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電磁流量計在疏浚管道流速測量中的誤差及修正

來源:作者:發表時間:2021-12-29 09:00:47

       當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一對象;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一定單位。本研究將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。

疏浚工程中管道測量示意圖
       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:
Maxwell方程
       這里: u是磁導率,H 為磁場強度,這里已經設磁感應強度與磁場強度滿足線性關系;20211229090827.jpg表示帶電流體產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,為此必須量測和計算公式(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一起形成混合液,無論液相與固相是否可分根據電荷守恒定律,產生的磁場滿足下面關系:
0211229090528.jpg
       這里, B1為感生電動勢產生的磁感應強度,r為截面固相含率;K1為B1與r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滿足下面關系:
20211229090533.jpg
       這里:B2為動生電動勢產生的磁感應強度,▲r為截面固相含率的變化率;K2為B2與▲r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 的值為:
20211229090538.jpg
 
       這里:B0 為勵磁線圈產生的磁感應強度。將求出的B代人公式(1)則流速可以進一步準確確定。注意到在已有的電磁流量計磁場計算時,假定B1是不變的,但是這不符合疏浚管道中的實際情況。
 
       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r及其變化率▲r ,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(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一 個事先標定的先驗的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表格 1 和圖 4 所示。
精確的流速測量方案時變電磁場的流速計算方法
4. 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,但是沒有其它客觀可以比較的實時流速數據,因此我們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,檢驗本研究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。
 
       在試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的值范圍,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一個合理的區間范圍;在本試驗過程中,根據船上的壓力歷史數據,設置真空壓力值范圍為[0.5MPa, 12MPa]范圍內。
 
具體試驗步驟如下: 
       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; 
       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;
       3) 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以及到達管口的時間,從而得到漂浮物的度越時間;在本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(標記為紅色,并記為 “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.而使用本文提出的方法計算得到的流速(標記為藍色,并記為 “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
       表格2進一步比較了電磁流量計按照三種方法計算的平均流速,其中的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,本研究將射線源密度計的濃度測量值序列向后移動了一定長度,這里移動的長度是根據標示物的平均流速值除 1.5m 后得到的。
不同方法計算的流速比較
       說明:“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;表格中“*/*”分別對應“(電磁流量計)流速/相對誤差”。
 
       表格 2 顯示,相比于標示物測得的客觀流速,本研究方法計算的平均流速明顯更加接近和一致。按照相對誤差標準,在整個流速測量過程中,流速越高本文提出方法的相 應測量誤差越小,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,不僅誤差更大而且隨著流速和濃度的增 大而增大,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。
 
5.結束語
       當前的電磁流量計研究多聚焦在低電導率流體介質、非滿管狀態、節能型電磁流量計以及系統結構和工藝等問題上,對磁場測量和分布的研究目前開展的很少。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。
 
       然而,本文的測量方法仍然有很大的提升空間,這是因為電磁流量計在流場中測量實際上是一個復雜的多因素相互作用問題,涉及到電場與磁場的耦合、復雜流形和不同測量對象(如土質等)下差異等,因此,一個有效的計算方法還必須考慮這些因素的影響,探索更加準確的流速計算公式。
 
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《電力系統及其自動化學報》網絡很好論文
題目: 電磁流量計在疏浚管道流速測量中的誤差及修正
作者: 陳定,羅剛,趙春峰,岳士弘,李坤
DOI: 10.19635/j.cnki.csu-epsa.000915
收稿日期: 2021-11-20
網絡很好日期: 2021-12-28
引用格式: 陳定,羅剛,趙春峰,岳士弘,李坤.電磁流量計在疏浚管道流速測量中的
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,岳士弘 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

 

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