電磁流量計在灌漿工程中的研究與應用

摘要:歸納了灌漿工程對流量儀表的要求和電磁流量計的適應性;闡述了灌漿過程的主要工藝,如壓水試驗,灌漿等對流量儀表的要求;提示應用中需注意的事項,如操作工藝的影響,流量計測量管內附漿量的影響,介質中氣泡的影響以及潮濕和高灰塵的環境引起的故障等。

關鍵詞:電磁流量計;灌漿工程;流量儀表

0..引言

目前我國在建的大中型水電站有幾十個,正處在一個水利水電建設的新高潮,灌漿技術是水電建筑物地基處理常用的和重要的工程措施[1],水泥的灌漿量非常大,例如貴州省構皮灘水電站帷幕灌漿323 km,固結灌漿418..9 km,回填灌漿135..4 km2,綜合考慮行業的特殊性以及不同對象儀表在使用、維護和施工工藝的具體要求及正確選用,這是保證施工質量和儀表本體正確安全運行極其重要的工作內容,對日后的實際工作將帶來很大的好處。灌漿行業施工工藝中的漿液和水的流量測量非常重要,特別是所使用的液體流量檢測儀表,與一般企業有所不同,有其特殊要求,例如要便于頻繁清洗和承受高速漿液中顆粒的摩擦和惡劣環境等[2],具體如下:

(1)傳感器測量回路簡單,沒有阻流件和容易滯流介質的部位;

(2)與介質接觸部件材料能承受水泥漿液中固相顆粒在高流速時的摩擦力與化學漿液的腐蝕作用;

(3)具有快速的響應性能和較高的測量精度;

(3)能適應現場高溫、潮濕、高灰塵的惡劣施工環境。在眾多液體流量儀器產品中,電磁EMF具有測量不受流體溫度、壓力、密度、黏度的影響、電磁流量計內部直通光滑、直接進行電測量,響應速度快、檢測部無運動部件,不會發生滴漏現象、計量精度高、內襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷,具有很強的抗腐蝕性等優點[3],近年來已成為灌漿工程流量測量的儀器。

1..工作原理

智能電磁流量計(以下簡稱EMF)的工作原理(見圖1)是基于法拉第電磁感應定律[3]。被測介質垂直于磁力線方向流動,因而與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生一感應電動勢E E=BDv(1)式中:E為電動勢,V;B為磁感應強度,T;D為測量管內徑,m;v為被測介質的平均流速,m/s.被測介質的體積流量Q為Q=..D2 4 v(2)式中Q為被測介質的流量,m3/s.圖1..電磁流量計檢測原理由式(1)和式(2)可得:E=4kB..D Q(3)由此可見,感應電動勢E與被測介質流量Q成正比。與磁感應強度B和測量內徑D有關,而與其他物理參數的變化無關。測量系統的變送器輸出E是一個微弱的交變信號,其中包含各種干擾成分,且信號內阻變化高達幾萬..,因此要

求轉換器是一個高輸入阻抗,且能抑制各種干擾成分的交流mV轉換器。將感應電動勢轉換成4~20 mA的統一信號。轉換器有高輸入阻抗差動放大器、主放大器、正交干擾抑制器、相敏檢波器、直流放大器、霍爾乘法器等組成,最后輸出信號電流為I 0=K..Q(4)式中:I 0為輸出信號電流;K為儀表常數。

2..灌漿工程中EMF的使用

圖2所示是灌漿過程的主要工藝流程[1],為在施工中進行有效的控制,需對施工過程中的水和水泥漿液進行計量和控制。圖2..灌漿過程的主要工藝流程鉆孔、洗孔:灌漿施工首先要在巖層中自上而下分段進行鉆孔,待單孔終孔,用大量清水洗孔,至回水變清,無流量測量點,故不展開討論。簡易壓水試驗:洗孔結束,下孔口管,密封孔口,以設計要求的壓力向孔內送水,測定其相應的流量值,并據此計算巖體的透水率。計算結果關系到巖體滲透特性的評價以及灌漿成果資料整理。這一測量點是十分重要和敏感的,準確是首要指標,水有一定的電導率,滿足EMF的測量要求,需要重點考慮的是EMF的口徑,因為壓水試驗和灌漿用的是相同的EMF.灌漿:壓水試驗后,灌漿泵將一定水灰比(比如3..1,2..1,1..1,0..8..1,0..5..1)的水泥漿液壓送到孔中,一部分進入裂隙而擴散,余下的漿液經回漿管返出孔外,流回到漿液攪拌機中,在規定的壓力下,當注入率不大于0..4 L/min時,繼續灌注30 min;或不大于1 L/min,繼續灌注60 min,灌漿可以結束。每臺鉆孔設備都需要兩臺EMF分別記錄進、返漿流量,灌漿量就等于進漿量減去返漿量,現場管線與EMF安裝布置見圖3。圖3..灌漿工程現場管線與EMF安裝布置圖由于現場灌漿泵泵量多為6 m3/h(100 L/min),故EMF的量程選為100 L/min,由EMF的測量原理可知[4],其流速的下限由同噪聲或偏移的信噪比S/N(信號與噪聲)來決定,上限則由測量管內襯里的磨損和配管的經濟速度等來決定[3]。由于水泥漿液中帶有水泥固體顆粒,考慮到對EMF襯里和電極的磨損,選用流速..5 m/s,另一方面水泥漿液又具有易粘附、沉淀、結垢的特性,故EMF測量管內的流速應不低于0..5 m/s,以起到對電極和內襯的自清掃作用。一般當測量管內實際流速<0..1 m/s時,感應電動勢已變得十分微弱(零點幾..V~幾..V),此時噪聲的影響逐步變為主導,甚至淹沒信號電動勢[4],由流速與相對誤差的關系圖(圖4)可知,為了保證儀表的檢測精度,流速應大于0..5 m/s.故推薦使用流速范圍為0..5~5 m/s.圖4..流速與相對誤差的關系灌漿施工時吸漿量大小一般在0~100 L/min,進、返漿上EMF相應的流量范圍為30~100 L/min,從流量、流速與口徑三者關系表(表1)可知:EMF口徑選擇DN25比較合適。DN25的測量范圍是14..72~147..18 L/min,同時DN25和現場灌漿管道口徑一致,配套安裝時,不需要變徑。同時EMF的時間常數也應該設置小一些,一般在1~3 s,以提高測量的靈敏度。表1..EMF口徑、流速與流量的關系DN/mm v min/(m..s-1)vmax/(m..s-1)Qmin/(L..min-1)Qmax/(L..min-1)v*/(m..s-1)15 0..5 5 5..30 53..98 0..094 20 0..5 5 9..42 94..20 0..053 25 0..5 5 14..72 147..18 0..034 32 0..5 5 24..12 241..15 0..021 40 0..5 5 37..68 376..80 0..013注:*Q=1L/min封孔:待灌漿結束后,按照施工技術要求壓漿封孔,無流量測量點,故不展開討論。

3..應用注意事項

3.1..施工工藝的影響與處理

按照循環灌漿的原理,返回漿液要流回攪拌桶,采用2臺EMF分別計量進、返漿管道中漿液的流量(如圖3所示)。然而有些用戶去掉返漿管上的EMF,返漿管通過一個三通直接接在EMF下游的進漿管上,返回漿液不返回攪拌桶,采用一臺EMF測量灌漿量[5],其結果在巖層吸漿量很小和灌漿結束階段,漿液流過EMF的流速很小,遠低于EMF的流速下限,信噪比S/N很小,測量誤差高達50%,無法精確計量。

3.2..測量管道內附漿量的影響與處理

每次灌漿結束后,要及時清除EMF測量管內的殘余漿液,否則水泥漿液易在測量管道內產生不同程度的膠結,甚至堵塞EMF測量管和相接的灌漿管道。EMF測量管內的附著層會引起附加相對誤差....[7],實踐證明其引起的誤差是很大的,假定其厚度相同,....由式(5)計算[6]:....=1-2 1+......f+1-......f1-2t d 2(5)式中:....、..f分別為附著物和測量溶液的電導率;t為附著物厚度;d為直徑。水泥顆粒的....和水泥漿液..f相差很大,因為附著水泥層電導率極低,當附著物有一定厚度時,....會比較大。

3.3..介質中氣泡的影響與處理

因工藝或介質本身的原因,所測液體常含一些氣泡。EMF屬于流速型的流量方式,氣泡在管道圓截面中所占據的面積百分率,幾乎就等同于氣泡對流量測量的影響量[5]。此外由于氣泡經過電極表面存在一個摩擦過程,由此會產生尖峰脈沖干擾電勢,其值遠大于正常的流量信號。通常電磁流量轉換器無法有效地處理如此的干擾,輕者導致測量值不穩定,嚴重時儀表根本無法工作,一些缺乏經驗的用戶僅從工藝的要求出發,對EMF的安裝位置沒有考慮防止氣泡的產生,例如有些用戶把EMF安裝在灌漿泵的吸入端,吸入端的漿液中常會混入成泡狀流的小氣泡,故EMF一般要安裝在泵的排出端。EMF垂直安裝,漿液自下而上流動。水平安裝時要使電極軸線平行于地平線,不要垂直于地平線,因為處于底部的電極易被沉積物覆蓋,頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面。3.4..惡劣施工現場環境的影響與處理灌漿施工現場的環境大部分時間比較惡劣,例如高溫、潮濕、高灰塵等,如果EMF外殼的密封不良,諸如接線盒,以及一些非焊接氣密封結構的外殼,時間長了冷凝水和灰塵容易積聚在EMF的接線盒中,或透過密封不良的結合面滲入EMF殼體中,由于EMF的流量信號極其微弱(通常是幾mA),冷凝水和灰塵的存在,直接的后果是導致EMF轉換器輸入回路阻抗下降,衰減了欲輸往放大器的流量信號;或者是破壞勵磁回路和信號回路的絕緣,將高達幾十V的勵磁電壓引入到低電勢的信號回路中,造成EMF的嚴重故障[6]。為了避免此類故障的發生,可在接線盒中灌注絕緣材料,在維修和調試EMF的時候一定要避免進水,保持接線盒內的干燥與干凈,使用中一定要避免浸泡在水或漿液中。

4..結束語

   目前我國處于一個水電開發的新高潮,水泥灌漿量非常大,動態精確的計量水泥灌漿量至關重要,電磁EMF以其*的優點成為灌漿工程流量測量的儀器。在全國的許多大、中型水電工程中取得了很好的使用效果。 --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：