引言

        疏浚船舶泥漿流量計(jì)是計(jì)算挖泥產(chǎn)量、指導(dǎo)施工操作的重要設(shè)備之一，所測(cè)流量數(shù)據(jù)為施工管理提供重要的決策依據(jù) [1] �，F(xiàn)階段疏浚船舶泥漿流量計(jì)多為接觸式電磁流量計(jì)，新型超聲波及聲吶陣列流量計(jì)應(yīng)用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵等行業(yè)，應(yīng)用于疏浚船舶的案例較少 [2] 。疏浚船舶泥漿流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)為固液兩相流，施工過程復(fù)雜多變，衡量泥漿流量計(jì)是否適用于疏浚船舶的首要因素為測(cè)量穩(wěn)定性，測(cè)量的穩(wěn)定性直接影響著施工效率；流量計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性與流量計(jì)的工作原理、安裝方式、使用壽命及測(cè)量介質(zhì)有著密切的關(guān)系。

 

        將新型超聲波流量計(jì)、新型聲吶陣列流量計(jì)安裝在某絞吸船，測(cè)量介質(zhì)為貝殼泥沙海水混合液體；通過對(duì)絞吸船施工監(jiān)測(cè)來記錄新型流量計(jì)的流速數(shù)據(jù)，并與絞吸船現(xiàn)役的電磁流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)對(duì)比分析，通過對(duì)比可知新型流量計(jì)是否適用于疏浚船舶。

 

1 工作原理

1.1 電磁流量計(jì)

        電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表；電磁流量計(jì)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖 1 所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場的非磁性測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值如下：

        E = kBDv

        式中：E 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；k 為系數(shù)；B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D 為測(cè)量管內(nèi)徑；v為平均流速。

        體積流量：

 

        由上式可知，體積流量 Q v 與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 和測(cè)量管內(nèi)徑 D 成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)。

 

1.2 超聲波流量計(jì)

        超聲波流量計(jì)是利用超聲脈沖在流體中傳播的速度與流體的速度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即順流時(shí)的超聲脈沖傳播速度比逆流時(shí)傳播的速度要快，順流與逆流兩種超聲脈沖傳播的時(shí)間差越大，則流量越大原理。如圖 2 所示流量計(jì)工作時(shí)，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(gè)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(shí)間可以計(jì)算出聲速、被測(cè)量介質(zhì)流速。新型超聲波流量計(jì)的改進(jìn)之處即在于這個(gè)脈沖的抗干擾性，脈沖由一個(gè)已知低頻波形去調(diào)制固定高頻，這樣接收端可以進(jìn)行波形比對(duì)，濾除常見的介質(zhì)噪聲；計(jì)算聲波傳輸時(shí)間時(shí)采取波形鑒相技術(shù)，提高了聲波傳輸時(shí)間的精確性，進(jìn)而提高流量計(jì)的測(cè)量精度。

對(duì)于逆流傳播的超聲波脈沖傳播時(shí)間為：

對(duì)于順流傳播的超聲波脈沖傳播時(shí)間為：

傳輸時(shí)間差：

由以上可知流體速度 v、聲速 c 分別為：

由流體速度進(jìn)而可算得流體的體積流量。

 

1.3 聲吶陣列流量計(jì)

        聲吶陣列流量計(jì)由環(huán)繞式帶狀傳感器、保護(hù)傳感器帶的玻璃纖維或不銹鋼外殼、變送器/數(shù)字信號(hào)處理器組成。聲吶陣列流量計(jì)的測(cè)量原理是當(dāng)管道中的流體達(dá)到湍流狀態(tài)，湍流產(chǎn)生漩渦與流體形成對(duì)流，漩渦的運(yùn)動(dòng)對(duì)管壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生微小應(yīng)力，該應(yīng)力使管壁產(chǎn)生動(dòng)態(tài)形變，由于流體流速 v 與漩渦的頻率 f 和波長 λ 存在 v = f × λ 的關(guān)系，被動(dòng)聲吶傳感器陣列偵聽到漩渦的頻率 f和波長 λ，結(jié)合陣列算法，從而計(jì)算出漩渦的平均流速，即管道內(nèi)的流體速度。

 

2 流量計(jì)應(yīng)用測(cè)試

2.1 測(cè)試條件

        1） 時(shí)間：2016 年 4 月 15 日；

        2） 地點(diǎn)：廈門新機(jī)場；

        3） 船舶：新海豚絞吸船；

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

        5） 流量計(jì)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(jì)）；

        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(cè)試準(zhǔn)備與開始

        超聲波流量計(jì)的安裝對(duì)管道要求較高，安裝前需對(duì)管道的內(nèi)壁進(jìn)行厚度測(cè)量，測(cè)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(dǎo)致探頭信號(hào)衰減，安裝探頭時(shí)在其表面涂抹較厚的耦合劑以此填補(bǔ)管道表面凹痕。為確保測(cè)試原始真實(shí)性，3 種流量計(jì)儀表通電后，除基本參數(shù)外，其余優(yōu)化參數(shù)均不設(shè)置。測(cè)試準(zhǔn)備完成后，對(duì)絞吸船啟泵、停泵及施工穩(wěn)定階段流量計(jì)的應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

 

3 流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3.1 施工穩(wěn)定階段測(cè)試

        對(duì)施工穩(wěn)定階段中 3 種流量計(jì)所測(cè)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(duì)曲線中 3 種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速數(shù)據(jù)做比較分析，3 種流量計(jì)所測(cè)流速之間關(guān)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(biāo)準(zhǔn)差是反映數(shù)據(jù)樣本內(nèi)個(gè)體間的離散型，流速的標(biāo)準(zhǔn)差可反映 3 種流量計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性。

3 種流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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，因第 1 次測(cè)試，流量計(jì)儀表只進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，此次測(cè)試 3 種流量計(jì)流速波動(dòng)都較大。根據(jù)測(cè)量情況，對(duì) 3 種流量計(jì)儀表參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，優(yōu)化后再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖 5 所示。

 

選取其中一段相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可知（選取的樣本數(shù)與第 1 次測(cè)試相同）：

        v 超聲波 =1.031v 電磁

        v 聲吶 = 1.044v 電磁

 

3 種流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試中 3 種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速之間關(guān)系為 v 聲吶 > v 超聲波 > v 電磁 ；第 2 次測(cè)試中3 種流量計(jì)所測(cè)流速較第 1 次更加穩(wěn)定，且聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)流速依然是非常穩(wěn)定，超聲波流量計(jì)所測(cè)流速的穩(wěn)定性與電磁流量計(jì)所測(cè)流速的穩(wěn)定性相當(dāng)。

 

3.2 啟動(dòng)、停止測(cè)試

        施工穩(wěn)定階段測(cè)試中用于分析的數(shù)據(jù)是截取流量穩(wěn)定后的一段，對(duì)于絞吸船泥泵啟動(dòng)初期、停止時(shí)流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行比較分析；為綜合分析施工各個(gè)階段流量計(jì)測(cè)量情況，將絞吸船泥泵啟動(dòng)初期、停止時(shí)的流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。截取測(cè)試中泥泵由停止再到啟動(dòng)時(shí)的流量計(jì)所測(cè)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(jì)相對(duì)有較大的波動(dòng)，超聲波及電磁流量計(jì)相對(duì)穩(wěn)定；小流速階段，聲吶陣列流量先無法測(cè)量到流速，后出現(xiàn)間歇的抖動(dòng)；超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)所測(cè)流速相對(duì)平滑下降直到流速為 0。在泵啟動(dòng)初期，聲吶陣列流量計(jì)會(huì)有較大的波動(dòng)，超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)上升相對(duì)穩(wěn)定平滑。

 

        新型聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速在泵啟動(dòng)階段雖然有較大的波動(dòng)，但是能在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來，因此波動(dòng)不會(huì)對(duì)施工穩(wěn)定階段產(chǎn)生較大的影響。

 

4 流量計(jì)固有特性分析

1） 安裝方式

        電磁流量計(jì)為接觸式安裝，需安裝在管道上，安裝時(shí)需拆卸管道；新型超聲波流量計(jì)和聲吶陣列流量計(jì)都為非接觸式安裝，只需對(duì)管路進(jìn)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(jì)的使用壽命；電磁流量計(jì)是接觸式安裝，流量計(jì)受介質(zhì)流動(dòng)而磨損，新型超聲波流量計(jì)和聲吶陣列流量計(jì)為非

接觸式安裝，不受介質(zhì)流動(dòng)影響，故新型超聲波流量計(jì)與聲吶陣列流量計(jì)的使用壽命比電磁流量計(jì)使用壽命長。

 

5 結(jié)語

        通過對(duì)新型泥漿流量計(jì)測(cè)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(jì)對(duì)比可知，新型超聲波流量計(jì)、聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速大于現(xiàn)役電磁流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速；在施工穩(wěn)定階段，新型聲吶陣列流量計(jì)流速測(cè)量具有更好的穩(wěn)定性，新型超聲波流量計(jì)與船舶現(xiàn)役電磁流量計(jì)流速測(cè)量穩(wěn)定性相當(dāng)。綜合考慮泥漿流量計(jì)固有特性及測(cè)試結(jié)果，新型超聲波流量計(jì)與聲吶陣列流量計(jì)流速測(cè)量穩(wěn)定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。