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電磁流量計

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電磁流量計在疏浚管道流速测量中的误差及修正

來源:作者:发表时间:2021-12-29 09:00:47

       当前普遍使用的電磁流量計虽然利用了电磁现象,但仅仅获得相应的感应电动势,无法确定时变的磁场强度。由于实际管道中,截面含率可以由射线源密度计测量,射线源密度计与電磁流量計相距很近(如图 3 所示),因此,可近似认为测量的是同一对象;从进一步减小误差角度出发,测得的含率与流速位置差异也可以通过電磁流量計测得平均流速修正,即根据平均流速将测得的含率序列向后平移一定单位。本研究将用射线源密度计测得的含率及其变化率作为输入变量,提高電磁流量計的测速精度。

疏浚工程中管道测量示意图
       在使用法拉第电磁感应定律测速时,为了实时估计变化的B值,根据Maxwell方程,B 服从以下本构方程:
Maxwell方程
       这里: u是磁导率,H 为磁场强度,这里已经设磁感应强度与磁场强度满足线性关系;20211229090827.jpg表示帶電流體産生洛倫茲力引起的磁場電場, 20211229090831.jpg表示歐姆電流對于磁場的貢獻,爲此必須量測和計算公式(3)右邊兩項的值才能准確地確定磁場強度;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的,而液相包含的電荷量又是由于截面含率及其變化引起的,具體分析如下:
 
       1)任何一个截面的电荷完全包含于液相中,虽然液相与固相是混杂在一起形成混合液,无论液相与固相是否可分根据电荷守恒定律,产生的磁场满足下面关系:
0211229090528.jpg
       这里, B1为感生电动势产生的磁感应强度,r为截面固相含率;K1为B1与r之间的比例系数需要预先测试后标定。
 
       2)任何一个截面的电荷完全包含于液相中,含率的变化意味着电场的变化从而导致变化的电场产生附加的磁场,本质上对应的是动生电动势的变化满足下面关系:
20211229090533.jpg
       这里:B2为动生电动势产生的磁感应强度,▲r为截面固相含率的变化率;K2为B2与▲r的比例系数,需要预先测试后标定。最后得到最终磁感应强度 的值为:
20211229090538.jpg
 
       这里:B0 为励磁线圈产生的磁感应强度。将求出的B代人公式(1)则流速可以进一步准确确定。注意到在已有的電磁流量計磁场计算时,假定B1是不变的,但是这不符合疏浚管道中的实际情况。
 
       因此,利用射线源密度计或者船上的实际测量装置等测量出含率r及其变化率▲r ,在线估计出瞬时流场中实际存在的时变磁感应强度B并作为(3)的输入变量,结合实 际测得的感应电动势E ,能够有效、准确地计算出时变的磁感应强度进而准确计算出瞬时流速,克服当前電磁流量計只能使用一 个事先标定的先验的磁场强度导致流速计算的误差。上述方法的实现步骤和实现过程如图表格 1 和图 4 所示。
精确的流速测量方案时变电磁场的流速计算方法
4. 实验分析
       测试是在黄骅港“神浚 7 号”船上实施;使用了历史数据和实际施工数据作为参考比对。实际疏浚船上虽然有電磁流量計和射线源密度计,但是没有其它客观可以比较的实时流速数据,因此凯发登录入口分别采用漂浮物标定法和水下泵输出功率变动法两种方式作 为流速检验的客观标准,检验本研究所提出方法的有效性和准确性;其中水下泵输出功率与流速有紧密的正相关性。
 
       在试验过程中已经确保挖泥船在淤泥或细粉沙土土质的施工条件下进行,同时,必须使管内泥浆浓度在合理的值范围,即在一个较宽的流速范围内工作而不至于形成段塞流甚至管道堵塞等极端情况,因此需要把水下泥泵真空压力设置在一个合理的区间范围;在本试验过程中,根据船上的压力历史数据,设置真空压力值范围为[0.5MPa, 12MPa]范围内。
 
具體試驗步驟如下: 
       1) 不断近似等间距地增加舱内泵的输出功率从而改变流速; 
       2) 在每个固定的输出功率下让系统稳定工作一段时间后,通过调整绞刀的挖深得 到依次递增的泥浆浓度并记录泥浆的瞬时浓度;
       3) 每个固定的输出功率下从管口放入标志物并记录其放入时间以及到达管口的时间,从而得到漂浮物的度越时间;在本实验中输送管径的长度为 5000m, 因此得到的平均流速的相对误差较小具有客观性。 
 
       图 5 显示電磁流量計测量的瞬时流速(标记为红色,并记为 “方法 1”)近乎平缓;由于输出功率的增加幅度并不足够大,使得電磁流量計本身的输出不能反映出整个舱内泵输出功率导致的实际流速的增加;而且由于整体含率逐渐增加,输出流速甚至有下降趋势;这与实际工况和经验不符,因为含率的增加不可能根本改变流速的变化趋势.而使用本文提出的方法计算得到的流速(标记为蓝色,并记为 “方法 2”)有明显上升趋势,并在舱内泵输出功率稳定时趋于平稳;与舱内泵的输出功率基本一致。
電磁流量計两种方法对比
       表格2进一步比较了電磁流量計按照三种方法计算的平均流速,其中的浓度数据使用射线源密度计得到;考虑到船上上游射线源密度计与下游電磁流量計相距 1.5m, 因此,本研究将射线源密度计的浓度测量值序列向后移动了一定长度,这里移动的长度是根据标示物的平均流速值除 1.5m 后得到的。
不同方法计算的流速比较
       说明:“平均流速”是指由電磁流量計输出流速的平均值;“修正流速”是指用本研究提出的方法计算的流速的平均值;“客观流速”是指通过标示物测得的流速平均值;表格中“*/*”分别对应“(電磁流量計)流速/相对误差”。
 
       表格 2 显示,相比于标示物测得的客观流速,本研究方法计算的平均流速明显更加接近和一致。按照相对误差标准,在整个流速测量过程中,流速越高本文提出方法的相 应测量误差越小,从 10.30%降低到 7.23%; 而仅仅依赖于已有電磁流量計所测量的流速,不仅误差更大而且随着流速和浓度的增 大而增大,从 12.30% 增大到 17.28%。上述结果表明,本文提出的流速计算方法更加合理和客观。
 
5.結束語
       当前的電磁流量計研究多聚焦在低电导率流体介质、非满管状态、节能型電磁流量計以及系统结构和工艺等问题上,对磁场测量和分布的研究目前开展的很少。本文从分析磁场产生的机理出发,以船上现有测量设备输出参数为基础,提出一个新的流速精确测量改进方案,以期对于工程问题产生实 际的指导意义。
 
       然而,本文的测量方法仍然有很大的提升空间,这是因为電磁流量計在流场中测量实际上是一个复杂的多因素相互作用问题,涉及到电场与磁场的耦合、复杂流形和不同测量对象(如土质等)下差异等,因此,一个有效的计算方法还必须考虑这些因素的影响,探索更加准确的流速计算公式。
 
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《電力系統及其自動化學報》網絡很好論文
题目: 電磁流量計在疏浚管道流速测量中的误差及修正
作者: 陳定,羅剛,趙春峰,嶽士弘,李坤
DOI: 10.19635/j.cnki.csu-epsa.000915
收稿日期: 2021-11-20
网络很好日期: 2021-12-28
引用格式: 陳定,羅剛,趙春峰,嶽士弘,李坤.電磁流量計在疏浚管道流速测量中的
誤差及修正[J/OL].電力系統及其自動化學報.
 
陳定 1,羅剛 1,趙春峰 1,嶽士弘 2,李 坤 2
1.中國交建天津航道局有限公司,天津 300457
2.天津大學電氣自動化與信息工程學院,天津 300072