摘 要：采用電磁學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)原理剖析了用于石油 “三采”聚合物液流的電磁流量計(jì)計(jì)量誤差原因, 從分子磁化性質(zhì)的角度解釋了由于不同溶液的磁化率性質(zhì)不同所造成的電磁流量計(jì)計(jì)量誤差的現(xiàn)象。結(jié)合公式和實(shí)驗(yàn)說明了不同溶液在電磁流量計(jì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁化而導(dǎo)致電磁流量計(jì)原勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化的誤差機(jī)理。通過論證和實(shí)驗(yàn)證明, 不同磁化率性質(zhì)的溶液在通過勵(lì)磁磁場(chǎng)時(shí)將會(huì)不同程度的改變?cè)艌?chǎng)強(qiáng)度, 因此不同溶液在同一電流量計(jì)磁場(chǎng)的作用下其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的響應(yīng)值是不同的。
在石油三采技術(shù)中聚合物溶液注入量的計(jì)量直接影響到采收率和成本 ,為了不破壞聚合物的分子結(jié)構(gòu) ,目前選用電磁流量計(jì)計(jì)量聚合物溶液流量。但是在應(yīng)用中電磁流量計(jì)出現(xiàn)較大的計(jì)量誤差現(xiàn)象。本文結(jié)合電磁流量計(jì)的原理 ,從結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度分析了產(chǎn)生誤差的原因 ,并將初探解決的方法。電磁流量計(jì) (EMF)是一種計(jì)量導(dǎo)電液流流量的計(jì)量?jī)x表 。由于它具有一些優(yōu)良的特性, 因此成為應(yīng)用***為廣泛 、發(fā)展***為迅速的流量計(jì)種類 。但是電磁流量計(jì)的計(jì)量誤差是其致命的弱點(diǎn) ,總結(jié)現(xiàn)有的文獻(xiàn)和資料顯示 ,電磁流量計(jì)的誤差原因分為2類 :一類是由于安裝使用不當(dāng)造成的;另一類是電磁流量計(jì)自身結(jié)構(gòu)造成的 。本文提出了第 3類電磁流量計(jì)的誤差原因 :即被測(cè)溶液的分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計(jì)計(jì)量誤差 。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí),在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì) e。電流方向由右手定則確定,電動(dòng)勢(shì) e的大小與磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B、導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度 L以及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度 u成正比,如果 B、 L、u三者互相垂直,則:
與此相同 ,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的均質(zhì)磁場(chǎng)中,垂直于磁場(chǎng)方向設(shè)置內(nèi)徑為 D的高磁阻管道, 當(dāng)導(dǎo)電液流在管道中以流速 u流動(dòng)時(shí) ,導(dǎo)電液流切割磁力線 。如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極則可以證明 ,只要管道內(nèi)流速軸對(duì)稱分布, 兩電極之間將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì) :
其中:u為管道截面上的平均流速 。由此得到管道的體積流量為:
上式說明, 體積流量 qv與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e和測(cè)量管道內(nèi)徑 D成函數(shù)關(guān)系,與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成反比。
滿足公式(3)的條件是 B為常數(shù)量,如果磁場(chǎng) B發(fā)生了變化則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值也將發(fā)生變化。“磁屬性是一切物質(zhì)的必有屬性 ”(法拉第 )。物質(zhì)的磁性與原子、分子所組成的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。磁化率是物質(zhì)屬性中表示物質(zhì)磁化能力的物理量,它通過居里定律將物質(zhì)的宏觀性質(zhì) χM摩爾磁化率與微觀性質(zhì) μm 分子磁矩聯(lián)系起來。結(jié)構(gòu)化學(xué)中闡述 :“分子在磁場(chǎng)中如同電介質(zhì)在電場(chǎng)中發(fā)生極化一樣 ,將發(fā)生磁化現(xiàn)象 ”。將這種被外磁場(chǎng)作用的物質(zhì)稱為磁介質(zhì) 。磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁化 、所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度H″與外磁場(chǎng)強(qiáng)度 H' 是成正比的 。
其中:κ稱為磁介質(zhì)的體積磁化率.磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生了磁化現(xiàn)象 , 磁化后的磁場(chǎng) B等于外磁場(chǎng)強(qiáng)度 H' 與磁介質(zhì)發(fā)生磁化時(shí)自己所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度 H″疊加的算術(shù)合。
所以 B=H'+κH'=H' (1 +κ)=μH' (5)
μ表示磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率.
上式說明磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度是體積流量的函數(shù);而磁場(chǎng)強(qiáng)度 B是隨著液相物質(zhì)的磁化率和磁導(dǎo)率的性質(zhì)不同而變化的.
在結(jié)構(gòu)化學(xué)中磁化率是用摩爾分子磁化率 xm表示的,即 :
其中:Vm 表示磁介質(zhì)的摩爾體積, ρ表示密度, κ表示單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下的體積磁化率, M表示磁介質(zhì)的摩爾質(zhì)量 。
上式說明單位體積磁化率 κ是不同物質(zhì)分子的特有屬性 ,液相物質(zhì)的密度 ρ、相對(duì)分子質(zhì)量 M、摩爾磁化率 xm 、摩爾體積 V m 都與體積磁化率 κ有著密切的聯(lián)系。
由此說明電磁流量計(jì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e是隨著被測(cè)液流物質(zhì)的分子磁化率性質(zhì)而變化的,這就是聚合物溶液分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計(jì)計(jì)量誤差的原因。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確認(rèn):在相同的環(huán)境條件下 DN20型的電磁流量計(jì)量水、分子質(zhì)量 300萬(wàn)聚丙烯酰胺溶液、分子質(zhì)量 800萬(wàn)聚丙烯酰胺溶液, 電磁流量計(jì)顯示數(shù)值一致的 1 h計(jì)量情況如表 2
1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖如圖 1。
水質(zhì)條件:水溫 18 ℃、電導(dǎo)值 80 μ/cm、TOC0。20 mg/L。
系統(tǒng)管徑:ND20mm。
關(guān)于電磁流量計(jì)，大家應(yīng)該都不陌生，但是看起來挺簡(jiǎn)單的東西，一個(gè)頭一個(gè)圈，其實(shí)里面有很多的奧秘所在，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問題，一旦出現(xiàn)問題，其實(shí)還挺麻煩的，對(duì)吧！今天我們就結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例來分析分析遇到問題時(shí)該如何處理。
Q&A.1 待測(cè)液體中含有氣泡
這算是一種常見現(xiàn)象，有外界吸入的也有內(nèi)部液體溶解所致，但電磁流量計(jì)是區(qū)分不出液體還是氣泡的，所以將其一并計(jì)算測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差。
解決方法
1.如上圖所示，不易安裝在管道的***高點(diǎn)，更換安裝位置。
2.如安裝位置不易更換，可在流量計(jì)上游安裝集氣器，定期排氣。
Q&A.2 待測(cè)液體非滿管
可以說，非滿管是含有氣泡的一種極端情況，既是管內(nèi)液體未滿，頂部又含有大量氣泡，如果液體還沒沒過電極，那測(cè)量結(jié)果就會(huì)大打折扣。這當(dāng)屬工程設(shè)計(jì)之誤。
解決方法
上圖主要為正確安裝電磁流量計(jì)的安裝圖，牢記它準(zhǔn)沒錯(cuò)。
Q&A.3 導(dǎo)電沉積層短路效應(yīng)
某柴油機(jī)廠工具車間電解切削工藝試驗(yàn)裝置上，用DN80mm儀表測(cè)量和控制飽和食鹽電解液流量以獲取***佳切削效率。起初該儀表運(yùn)行正常，間斷使用2個(gè)月后，感到流量顯示值越來越小，直到流量信號(hào)接近為零。由于導(dǎo)電物質(zhì)是逐漸沉積，流量信號(hào)出現(xiàn)短路現(xiàn)象。本類故障通常不會(huì)出現(xiàn)在調(diào)試期，而要運(yùn)行一段時(shí)期后才顯露出來。
解決方法
將流量計(jì)拆卸下來，清洗絕緣層，大部分都是出現(xiàn)黃銹，而這是電解液中大量氧化鐵沉積所致。
凡是開始運(yùn)行正常，隨著時(shí)間推移，流量顯示越來越小，就應(yīng)分析有此類故障的可能性。
Q&A.4 遇到結(jié)晶液體 選型需謹(jǐn)慎
湖南某冶煉廠安裝一批電磁流量計(jì)測(cè)量溶液流量，因電磁流量傳感器的測(cè)量管難以實(shí)施伴熱保溫，數(shù)星期后內(nèi)壁和電極上就結(jié)了一層結(jié)晶物，導(dǎo)致信號(hào)源內(nèi)阻變得很大，儀表示值失常。在選型時(shí)，大家經(jīng)常會(huì)遇到介質(zhì)是容易結(jié)晶的物料。雖然大部分物料在正常溫度下能夠正常測(cè)量，并且導(dǎo)管具有伴熱保溫效果。但是流量計(jì)內(nèi)部的傳感器測(cè)量管不含此功能，所以經(jīng)常性的流體流過測(cè)量管時(shí)因降溫而引起內(nèi)壁結(jié)上一層固體。
解決方法
1.盡量選擇測(cè)量管小的流量計(jì)；
2.拆卸比較復(fù)雜，不建議選擇此種流量計(jì)。
Q&A.5 液體電導(dǎo)率超過測(cè)量允許范圍
上海某化工（冶煉）廠用20余臺(tái)哈氏合金B(yǎng)電極電磁流量計(jì)測(cè)量濃度較高的鹽酸溶液，出現(xiàn)輸出信號(hào)不穩(wěn)的晃動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)儀表正常，也排除了會(huì)產(chǎn)生輸出晃動(dòng)的其他干擾原因。但是在多處其他用戶用哈氏合金B(yǎng)電極儀表測(cè)量鹽酸時(shí)運(yùn)行良好。由于電極的輸出阻抗是由被測(cè)液體電導(dǎo)率和電極大小決定的，所以當(dāng)電導(dǎo)率低于下限值時(shí)，儀器不能正常工作，示值出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象。
解決方法
根據(jù)上述問題，工廠更換鉭電極電磁流量計(jì)后工作正常。
1. 選用其它滿足要求的低電導(dǎo)率電磁流量計(jì)，如電容式電磁流量計(jì)；
2. 選用其它原理流量計(jì)，如孔板等。
Q&A.6 空間電磁波干擾
一般來說，如果傳感器與轉(zhuǎn)換器間的電纜較長(zhǎng)且周圍有強(qiáng)電磁干擾，則電纜可能引入干擾信號(hào)，形成共模干擾，造成顯示失真、非線性或大幅晃動(dòng)。
解決方法
1.盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)（如大電機(jī)、大變壓器和電力電纜附近）
2.盡量縮短電纜長(zhǎng)度，采用屏蔽措施
Q&A.7 待測(cè)液體非對(duì)稱流動(dòng)
正常情況下，要求流體在管道內(nèi)流速為軸對(duì)稱分布，磁場(chǎng)均勻。而實(shí)際上常會(huì)出現(xiàn)非軸對(duì)稱流速分布，當(dāng)出現(xiàn)旋渦流時(shí)，對(duì)輸出會(huì)產(chǎn)生影響從而產(chǎn)生誤差。
解決方法
1.上游有足夠的直管段，以保證流速按同心圓分布
2.流量計(jì)內(nèi)徑應(yīng)與上下游一定范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑相同，否則會(huì)使流速分布不均勻
3.如果上游直管段不足，可安裝流量調(diào)節(jié)器，這樣只能作部分補(bǔ)償。
Q&A.8 安裝點(diǎn)振動(dòng)問題
電磁流量計(jì)對(duì)于安裝點(diǎn)的振動(dòng)有嚴(yán)格的要求，必須安裝在振動(dòng)小的地方，否則一定會(huì)產(chǎn)生誤差。
2、結(jié)語(yǔ)：
不同結(jié)構(gòu)、不同分子質(zhì)量的物質(zhì)磁化性質(zhì)是不同的, 這將造成同種溶質(zhì)同種溶劑不同質(zhì)量濃度的溶液磁化性質(zhì)不同;同種溶劑不同溶質(zhì)的溶液磁化性質(zhì)不同;同種溶質(zhì)不同溶劑的溶液磁化性質(zhì)不同 .這說明電磁流量計(jì)所計(jì)量的不同液流溶液其分子磁化率性質(zhì)是不同的,不同磁化率性質(zhì)的溶液在通過電磁流量計(jì)勵(lì)磁磁場(chǎng)時(shí)將會(huì)不同程度的改變?cè)艌?chǎng)強(qiáng)度 ,因此不同溶液、相同容積在同一電磁流量計(jì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用下其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是不同的,所以電磁流量計(jì)在計(jì)量不同溶液和聚合物溶液時(shí)、由于溶液磁化率性質(zhì)不同就會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差, 這就是被測(cè)溶液分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計(jì)計(jì)量誤差機(jī)理 .
