灌浆自动记录仪中电磁流量计的正确选用和应用灌浆自动记录仪中电磁流量计的正确选用和应用
摘.. 要: 介绍灌浆自动记录仪中电磁流量计的测量原理、灌浆工程中正确选用的原则、现场合理安装及使用的方法, 同时也指出了小循环灌浆法的电磁流量计无法准确、真实检测小流量的缺陷及大循环灌浆法中电磁流量计选用的合理性。
关键词: 仪器仪表技术; 小循环灌浆法; 大循环灌浆法; 电磁流量计; 正确选用和应用
0.. 前言
灌浆自动记录仪中流量参数的测量主要是针对水泥浆液的测量。水泥浆液由于水灰比的不同会形成不稳定的悬浮液或稳定的浆液(指水离析) [ 1 ] , 同时水泥浆液的流变特性也随水灰比的不同而分别符合牛顿定律或宾汉定律, 流经流量计测量管时的流动状态则呈现层流或紊流状态。决定水泥浆液流态转变的参数是一个无量纲的雷诺数r e[ 2] , 管流的雷诺数为r e= ..vd .. = vd.. ( 1) 式中: ..是流体密度; v 是管流的平均速度; d 是管径; ..是黏性系数; ..是运动黏性系数。当r e> 2 320时流态就属于紊流, 当r e< 2 320 时流态就属于层流, 即临界雷诺数rec= 2 320。不同流动状态的水泥浆液流经流量计测量管时, 管内圆截面上会呈现不同的流速分布(见图1), 即: 层流的流速变化是抛物线分布, 在管中心轴上流速, 且雷诺数变化、流速分布形态不变; 紊流时, 流速分布在测量管内壁的近旁比层流流速大, 在中心部比层流时流速小, 且流速分布形态随雷诺数的变化而变化。图1.. 圆管层流和紊流的速度分布通常通过测量流速求流量的流量计, 面对不同流态的流体时都要考虑其流速分布及雷诺数变化的影响, 以确保测量的准确性。事实上无论何种流态的流体, 在流量计圆截面测量管内的流速分布总可以用一个对应的平均流速v来表征[ 3] , 即v = qf = ..f vdf f 式中: q 为体积流量; f 为测量管路的截面积。从上式可以看出, 只要检测出平均流速v, 再乘以圆管的截面积f, 即可得出流量q, 因此就没有必要去顾及流速分布的形态及其分布随雷诺数的变化问题。但是测量平均流速的前提必须是流量计测量管有足够长的直管段, 使管路中能形成中心部位具有流速的轴对称流速分布, 这种流速分布就能够以管子半径的函数来表示。电磁流量计就是基于测量平均流速v 的速度型体积流量计。无论水泥浆液在测量管道内的流动为层流或还是因雷诺数的变化而变为紊流, 其检测电极所产生的感应电动势与平均流速v 成正比。
1.. 电磁流量计原理
电磁流量计(以下简称emf)的基本原理是法拉第电磁感应定律, 即运动的导体在磁场中切割磁力线时在其两端会产生感应电动势。见图2, 在内径为d、内部磁场强度为b 的非导磁性测量管内, 具有导电性的被测介质液态以一定的速度流动时, 则在与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的
感应电势e, 其值为e = kb vd ( 2) 式中: e 为感应电动势, v; k 为系数; b 为磁感应强度, t; v为流体平均流速, m / s; d 为测量管内径, m。图2.. 电磁流量计检测原理液体的流量为qv = 14 ..d 2v ( 3) 由式( 2)和式( 3)可得e = 4kb ..d qv =k qv ( 4) 式中: k 为仪表常数, 由于传感器生产的离散性, 对同一标称口径的传感器要按k = 4kb /..d 予以修正。传感器的感应电势e 与流量qv 是线性的比例关系, 它只与磁感应强度b 和测量管内径d 有关, 而与其他物理参数的变化无关, 这是电磁流量计的。只要测出感应电势的大小, 就可计算出实际的流量。
2.. 电磁流量计的优点
emf的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管, 因不易阻塞故适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体, 如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。emf不会因检测流量而产生压力损失, 仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力, 节能, 对于要求低阻力损失的大管径供水管道适合。emf所测得的体积流量, 实际上不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率(只要在某阈值以上)变化明显的影响, 仅取决于流体的平均流速, 因此无论被测液体种类如何, 都可以用水进行实际流速的标定。与其他大部分流量仪表相比, emf 测量时对前置直管段的要求较低。emf测量范围度大, 通常为1..20~ 1..50, 可选流量范围宽, 满度值液体流速可在0..5 ~ 10m / s 内选定。某些型号的emf还可在现场根据需要扩大和缩小流量(例如设有4位数电位器设定仪表常数) , 而不必取下作离线实流标定。emf的口径范围从几mm 到3m, 比其他品种流量仪表要宽; 同时可测正反双向流量, 也可测脉动流量(只要脉动频率低于激磁频率很多) ; 仪表输出在本质上是线性的。
3.. 正确选用电磁流量计的要点
3..1.. 量程
灌浆记录仪投入使用时其性能参数必须和灌浆现场的灌浆机械设备相匹配, 由于现场灌浆泵的泵量多为6m3 /h( 100 l /m in ), 水泥浆液搅拌筒容积都为200 l, 所以进浆emf的量程也应选为100 l / m in。返浆emf 大部分时间都在大流量状态下工作, 但在钻孔吃浆量大的情况下可能会出现emf 检测小流量的情况, 这可以采用小口径emf提高流速来解决。
3..2.. 口径
灌浆工程中常用的浆液是水泥浆液。因此, 电磁流量计的测量管道不能太小以免堵塞, 一般直径应大于20mm。帷幕灌浆时的吸浆量一般在0~ 100 l /m in, 采用大循环灌浆方式时进、返浆流量计上相应的流量范围为30~ 100 l /m in, 从流量、流速与口径三者关系曲线图可知流量计的口径以选择dn25比较合适。dn25 的流量测量范围是14..72 ~ 323..81 l / m in, 当流量在30~ 100 l /m in 范围时, 其流速在1..2~ 3..395m / s之间, 比较合适; 同时dn25和现场灌浆管道的口径一致, 配套安装时不需要变径, 这极大地方便了用户。
3..3.. 流速
emf流速选取的通用原理是: 实际可测量范围为0..1~ 10m / s, 量程上限范围为0..5 ~ 10m / s, 推荐使用范围为1~ 5m / s。而在灌浆现场emf的选择主要取决于水泥浆液在emf测量管内的流速的作用机理: 由于水泥浆液中带有水泥固体颗粒, 考虑到对emf衬里和电极的磨损, 选用流速小于或等于3m / s; 另一方面水泥浆液又具有易黏附、沉淀、结垢的特性, emf 测量管内的流速应不低于2..5m / s, 在3~ 4m / s, 以起到对电极和内衬的自清扫作用。综合考虑后emf测量管内的流速可选用2..8m / s, 此流速对应的流量应该是实际灌注浓浆时灌浆泵能输出的有效泵量, 一般为80 l /m in, 满度流量100 l /m in对应的流速为3..5m / s, 选用dn25的emf的满量程流速为3..395m / s。
3..4.. 精度
emf的测量精度通常都是用允许的引用误差(允许误差)间接表示的[ 4] , 其表达式为.... .. i..- q .. if .. 99% 式中: i..为emf的指标值; q 为实际流量; if 为满量程值; ..在理论上是用引用误差中的一个表示, 而实际上都是采用一个规范的约定值来表示, 如0..5%, 1%等。引用误差去掉百分号(% )后即为emf 的精度等级。由于允许误差与emf 各测量点具体的指标值无关, 可以准确的表征各种emf测量的精确程序, 因此是emf最主要的质量指标之一。由于emf量程较宽, 实际应用时其允许误差通常是分区间表示的, 如光华.. 爱而美特仪器有限公司的k300一体化emf的表示方法为: 在满量程的20% ~ 99%流量范围内, 测量值的允许误差为测量值的.. 1%; 在满量程的0% ~ 20% 流量范围内, 测量值的允许误差为量程上限值的.. 0..2%。流量计厂家在出厂检验证书中都把实测的几个流量点的原始数据以表1方式给出, 从中可见实测的引用误差都远远小于允许误差。表1 的emf量程为6m3 /h( 100 l /m in), 输出电流为4~ 20ma; 且在满量程值50% 以上的测量点精度较高, 而在满量程值1 /3以下测量点精度低。表1.. 几个流量点的实测原始数据表序号输出信号/ma 实测流量/( m3.. h- 1 ) 理论流量/( m3.. h- 1 ) 误差( 引用) /% 1 19.. 55 5.. 831 5..826 0..08 2 16.. 42 4.. 658 4..647 0..18 3 12.. 28 3.. 105 3..089 0..27 4 8..33 1.. 699 1..673 0..43 5 3..99 .. .. ..
4.. 正确使用智能电磁流量计的要点
4..1.. 使用时应注意的一般事项
emf的使用环境一定要远离强电磁用电设备, 如电焊机、大功率电机和变压器等, 以免引起电磁场干扰。尤其是不能和这些设备就近共电, 若在emf附近使用电焊机或和电焊机共电, 其危害是的。几乎所有的emf说明书都要求emf和其相连接的管道一起要有良好的接地, 但在灌浆现场尤其是灌浆廊道中, 强用电设备堆积在一起, 电磁场