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分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析

 摘  要:采用電磁學和結構化學原理剖析了用于石油 “三采”聚合物液流的電磁流量計計量誤差原因, 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計量誤差的現(xiàn)象。結合公式和實驗說明了不同溶液在電磁流量計勵磁磁場的作用下發(fā)生磁化而導致電磁流量計原勵磁磁場強度發(fā)生變化的誤差機理。通過論證和實驗證明, 不同磁化率性質(zhì)的溶液在通過勵磁磁場時將會不同程度的改變原磁場強度, 因此不同溶液在同一電流量計磁場的作用下其感應電動勢的響應值是不同的。

分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析
        在石油三采技術中聚合物溶液注入量的計量直接影響到采收率和成本 ,為了不破壞聚合物的分子結構 ,目前選用電磁流量計計量聚合物溶液流量。但是在應用中電磁流量計出現(xiàn)較大的計量誤差現(xiàn)象。本文結合電磁流量計的原理 ,從結構化學的角度分析了產(chǎn)生誤差的原因 ,并將初探解決的方法。電磁流量計 (EMF)是一種計量導電液流流量的計量儀表 。由于它具有一些優(yōu)良的特性, 因此成為應用***為廣泛 、發(fā)展***為迅速的流量計種類 。但是電磁流量計的計量誤差是其致命的弱點 ,總結現(xiàn)有的文獻和資料顯示 ,電磁流量計的誤差原因分為2類 :一類是由于安裝使用不當造成的;另一類是電磁流量計自身結構造成的 。本文提出了第 3類電磁流量計的誤差原因 :即被測溶液的分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計計量誤差 。根據(jù)法拉第電磁感應定律,當導體在磁場中運動切割磁力線時,在導體的兩端即產(chǎn)生感生電勢 e。電流方向由右手定則確定,電動勢 e的大小與磁場磁感應強度 B、導體在磁場內(nèi)的長度 L以及導體的運動速度 u成正比,如果 B、 L、u三者互相垂直,則:
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        與此相同 ,在磁感應強度為 B的均質(zhì)磁場中,垂直于磁場方向設置內(nèi)徑為 D的高磁阻管道, 當導電液流在管道中以流速 u流動時 ,導電液流切割磁力線 。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極則可以證明 ,只要管道內(nèi)流速軸對稱分布, 兩電極之間將產(chǎn)生感生電動勢 :
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        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:
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  上式說明, 體積流量 qv與感應電動勢 e和測量管道內(nèi)徑 D成函數(shù)關系,與磁場的磁感應強度 B成反比。
 
        滿足公式(3)的條件是 B為常數(shù)量,如果磁場 B發(fā)生了變化則感應電動勢的數(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構有著密切的關系。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。結構化學中闡述 :“分子在磁場中如同電介質(zhì)在電場中發(fā)生極化一樣 ,將發(fā)生磁化現(xiàn)象 ”。將這種被外磁場作用的物質(zhì)稱為磁介質(zhì) 。磁介質(zhì)在外磁場的作用下發(fā)生磁化 、所產(chǎn)生的附加磁場強度H″與外磁場強度 H' 是成正比的 。
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        其中:κ稱為磁介質(zhì)的體積磁化率.磁介質(zhì)在外磁場的作用下發(fā)生了磁化現(xiàn)象 , 磁化后的磁場 B等于外磁場強度 H' 與磁介質(zhì)發(fā)生磁化時自己所產(chǎn)生的附加磁場強度 H″疊加的算術合。
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所以 B=H'+κH'=H' (1 +κ)=μH' (5)
 
        μ表示磁介質(zhì)的磁導率.
        上式說明磁場感應強度是體積流量的函數(shù);而磁場強度 B是隨著液相物質(zhì)的磁化率和磁導率的性質(zhì)不同而變化的.
 
        在結構化學中磁化率是用摩爾分子磁化率 xm表示的,即 :
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        其中:Vm 表示磁介質(zhì)的摩爾體積, ρ表示密度, κ表示單位磁場強度下的體積磁化率, 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的感應電動勢 e是隨著被測液流物質(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)生的電磁流量計計量誤差的原因。
 
        經(jīng)過實驗確認:在相同的環(huán)境條件下 DN20型的電磁流量計量水、分子質(zhì)量 300萬聚丙烯酰胺溶液、分子質(zhì)量 800萬聚丙烯酰胺溶液, 電磁流量計顯示數(shù)值一致的 1 h計量情況如表 2
不同溶劑、不同質(zhì)量濃度的溶液磁化率檢測實驗結果
不同分子質(zhì)量的聚丙烯酰氨溶液在相同的質(zhì)量濃度和 1000L時用電磁流量計計量的誤差
1  實驗及結果
        實驗條件和實驗系統(tǒng)裝置示意圖如圖 1。
        水質(zhì)條件:水溫 18 ℃、電導值 80 μ/cm、TOC0。20 mg/L。
        系統(tǒng)管徑:ND20mm。
實驗系統(tǒng)裝置示意圖
 

關于電磁流量計,大家應該都不陌生,但是看起來挺簡單的東西,一個頭一個圈,其實里面有很多的奧秘所在,也經(jīng)常會出現(xiàn)問題,一旦出現(xiàn)問題,其實還挺麻煩的,對吧!今天我們就結合現(xiàn)場實例來分析分析遇到問題時該如何處理。

Q&A.1 待測液體中含有氣泡

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,但電磁流量計是區(qū)分不出液體還是氣泡的,所以將其一并計算測量就會產(chǎn)生誤差。

分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析

解決方法

1.如上圖所示,不易安裝在管道的***高點,更換安裝位置。

2.如安裝位置不易更換,可在流量計上游安裝集氣器,定期排氣。

Q&A.2 待測液體非滿管

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,那測量結果就會大打折扣。這當屬工程設計之誤。

分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析

解決方法

上圖主要為正確安裝電磁流量計的安裝圖,牢記它準沒錯。

Q&A.3 導電沉積層短路效應

某柴油機廠工具車間電解切削工藝試驗裝置上,用DN80mm儀表測量和控制飽和食鹽電解液流量以獲取***佳切削效率。起初該儀表運行正常,間斷使用2個月后,感到流量顯示值越來越小,直到流量信號接近為零。由于導電物質(zhì)是逐漸沉積,流量信號出現(xiàn)短路現(xiàn)象。本類故障通常不會出現(xiàn)在調(diào)試期,而要運行一段時期后才顯露出來。

分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析

解決方法

將流量計拆卸下來,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。

凡是開始運行正常,隨著時間推移,流量顯示越來越小,就應分析有此類故障的可能性。

Q&A.4 遇到結晶液體 選型需謹慎

湖南某冶煉廠安裝一批電磁流量計測量溶液流量,因電磁流量傳感器的測量管難以實施伴熱保溫,數(shù)星期后內(nèi)壁和電極上就結了一層結晶物,導致信號源內(nèi)阻變得很大,儀表示值失常。在選型時,大家經(jīng)常會遇到介質(zhì)是容易結晶的物料。雖然大部分物料在正常溫度下能夠正常測量,并且導管具有伴熱保溫效果。但是流量計內(nèi)部的傳感器測量管不含此功能,所以經(jīng)常性的流體流過測量管時因降溫而引起內(nèi)壁結上一層固體。

解決方法

1.盡量選擇測量管小的流量計;

2.拆卸比較復雜,不建議選擇此種流量計。

Q&A.5 液體電導率超過測量允許范圍

上海某化工(冶煉)廠用20余臺哈氏合金B(yǎng)電極電磁流量計測量濃度較高的鹽酸溶液,出現(xiàn)輸出信號不穩(wěn)的晃動現(xiàn)象?,F(xiàn)場檢查確認儀表正常,也排除了會產(chǎn)生輸出晃動的其他干擾原因。但是在多處其他用戶用哈氏合金B(yǎng)電極儀表測量鹽酸時運行良好。由于電極的輸出阻抗是由被測液體電導率和電極大小決定的,所以當電導率低于下限值時,儀器不能正常工作,示值出現(xiàn)晃動現(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后工作正常。

1. 選用其它滿足要求的低電導率電磁流量計,如電容式電磁流量計;

2. 選用其它原理流量計,如孔板等。

Q&A.6 空間電磁波干擾

一般來說,如果傳感器與轉換器間的電纜較長且周圍有強電磁干擾,則電纜可能引入干擾信號,形成共模干擾,造成顯示失真、非線性或大幅晃動。

分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析

解決方法

1.盡量遠離強磁場(如大電機、大變壓器和電力電纜附近)

2.盡量縮短電纜長度,采用屏蔽措施

Q&A.7 待測液體非對稱流動

正常情況下,要求流體在管道內(nèi)流速為軸對稱分布,磁場均勻。而實際上常會出現(xiàn)非軸對稱流速分布,當出現(xiàn)旋渦流時,對輸出會產(chǎn)生影響從而產(chǎn)生誤差。

分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差分析

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.流量計內(nèi)徑應與上下游一定范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑相同,否則會使流速分布不均勻

3.如果上游直管段不足,可安裝流量調(diào)節(jié)器,這樣只能作部分補償。

Q&A.8 安裝點振動問題

電磁流量計對于安裝點的振動有嚴格的要求,必須安裝在振動小的地方,否則一定會產(chǎn)生誤差。

 

2、結語:
        不同結構、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 .這說明電磁流量計所計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勵磁磁場時將會不同程度的改變原磁場強度 ,因此不同溶液、相同容積在同一電磁流量計勵磁磁場的作用下其感應電動勢是不同的,所以電磁流量計在計量不同溶液和聚合物溶液時、由于溶液磁化率性質(zhì)不同就會產(chǎn)生計量誤差, 這就是被測溶液分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計計量誤差機理 .

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