电磁流量计在灌浆工程中的研究与应用
时间：2010-06-13 阅读：624
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江苏鼎创仪表科技有限公司 -
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电磁流量计在灌浆工程中的研究与应用
详细介绍：
目前我国在建的大中型水电站有几十个，正处在一个水利水电建设的新高潮，灌浆技术是水电建筑物地基处理常用的和重要的工程措施[1]，水泥的灌浆量非常大，例如贵州省构皮滩水电站帷幕灌浆323km，固结灌浆418.9km，回填灌浆135.4km2，综合考虑行业的特殊性以及不同对象仪表在使用、维护和施工工艺的具体要求及正确选用，这是保证施工质量和仪表本体正确安全运行极其重要的工作内容，对日后的实际工作将带来很大的好处。
灌浆行业施工工艺中的浆液和水的流量测量非常重要，特别是所使用的液体流量检测仪表，与一般企业有所不同，有其特殊要求，例如要便于频繁清洗和承受高速浆液中颗粒的摩擦和恶劣环境等[2]，具体如下：
（1）传感器测量回路简单，没有阻流件和容易滞流介质的部位；
（2）与介质接触部件材料能承受水泥浆液中固相颗粒在高流速时的摩擦力与化学浆液的腐蚀作用；
（3）具有快速的响应性能和较高的测量精度；
（4）能适应现场高温、潮湿、高灰尘的恶劣施工环境。
在众多液体流量仪器产品中，电磁EMF具有测量不受流体温度、压力、密度、黏度的影响、电磁流量计内部直通光滑、直接进行电测量，响应速度快、检测部无运动部件，不会发生滴漏现象、计量精度高、内衬可采用聚四氟乙烯塑料和氧化铝陶瓷，具有很强的抗腐蚀性等优点[3]，近年来已成为灌浆工程流量测量的仪器。
1 工作原理
电磁流量计（以下简称EMF）的工作原理（见图1）是基于法拉第电磁感应定律[3]。被测介质垂直于磁力线方向流动，因而与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势E
（1）
式中：E为电动势，V；B为磁感应强度，T；D为测量管内径，m；为被测介质的平均流速，m/s.
被测介质的体积流量Q为
（2）
式中Q为被测介质的流量，m3/s。
灌浆行业施工工艺中的浆液和水的流量测量非常重要，特别是所使用的液体流量检测仪表，与一般企业有所不同，有其特殊要求，例如要便于频繁清洗和承受高速浆液中颗粒的摩擦和恶劣环境等[2]，具体如下：
（1）传感器测量回路简单，没有阻流件和容易滞流介质的部位；
（2）与介质接触部件材料能承受水泥浆液中固相颗粒在高流速时的摩擦力与化学浆液的腐蚀作用；
（3）具有快速的响应性能和较高的测量精度；
（4）能适应现场高温、潮湿、高灰尘的恶劣施工环境。
在众多液体流量仪器产品中，电磁EMF具有测量不受流体温度、压力、密度、黏度的影响、电磁流量计内部直通光滑、直接进行电测量，响应速度快、检测部无运动部件，不会发生滴漏现象、计量精度高、内衬可采用聚四氟乙烯塑料和氧化铝陶瓷，具有很强的抗腐蚀性等优点[3]，近年来已成为灌浆工程流量测量的仪器。
1 工作原理
电磁流量计（以下简称EMF）的工作原理（见图1）是基于法拉第电磁感应定律[3]。被测介质垂直于磁力线方向流动，因而与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势E
（1）
式中：E为电动势，V；B为磁感应强度，T；D为测量管内径，m；为被测介质的平均流速，m/s.
被测介质的体积流量Q为
（2）
式中Q为被测介质的流量，m3/s。
由式（1）和式（2）可得：
（3）由此可见，感应电动势E与被测介质流量Q成正比。与磁感应强度B和测量内径D有关，而与其他物理参数的变化无关。测量系统的变送器输出E是一个微弱的交变信号，其中包含各种干扰成分，且信号内阻变化高达几万Ω，因此要求转换器是一个高输入阻抗，且能抑制各种干扰成分的交流mV转换器。将感应电动势转换成4～20mA的统一信号。转换器有高输入阻抗差动放大器、主放大器、正交干扰抑制器、相敏检波器、直流放大器、霍尔乘法器等组成，zui后输出信号电流为
Io=K·Q
（3）由此可见，感应电动势E与被测介质流量Q成正比。与磁感应强度B和测量内径D有关，而与其他物理参数的变化无关。测量系统的变送器输出E是一个微弱的交变信号，其中包含各种干扰成分，且信号内阻变化高达几万Ω，因此要求转换器是一个高输入阻抗，且能抑制各种干扰成分的交流mV转换器。将感应电动势转换成4～20mA的统一信号。转换器有高输入阻抗差动放大器、主放大器、正交干扰抑制器、相敏检波器、直流放大器、霍尔乘法器等组成，zui后输出信号电流为
Io=K·Q
（4）
式中：Io为输出信号电流；K为仪表常数。
2 灌浆工程中EMF的使用
图2所示是灌浆过程的主要工艺流程[1]，为在施工中进行有效的控制，需对施工过程中的水和水泥浆液进行计量和控制。
式中：Io为输出信号电流；K为仪表常数。
2 灌浆工程中EMF的使用
图2所示是灌浆过程的主要工艺流程[1]，为在施工中进行有效的控制，需对施工过程中的水和水泥浆液进行计量和控制。
钻孔、洗孔：灌浆施工首先要在岩层中自上而下分段进行钻孔，待单孔终孔，用大量清水洗孔，至回水变清，无流量测量点，故不展开讨论。
简易压水试验：洗孔结束，下孔口管，密封孔口，以设计要求的压力向孔内送水，测定其相应的流量值，并据此计算岩体的透水率。计算结果关系到岩体渗透特性的评价以及灌浆成果资料整理。这一测量点是十分重要和敏感的，准确是首要指标，水有一定的电导率，满足EMF的测量要求，需要重点考虑的是EMF的口径，因为压水试验和灌浆用的是相同的EMF。
灌浆：压水试验后，灌浆泵将一定水灰比（比如3∶1，2∶1，1∶1，018∶1，015∶1）的水泥浆液压送到孔中，一部分进入裂隙而扩散，余下的浆液经回浆管返出孔外，流回到浆液搅拌机中，在规定的压力下，当注入率不大于014L/min时，继续灌注30min；或不大于1L/min，继续灌注60min，灌浆可以结束。每台钻孔设备都需要两台EMF分别记录进、返浆流量，灌浆量就等于进浆量减去返浆量，现场管线与EMF安装布置见图3。
简易压水试验：洗孔结束，下孔口管，密封孔口，以设计要求的压力向孔内送水，测定其相应的流量值，并据此计算岩体的透水率。计算结果关系到岩体渗透特性的评价以及灌浆成果资料整理。这一测量点是十分重要和敏感的，准确是首要指标，水有一定的电导率，满足EMF的测量要求，需要重点考虑的是EMF的口径，因为压水试验和灌浆用的是相同的EMF。
灌浆：压水试验后，灌浆泵将一定水灰比（比如3∶1，2∶1，1∶1，018∶1，015∶1）的水泥浆液压送到孔中，一部分进入裂隙而扩散，余下的浆液经回浆管返出孔外，流回到浆液搅拌机中，在规定的压力下，当注入率不大于014L/min时，继续灌注30min；或不大于1L/min，继续灌注60min，灌浆可以结束。每台钻孔设备都需要两台EMF分别记录进、返浆流量，灌浆量就等于进浆量减去返浆量，现场管线与EMF安装布置见图3。
由于现场灌浆泵泵量多为6m3/h（100L/min），故EMF的量程选为100L/min，由EMF的测量原理可知[4]，其流速的下限由同噪声或偏移的信噪比S/N（信号与噪声）来决定，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[3]。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≤5m/s，另一方面水泥浆液又具有易粘附、沉淀、结垢的特性，故EMF测量管内的流速应不低于015m/s，以起到对电极和内衬的自清扫作用。一般当测量管内实际流速<011m/s时，感应电动势已变得十分微弱（零点几μV～几μV），此时噪声的影响逐步变为主导，甚至淹没信号电动势[4]，由流速与相对误差的关系图（图4）可知，为了保证仪表的检测精度，流速应大于015m/s.故推荐使用流速范围为015～5m/s。
灌浆施工时吸浆量大小一般在0～100L/min，进、返浆上EMF相应的流量范围为30～100L/min，从流量、流速与口径三者关系表（表1）可知：EMF口径选择DN25比较合适。DN25的测量范围是14.72～147.18L/min，同时DN25和现场灌浆管道口径一致，配套安装时，不需要变径。同时EMF的时间常数也应该设置小一些，一般在1～3s，以提高测量的灵敏度。
注：*Q=1L/min
封孔：待灌浆结束后，按照施工技术要求压浆封孔，无流量测量点，故不展开讨论。
3 应用注意事项
3.1 施工工艺的影响与处理
按照循环灌浆的原理，返回浆液要流回搅拌桶，采用2台EMF分别计量进、返浆管道中浆液的流量（如图3所示）。然而有些用户去掉返浆管上的EMF，返浆管通过一个三通直接接在EMF下游的进浆管上，返回浆液不返回搅拌桶，采用一台EMF测量灌浆量[5]，其结果在岩层吸浆量很小和灌浆结束阶段，浆液流过EMF的流速很小，远低于EMF的流速下限，信噪比S/N很小，测量误差高达50%，无法计量。
3.2 测量管道内附浆量的影响与处理
每次灌浆结束后，要及时清除EMF测量管内的残余浆液，否则水泥浆液易在测量管道内产生不同程度的胶结，甚至堵塞EMF测量管和相接的灌浆管道。EMF测量管内的附着层会引起附加相对误差Δε[7]，实践证明其引起的误差是很大的，假定其厚度相同，Δε由式（5）计算[6]：
（5）
封孔：待灌浆结束后，按照施工技术要求压浆封孔，无流量测量点，故不展开讨论。
3 应用注意事项
3.1 施工工艺的影响与处理
按照循环灌浆的原理，返回浆液要流回搅拌桶，采用2台EMF分别计量进、返浆管道中浆液的流量（如图3所示）。然而有些用户去掉返浆管上的EMF，返浆管通过一个三通直接接在EMF下游的进浆管上，返回浆液不返回搅拌桶，采用一台EMF测量灌浆量[5]，其结果在岩层吸浆量很小和灌浆结束阶段，浆液流过EMF的流速很小，远低于EMF的流速下限，信噪比S/N很小，测量误差高达50%，无法计量。
3.2 测量管道内附浆量的影响与处理
每次灌浆结束后，要及时清除EMF测量管内的残余浆液，否则水泥浆液易在测量管道内产生不同程度的胶结，甚至堵塞EMF测量管和相接的灌浆管道。EMF测量管内的附着层会引起附加相对误差Δε[7]，实践证明其引起的误差是很大的，假定其厚度相同，Δε由式（5）计算[6]：
（5）
式中：σω、σf分别为附着物和测量溶液的电导率；t为附着物厚度；d为直径。
水泥颗粒的σω和水泥浆液σf相差很大，因为附着水泥层电导率极低，当附着物有一定厚度时，Δε会比较大。
3.3 介质中气泡的影响与处理
因工艺或介质本身的原因，所测液体常含一些气泡。EMF属于流速型的流量方式，气泡在管道圆截面中所占据的面积百分率，几乎就等同于气泡对流量测量的影响量[5]。此外由于气泡经过电极表面存在一个摩擦过程，由此会产生尖峰脉冲干扰电势，其值远大于正常的流量信号。通常电磁流量转换器无法有效地处理如此的干扰，轻者导致测量值不稳定，严重时仪表根本无法工作，一些缺乏经验的用户仅从工艺的要求出发，对EMF的安装位置没有考虑防止气泡的产生，例如有些用户把EMF安装在灌浆泵的吸入端，吸入端的浆液中常会混入成泡状流的小气泡，故EMF一般要安装在泵的排出端。EMF垂直安装，浆液自下而上流动。水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要垂直于地平线，因为处于底部的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面。
3.4 恶劣施工现场环境的影响与处理
灌浆施工现场的环境大部分时间比较恶劣，例如高温、潮湿、高灰尘等，如果EMF外壳的密封不良，诸如接线盒，以及一些非焊接气密封结构的外壳，时间长了冷凝水和灰尘容易积聚在EMF的接线盒中，或透过密封不良的结合面渗入EMF壳体中，由于EMF的流量信号极其微弱（通常是几mA），冷凝水和灰尘的存在，直接的后果是导致EMF转换器输入回路阻抗下降，衰减了欲输往放大器的流量信号；或者是破坏励磁回路和信号回路的绝缘，将高达几十V的励磁电压引入到低电势的信号回路中，造成EMF的严重故障[6]。为了避免此类故障的发生，可在接线盒中灌注绝缘材料，在维修和调试EMF的时候一定要避免进水，保持接线盒内的干燥与干净，使用中一定要避免浸泡在水或浆液中。
4 结束语
目前我国处于一个水电开发的新高潮，水泥灌浆量非常大，动态的计量水泥灌浆量至关重要，电磁EMF以其*的优点成为灌浆工程流量测量的仪器。在全国的许多大、中型水电工程中取得了很好的使用效果。
水泥颗粒的σω和水泥浆液σf相差很大，因为附着水泥层电导率极低，当附着物有一定厚度时，Δε会比较大。
3.3 介质中气泡的影响与处理
因工艺或介质本身的原因，所测液体常含一些气泡。EMF属于流速型的流量方式，气泡在管道圆截面中所占据的面积百分率，几乎就等同于气泡对流量测量的影响量[5]。此外由于气泡经过电极表面存在一个摩擦过程，由此会产生尖峰脉冲干扰电势，其值远大于正常的流量信号。通常电磁流量转换器无法有效地处理如此的干扰，轻者导致测量值不稳定，严重时仪表根本无法工作，一些缺乏经验的用户仅从工艺的要求出发，对EMF的安装位置没有考虑防止气泡的产生，例如有些用户把EMF安装在灌浆泵的吸入端，吸入端的浆液中常会混入成泡状流的小气泡，故EMF一般要安装在泵的排出端。EMF垂直安装，浆液自下而上流动。水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要垂直于地平线，因为处于底部的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面。
3.4 恶劣施工现场环境的影响与处理
灌浆施工现场的环境大部分时间比较恶劣，例如高温、潮湿、高灰尘等，如果EMF外壳的密封不良，诸如接线盒，以及一些非焊接气密封结构的外壳，时间长了冷凝水和灰尘容易积聚在EMF的接线盒中，或透过密封不良的结合面渗入EMF壳体中，由于EMF的流量信号极其微弱（通常是几mA），冷凝水和灰尘的存在，直接的后果是导致EMF转换器输入回路阻抗下降，衰减了欲输往放大器的流量信号；或者是破坏励磁回路和信号回路的绝缘，将高达几十V的励磁电压引入到低电势的信号回路中，造成EMF的严重故障[6]。为了避免此类故障的发生，可在接线盒中灌注绝缘材料，在维修和调试EMF的时候一定要避免进水，保持接线盒内的干燥与干净，使用中一定要避免浸泡在水或浆液中。
4 结束语
目前我国处于一个水电开发的新高潮，水泥灌浆量非常大，动态的计量水泥灌浆量至关重要，电磁EMF以其*的优点成为灌浆工程流量测量的仪器。在全国的许多大、中型水电工程中取得了很好的使用效果。