關于泥沙海水混合液體介質(zhì)中流量計的選用

疏浚船舶泥漿流量計是計算挖泥產(chǎn)量、指導施工操作的重要設備之一，所測流量數(shù)據(jù)為施工管理提供重要的決策依據(jù)。現(xiàn)階段疏浚船舶泥漿流量計多為接觸式電磁流量計，新型超聲波及聲吶陣列流量計應用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵等行業(yè)，應用于疏浚船舶的案例較少。疏浚船舶泥漿流量計測量介質(zhì)為固液兩相流，施工過程復雜多變，衡量泥漿流量計是否適用于疏浚船舶的*要因素為測量穩(wěn)定性，測量的穩(wěn)定性直接影響著施工效率；流量計的測量穩(wěn)定性與流量計的工作原理、安裝方式、使用壽命及測量介質(zhì)有著密切的關系。
將新型超聲波流量計、新型聲吶陣列流量計安裝在某絞吸船，測量介質(zhì)為貝殼泥沙海水混合液體；通過對絞吸船施工監(jiān)測來記錄新型流量計的流速數(shù)據(jù)，并與絞吸船現(xiàn)役的電磁流量計所測流速數(shù)據(jù)對比分析，通過對比可知新型流量計是否適用于疏浚船舶。
1、工作原理
1.1電磁流量計
電磁流量計的工作原理是基于法拉*電磁感應定律。在電磁流量計中，測量管內(nèi)的導電介質(zhì)相當于法拉*試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場。當有導電介質(zhì)流過時，則會產(chǎn)生感應電壓。管道內(nèi)部的兩個電極測量產(chǎn)生的感應電壓。測量管道通過不導電的內(nèi)襯（橡膠，特氟隆等）實現(xiàn)與流體和測量電極的電磁隔離，如圖所示。

1.2超聲波流量計

超聲波流量計是利用超聲脈沖在流體中傳播的速度與流體的速度有對應的關系，即順流時的超聲脈沖傳播速度比逆流時傳播的速度要快，順流與逆流兩種超聲脈沖傳播的時間差越大，則流量越大原理。如圖2所示流量計工作時，處在上游的換能器發(fā)射調(diào)制后的超聲波脈沖，為順流傳播，下游的換能器接收到脈沖后再返回一個相同調(diào)制脈沖，該脈沖逆流傳播到上游換能器，根據(jù)兩束脈沖的傳播距離、傳播時間可以計算出聲速、被測量介質(zhì)流速。新型超聲波流量計的改進之處即在于這個脈沖的抗干擾性，脈沖由一個已知低頻波形去調(diào)制固定高頻，這樣接收端可以進行波形比對，濾除常見的介質(zhì)噪聲；計算聲波傳輸時間時采取波形鑒相技術，提高了聲波傳輸時間的精確性，進而提高流量計的測量精度。

2、流量計應用測試

2.1測試條件

1）時間：2016年4月15日；

2）地點：廈門新機場；

3）船舶：新海豚絞吸船；

4）流量計型號：科隆電磁流量計、德國FLEXIM便攜式外夾超聲波流量計（4個探頭）、美國CIDRA抱箍式聲吶陣列波流量計；

5）流量計口徑：DN850；

6）安裝位置：排泥金屬主管道（如圖3依次為超聲波、聲吶陣列、電磁流量計）；

7）介質(zhì)：貝殼泥沙海水混合液體（施工穩(wěn)定階段濃度為30%）

2.2測試準備與開始

超聲波流量計的安裝對管道要求較高，安裝前需對管道的內(nèi)壁進行厚度測量，測厚過程中發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁厚薄不均勻，為了避免管道表面不平整導致探頭信號衰減，安裝探頭時在其表面涂抹較厚的耦合劑以此填補管道表面凹痕。為確保測試原始真實性，3種流量計儀表通電后，除基本參數(shù)外，其余優(yōu)化參數(shù)均不設置。

測試準備完成后，對絞吸船啟泵、停泵及施工穩(wěn)定階段流量計的應用情況進行測試，并記錄測試數(shù)據(jù)。

3、流量計測試數(shù)據(jù)及分析

3.1施工穩(wěn)定階段測試

對施工穩(wěn)定階段中3種流量計所測介質(zhì)流速數(shù)據(jù)記錄，截取其中一段數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖4所示。

對曲線中3種流量計所測介質(zhì)流速數(shù)據(jù)做比較分析，3種流量計所測流速之間關系為（系數(shù)為數(shù)據(jù)段的平均倍數(shù)）：

v超聲波=1.046v電磁

v聲吶=1.056v電磁

標準差是反映數(shù)據(jù)樣本內(nèi)個體間的離散型，流速的標準差可反映

3種流量計測量的穩(wěn)定性。

3種流量計所測流速數(shù)據(jù)的標準差分別為：

s電磁=0.54

s超聲波=0.51

s聲吶=0.47

由圖4及數(shù)據(jù)分析可知，因*1次測試，流量計儀表只進行初始參數(shù)設置，此次測試3種流量計流速波動都較大。根據(jù)測量情況，對3種流量計儀表參數(shù)進行優(yōu)化設置，優(yōu)化后再次進行測試，測試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

選取其中一段相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進一步分析可知（選取的樣本數(shù)與*1次測試相同）：
v超聲波=1.031v電磁
v聲吶=1.044v電磁
3種流量計所測流速數(shù)據(jù)的標準差為：
s電磁=0.42
s超聲波=0.41
s聲吶=0.35
綜上可知2次測試中3種流量計所測介質(zhì)流速之間關系為v聲吶>v超聲波>v電磁；*2次測試中3種流量計所測流速較*1次更加穩(wěn)定，且聲吶陣列流量計所測流速依然是*穩(wěn)定，超聲波流量計所測流速的穩(wěn)定性與泥漿流量計所測流速的穩(wěn)定性相當。
3.2啟動、停止測試
施工穩(wěn)定階段測試中用于分析的數(shù)據(jù)是截取流量穩(wěn)定后的一段，對于絞吸船泥泵啟動初期、停止時流量計所測流速數(shù)據(jù)沒有進行比較分析；為綜合分析施工各個階段流量計測量情況，將絞吸船泥泵啟動初期、停止時的流量計所測流速數(shù)據(jù)進行對比分析。截取測試中泥泵由停止再到啟動時的流量計所測流速數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6所示。
由圖6可知在泵停止階段，在流速下降階段聲吶陣列流量計相對有較大的波動，超聲波及泥漿流量計相對穩(wěn)定；小流速階段，聲吶陣列流量先無法測量到流速，后出現(xiàn)間歇的抖動；超聲波流量計和泥漿流量計所測流速相對平滑下降直到流速為0。在泵啟動初期，聲吶陣列流量計會有較大的波動，超聲波流量計和泥漿流量計上升相對穩(wěn)定平滑。
新型聲吶陣列流量計所測介質(zhì)流速在泵啟動階段雖然有較大的波動，但是能在短時間內(nèi)穩(wěn)定下來，因此波動不會對施工穩(wěn)定階段產(chǎn)生較大的影響。
4、流量計固有特性分析
1）安裝方式
泥漿流量計為接觸式安裝，需安裝在管道上，安裝時需拆卸管道；新型超聲波流量計和聲吶陣列流量計都為非接觸式安裝，只需對管路進行處理后外夾在管路上即可。
2）使用壽命
安裝方式很大程度上決定流量計的使用壽命；泥漿流量計是接觸式安裝，流量計受介質(zhì)流動而磨損，新型超聲波流量計和聲吶陣列流量計為非接觸式安裝，不受介質(zhì)流動影響，故新型超聲波流量計與聲吶陣列流量計的使用壽命比泥漿流量計使用壽命長。

5結語
通過對新型泥漿流量計測試含貝殼泥沙海水混合液體介質(zhì)并與現(xiàn)役電磁流量計對比可知，新型超聲波流量計、聲吶陣列流量計所測介質(zhì)流速大于現(xiàn)役電磁流量計所測介質(zhì)流速；在施工穩(wěn)定階段，新型聲吶陣列流量計流速測量具有更好的穩(wěn)定性，新型超聲波流量計與船舶現(xiàn)役電磁流量計流速測量穩(wěn)定性相當。綜合考慮泥漿流量計固有特性及測試結果，新型超聲波流量計與聲吶陣列流量計流速測量穩(wěn)定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。