。爲此🈲，必須量測和(he)計算式(3)右邊兩項(xiàng)💁的值才能正确地(dì)确定磁場強👌度。在(zài)疏浚管道測量中(zhong),任何截面的電場(chǎng)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(liang)又是由于截面含(han)率及其變化引起(qǐ)，具體分析如下。
(1)任(ren)何一個截面的電(diàn)荷完全包含于液(ye)相中，雖然液相與(yu)🌈固🈚相是👄混雜在-起(qi)形成混合液，無論(lùn)液相與固相是否(fou)可分，根據電荷守(shou)恒定律産生的磁(ci)場應滿足
 
　　式中:B1爲(wèi)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(wei)⛷️B1與v之間的比例系(xi)數,需要預先測試(shi)後标定。
(2)任何一個(gè)截面的電荷完全(quán)包含于液相中，含(han)率的㊙️變化意味㊙️着(zhe)電場的變化，從而(ér)導緻變化的電場(chang)産🍉生附加的磁場(chǎng)，本質上對應的是(shi)動生電動勢的變(biàn)化，其應滿足.
 
　　式中(zhong):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(lü)的🔅變化率;k2爲B2與△y的(de)比例系數,需要預(yu)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(wèi)勵磁線圈産生的(de)磁感應強度。将B代(dài)入式(1)，則流速可以(yi)進-步正确确定。在(zài)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(guan)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(děng)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(shí)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(jié)合實際測得的感(gan)應電動勢E，能夠有(you)效、正确地計算🌈出(chu)時變的磁感應強(qiang)度進而正确計算(suan)出📧瞬時流速，克服(fú)當前電磁🈚流量計(jì)隻能使用1個事先(xian)标定的先驗磁🏃場(chang)強度導緻流速計(ji)算的誤差♌。上述方(fāng)法的實現步驟和(hé)實現過程如圖4和(hé)表1所示。
 
3實驗分析(xi)
　　測試是在黃骅港(gǎng)'“神浚7号”船上實施(shī)，使用了曆史數據(jù)和實際施工數據(ju)作爲參考比對。實(shí)際疏浚船.上雖然(rán)有電🌍磁流量計和(he)射線源密度計，但(dàn)是沒有其🌈他客觀(guān)🌐可以比較的實時(shi)流速數據，因此分(fèn)别采用漂浮物标(biao)定法和水下泵輸(shu)出功率變動法兩(liang)種方式作爲流速(su)檢驗的客觀🔴标準(zhun)，驗證本文所提出(chu)方✏️法的有效性和(hé)正确性，其中水下(xià)泵輸出功率與流(liu)🙇🏻速有緊密的正相(xiàng)關性。
　　在實驗過程(chéng)中已經确保挖泥(ni)船在淤泥或細粉(fěn)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(zuo)而不至于形💔成段(duàn)塞流甚至管道堵(du)塞等極端情🔅況，因(yīn)此需要把水下泥(ni)泵真空壓力設置(zhì)㊙️在合理範圍。在實(shí)驗過程中，根據船(chuan)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(lü)下，讓系統穩定工(gong)作一段時間後，通(tōng)過調整絞刀的挖(wā)深得到依次遞增(zēng)的泥漿濃度并記(jì)錄泥漿的瞬時濃(nóng)度。
步驟3在每個固(gu)定的輸出功率下(xià)，從管口放入标志(zhì)物并記錄其放入(rù)時間及到達管口(kǒu)的時間，從而得到(dao)漂浮物的度越時(shi)間。實驗中輸送管(guǎn)徑的長度爲5000m,因此(ci)得到的平均流速(sù)的相對誤差較♉小(xiǎo)，具有客觀性。
　　圖5顯(xian)示電磁流量計測(ce)量的瞬時流速(對(duì)應方法1)近乎平緩(huǎn)，由🧑🏾‍🤝‍🧑🏼于輸出功率的(de)增加幅度并不足(zú)夠大，使得電磁流(liu)量計本身的輸🆚出(chū)不能反映出整個(ge)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(yàn)不符,因爲含率的(de)增🔱加不可能根本(běn)改變流速的變化(huà)趨勢，而使用本文(wen)方法計👌算得到的(de)流速(對應方法2)有(yǒu)明顯上升趨勢，并(bìng)在艙内泵🌈輸🧑🏽‍🤝‍🧑🏻出功(gōng)率穩定時趨👅于平(ping)穩，與艙内泵的輸(shū)出功率基本一緻(zhì)。
 
　　表(biao)2進一步比較了電(dian)磁流:星計按照3種(zhǒng)方法計算的平均(jun)流速。其中，平均流(liú)速是指由電磁流(liu)量計輸出💃🏻流速的(de)平均值;修正流速(sù)是指用本研究提(ti)出的方法計算的(de)流速的平均值;客(ke)觀流速是指通過(guò)标示物測得的流(liu)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(you)射線源密度計與(yu)🔞下遊電磁流🈲量㊙️計(ji)相距1.5m,因此将射線(xian)源密度計的濃度(dù)測量值序列向後(hòu)移動一定長度，該(gai)移動長度根據标(biāo)示物的平均流速(su)值除1.5m後得到。
 
　　由表(biao)2可知，相比于标示(shì)物測得的客觀流(liu)速，本文方法🏃計算(suan)的平均流速明顯(xiǎn)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(yuè)高相應測量誤差(chà)越小，本文方法的(de)🈲相對誤差從12.15%降低(di)到7.23%。而僅僅依‼️賴于(yu)已有電磁流量計(ji)所測量💃🏻的流速，不(bu)👅僅相對誤差更大(da)，而且随着流速和(he)濃度的增大而🔴增(zeng)大，相對誤差從12.15%增(zēng)大到17.28%。.上述結果表(biao)明，本文提出的流(liú)速計算方法更加(jia)合理和客觀。
4結語(yǔ)
　　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(zhuang)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(chan)生的機理出發，以(yǐ)船上現有測量設(shè)備輸出參數爲基(jī)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(yóu)于電磁流量計在(zai)流場中測量是一(yī)個複雜的、多因素(su)相互作用問題，涉(she)及電場與磁場🍉的(de)🐉耦台、複雜流形和(hé)不同測量對象(如(ru)🚶‍♀️土質等)下差💯異等(deng)，如何減小誤差還(hái)必須考🏃🏻‍♂️慮這些因(yin)素的♻️影響。今後可(ke)繼續研宄更加正(zhèng)确的流速計算公(gōng)式。

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