ZNE电磁流量计灌浆自动记录仪中的正确选用和应用        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, 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,在管中心轴上流速最大,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.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Re[2],管流的雷诺数为            （1）     式中:ρ是流体密度;V是管流的平均速度;d是管径;μ是黏性系数;v是运动黏性系数.     当Re>2320时流态就属于紊流,当Re<2320时流态就属于层流,即临界雷诺数Rec=2320.         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来表征[3],即          式中:Q为体积流量;F为测量管路的截面积.     ZNE电磁流量计就是基于测量平均流速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成正比. 从上式可以看出,只要检测出平均流速,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最大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.         1 ZNE电磁流量计原理     ZNE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 = kBD        （2）     式中:E为感应电动势,V;k为系数;B为磁感应强度,T;为流体平均流速,m/s;D为测量管内径,m.     液体的流量为               （3）     由式（2）和式（3）可得          （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/πD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ZNE电磁流量计的最大优点.只要测出感应电势的大小,就可计算出实际的流量.     2 ZNE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.        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,节能效果显著,对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合. 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.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ZNE电磁流量计的要点     3.1口径 灌浆工程中常用的浆液是水泥浆液.因此,ZNE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0~100L/min,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/min,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14.72~323.81L/min,当流量在30~100L/min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.     3.2 精度 EMF的测量精度通常都是用允许的最大引用误差（最大允许误差）间接表示的[4],其表达式为 式中:I'为EMF的指标值;Q为实际流量;If为满量程值; ε在理论上是用引用误差中最大的一个表示,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.由于最大允许误差与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,实际应用时其最大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%~100%流量范围内,测量值的最大允许误差为测量值的±1% ;在满量程的0%~20%流量范围内,测量值的最大允许误差为量程上限值的±0.2%.     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,最好在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80L/min,满度流量100L/min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 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（100L/min）,水泥浆液搅拌筒容积都为200L,所以进浆EMF的量程也应选为100L/min.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.     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最大允许误差.表1的EMF量程为6m3/h（100L/min）,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ZNE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,其危害是百分之百的.     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,电磁场无所不在,接地反倒会通过地线把干扰带进EMF.事实上,现场灌浆基本上都使用高压胶管,EMF和灌浆管道无任何电气联系,只要EMF浮空,不需要专门接地.但当灌浆管道采用金属管时,易在管网上产生大的杂散电流,会干扰EMF的正常状态,此时需要在EMF和连接管道之间进行电气绝缘,才能保证正常使用.不能把信号电缆和电源线捆绑在一起,信号电缆一定要使用屏蔽电缆,且屏蔽层的一端一定要接地（在记录仪主机端）以避免信号干扰;另外,尽可能避免受阳光直照,避免雨水浸淋和被水浸没.     4.2 水平安装时要使电极轴线平行于地平线,因为处于底部的电极易被沉积物覆盖,而顶部电极易被液体中偶存的气泡擦过遮住电极表面,使输出信号波动.例如图3所示管系中,c和d为适宜位置;a,b,e为不宜位置（b处可能液体不充满,a和e处易积聚气体,且e处传感器后管段短也有可能不充满）;对于固液两相流来说c处亦是不宜位置. 大循环时,进、返浆EMF的安装位置宜相隔1m以上,最好使用交流稳压器单独供电,正常使用时,决不允许带电拔掉EMF的电源和信号插座. 直管段长度要求 为获得正常测量的精确度,电磁流量传感器的上游侧要有一定长度的直管段,以保证流速分布与管轴对称.这里所说的直管长度是离开电极的直管长,小口径EMF的测量管长度往往是取其直径的5倍左右.需要指出的是EMF的出入口处绝对不允许安装各种阀门,以往把灌浆调节高压阀直接装在返浆EMF的出口处,造成了流速分布变化,故流量数据跳动的现象屡见不鲜.     4.3小循环灌浆法检测流量的弊端 小循环灌浆法的实质是[5]:a.泵的吸入量主要由返浆量提供,返浆量的大小由高压调节阀控制,钻孔灌浆注入量=流量计量（见图4）;b.流量计大部分时间工作在1/3量程之下,相当长的时间内工作在1L/min左右;c.返浆浆液不返回搅浆桶,水泥浆液只能在闭合的管道中循环,浆桶内调节水灰比对灌浆浆液的密度影响甚微. 安装位置和流动方向 小循环灌浆时,要测的水泥浆液流量基本上都在1/3量程以下,且每段灌浆流量计都有近2h工作在2L/min以下,所以应优先选用口径较小（DN15）、量程为2.5m3/h的EMF.但在实际小循环灌浆中,有时又不得不面对岩溶地层大吃浆量的需求而把量程定为灌浆泵的泵量（6m3/h）,从而使量程大于1:100,由于EMF不可改变的安装位置而又必须选用DN40或DN50,最终小循环灌浆只好将错就错而制造出一个矛盾体.在灌浆现场会经常碰到EMF的测量数据不合理或和应用参比值不符[4],甚至EMF本身不能正常工作的现象,而单独检查EMF却没有一点问题,究其原因往往是现场EMF安装不规范造成的.     5 EMF的安装方向或水平、或垂直、或倾斜均可,不受限制.但测量水泥浆液这样的固液两相流体最好采用垂直安装,以使浆液自下而上流动,这样能避免水平安装时衬里下半部局部磨损严重及低流速时固相沉淀等缺点.     由EMF的测量原理可知[4],其流量的下限由同噪声或偏移的信噪比S/N来决定,其上限则由测量管内衬里的磨损和配管的经济速度等来决定.一般当测量管内实际流速小于0.1m/s时,感应电动势已变得十分微弱（几微伏至零点几微伏）,此时噪声的影响逐步变为主导,甚至淹没信号电动势.其流速和测量误差的关系详见图5和表2.     表2 流量与示值误差的关系 流量/（L·min-1） DN40流速/（m·s-1） 示值误差/% 20 0.265 ±1 10 0.113 ±2 5 0.066 ±4 2 0.0265 ±10 1 0.01326 ±20 0.6 0.00796 ±33 0.4 0.0053 ±50     大循环灌浆方式检测流量的合理性 采用大循环灌浆方式时,由于进浆量为进浆管流量与返浆管流量之差[6],所以在灌浆泵泵送压力的作用下,当注入浆量较小时（如在屏浆阶段）浆桶中的水泥浆液以较大的流量流过进浆管进入灌浆孔中,除少量水泥浆液被压力灌进地层中外,大部分水泥浆液通过返浆管流回浆桶.因此,进浆管和返浆管上的流量均处于EMF的精度较高的测量范围之内,可以检测小注入流量（如0.2L/min）,使灌浆能按规范要求的注入率（0.4L/min）结束灌浆,且在安装位置上也符合ZNE电磁流量计的要求.大循环灌浆方式在全国的许多大、中型水电工程中已取得了很好的使用效果. 介绍灌浆自动记录仪中ZNE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ZNE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ZNE电磁流量计选用的合理性.从图5、表2可以看出,当灌浆孔吸浆量很小、流速小于0.1m/s时,流量测量值的误差已变得非常大,且随着流速的变小呈直线上升.对于1L/min（流速为0.0085m/s,0.0133m/s）的测量点由于测量误差达20%,已无精度可言.至于0.6L/min或0.4L/min的测量结果究竟是由噪声还是由信号所致也搞不清楚,可信度就更无法考证了.     尽管EMF有较宽的测量范围,其量程比可达1:30甚至1:50,但使用过宽的量程往往是以降低测量精度为代价的.正确选用EMF量程的首要依据是正常流量要大于满量程的50%,即以工作在2/3量程区为好,尽可能不使用1/3量程区,以确保一定的测量精度;且正常流量对应的流速应选用2~3.5m/s的经济流速.           6 参考文献     [1] 徐力生,郭定明,彭环云,等.LJ-Ⅱ型灌浆压水测控系统的研制与应用[J].水利水电技术,2003,34（11）:67-69.     [2] 张景秀.坝基防渗与灌浆技术[M].北京:水利水电出版社,2002.     [3] 宋相国,戴汉平.VOPI型灌浆自动记录仪流量的改进[J].长江科学院院报,1997,14（3）:62-63.     [4] 蔡武昌,孙淮清,纪纲.流量检测方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2001.     [5] 张远曙,周一耕.水泥浆搅拌时间和凝结时间与性状关系[J].长江科学学院院报,1997,14（3）:31-33.     [6] 蔡武昌.ZNE电磁流量计测量值与应用参比值不符的分析[J]. 自动化仪表,2001,22（5）:33-35. 推荐产品.电磁流量计,压力变送器,孔板流量计,V锥型流量计,超声波流量计,涡街流量计,涡轮流量计,热电偶.