引言

        疏浚船舶泥漿流量計是計算挖泥產量、指導施工操作的重要設備之一，所測流量數據為施工管理提供重要的決策依據 [1] 。現階段疏浚船舶泥漿流量計多為接觸式電磁流量計，新型超聲波及聲吶陣列流量計應用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵等行業，應用于疏浚船舶的案例較少 [2] 。疏浚船舶泥漿流量計測量介質為固液兩相流，施工過程復雜多變，衡量泥漿流量計是否適用于疏浚船舶的首要因素為測量穩定性，測量的穩定性直接影響著施工效率；流量計的測量穩定性與流量計的工作原理、安裝方式、使用壽命及測量介質有著密切的關系。

 

        將新型超聲波流量計、新型聲吶陣列流量計安裝在某絞吸船，測量介質為貝殼泥沙海水混合液體；通過對絞吸船施工監測來記錄新型流量計的流速數據，并與絞吸船現役的電磁流量計所測流速數據對比分析，通過對比可知新型流量計是否適用于疏浚船舶。

 

1 工作原理

1.1 電磁流量計

        電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表；電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律，即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產生感應電動勢。如圖 1 所示，導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成正比的感應電動勢，其值如下：

        E = kBDv

        式中：E 為感應電動勢；k 為系數；B 為磁感應強度；D 為測量管內徑；v為平均流速。

        體積流量：

 

        由上式可知，體積流量 Q v 與感應電動勢 E 和測量管內徑 D 成線性關系，與磁場的磁感應強度B 成反比，與其它物理參數無關。

 

1.2 超聲波流量計

        超聲波流量計是利用超聲脈沖在流體中傳播的速度與流體的速度有對應的關系，即順流時的超聲脈沖傳播速度比逆流時傳播的速度要快，順流與逆流兩種超聲脈沖傳播的時間差越大，則流量越大原理。如圖 2 所示流量計工作時，處在上游的換能器發射調制后的超聲波脈沖，為順流傳播，下游的換能器接收到脈沖后再返回一個相同調制脈沖，該脈沖逆流傳播到上游換能器，根據兩束脈沖的傳播距離、傳播時間可以計算出聲速、被測量介質流速。新型超聲波流量計的改進之處即在于這個脈沖的抗干擾性，脈沖由一個已知低頻波形去調制固定高頻，這樣接收端可以進行波形比對，濾除常見的介質噪聲；計算聲波傳輸時間時采取波形鑒相技術，提高了聲波傳輸時間的精確性，進而提高流量計的測量精度。

對于逆流傳播的超聲波脈沖傳播時間為：

對于順流傳播的超聲波脈沖傳播時間為：

傳輸時間差：

由以上可知流體速度 v、聲速 c 分別為：

由流體速度進而可算得流體的體積流量。

 

1.3 聲吶陣列流量計

        聲吶陣列流量計由環繞式帶狀傳感器、保護傳感器帶的玻璃纖維或不銹鋼外殼、變送器/數字信號處理器組成。聲吶陣列流量計的測量原理是當管道中的流體達到湍流狀態，湍流產生漩渦與流體形成對流，漩渦的運動對管壁的內側產生微小應力，該應力使管壁產生動態形變，由于流體流速 v 與漩渦的頻率 f 和波長 λ 存在 v = f × λ 的關系，被動聲吶傳感器陣列偵聽到漩渦的頻率 f和波長 λ，結合陣列算法，從而計算出漩渦的平均流速，即管道內的流體速度。

 

2 流量計應用測試

2.1 測試條件

        1） 時間：2016 年 4 月 15 日；

        2） 地點：廈門新機場；

        3） 船舶：新海豚絞吸船；

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

        5） 流量計口徑：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）；

        7） 介質：貝殼泥沙海水混合液體（施工穩定階段濃度為 30 %）。

2.2 測試準備與開始

        超聲波流量計的安裝對管道要求較高，安裝前需對管道的內壁進行厚度測量，測厚過程中發現管道內壁厚薄不均勻，為了避免管道表面不平整導致探頭信號衰減，安裝探頭時在其表面涂抹較厚的耦合劑以此填補管道表面凹痕。為確保測試原始真實性，3 種流量計儀表通電后，除基本參數外，其余優化參數均不設置。測試準備完成后，對絞吸船啟泵、停泵及施工穩定階段流量計的應用情況進行測試，并記錄測試數據。

 

3 流量計測試數據及分析

3.1 施工穩定階段測試

        對施工穩定階段中 3 種流量計所測介質流速數據記錄，截取其中一段數據繪制成曲線如圖 4所示。

        對曲線中 3 種流量計所測介質流速數據做比較分析，3 種流量計所測流速之間關系為（系數為數據段的平均倍數）：

        v 超聲波 =1.046v 電磁

        v 聲吶 = 1.056v 電磁

        標準差是反映數據樣本內個體間的離散型，流速的標準差可反映 3 種流量計測量的穩定性。

3 種流量計所測流速數據的標準差分別為：

        s 電磁 = 0.54

        s 超聲波 = 0.51

        s 聲吶 = 0.47

        由圖 4 及數據分析可知，因第 1 次測試，流量計儀表只進行初始參數設置，此次測試 3 種流量計流速波動都較大。根據測量情況，對 3 種流量計儀表參數進行優化設置，優化后再次進行測試，測試數據曲線如圖 5 所示。

 

選取其中一段相對穩定的數據進一步分析可知（選取的樣本數與第 1 次測試相同）：

        v 超聲波 =1.031v 電磁

        v 聲吶 = 1.044v 電磁

 

3 種流量計所測流速數據的標準差為：

        s 電磁 = 0.42

        s 超聲波 = 0.41

        s 聲吶 = 0.35

 

        綜上可知 2 次測試中 3 種流量計所測介質流速之間關系為 v 聲吶 > v 超聲波 > v 電磁 ；第 2 次測試中3 種流量計所測流速較第 1 次更加穩定，且聲吶陣列流量計所測流速依然是非常穩定，超聲波流量計所測流速的穩定性與電磁流量計所測流速的穩定性相當。

 

3.2 啟動、停止測試

        施工穩定階段測試中用于分析的數據是截取流量穩定后的一段，對于絞吸船泥泵啟動初期、停止時流量計所測流速數據沒有進行比較分析；為綜合分析施工各個階段流量計測量情況，將絞吸船泥泵啟動初期、停止時的流量計所測流速數據進行對比分析。截取測試中泥泵由停止再到啟動時的流量計所測流速數據繪制成曲線，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相對有較大的波動，超聲波及電磁流量計相對穩定；小流速階段，聲吶陣列流量先無法測量到流速，后出現間歇的抖動；超聲波流量計和電磁流量計所測流速相對平滑下降直到流速為 0。在泵啟動初期，聲吶陣列流量計會有較大的波動，超聲波流量計和電磁流量計上升相對穩定平滑。

 

        新型聲吶陣列流量計所測介質流速在泵啟動階段雖然有較大的波動，但是能在短時間內穩定下來，因此波動不會對施工穩定階段產生較大的影響。

 

4 流量計固有特性分析

1） 安裝方式

        電磁流量計為接觸式安裝，需安裝在管道上，安裝時需拆卸管道；新型超聲波流量計和聲吶陣列流量計都為非接觸式安裝，只需對管路進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的使用壽命；電磁流量計是接觸式安裝，流量計受介質流動而磨損，新型超聲波流量計和聲吶陣列流量計為非

接觸式安裝，不受介質流動影響，故新型超聲波流量計與聲吶陣列流量計的使用壽命比電磁流量計使用壽命長。

 

5 結語

        通過對新型泥漿流量計測試含貝殼泥沙海水混合液體介質并與現役電磁流量計對比可知，新型超聲波流量計、聲吶陣列流量計所測介質流速大于現役電磁流量計所測介質流速；在施工穩定階段，新型聲吶陣列流量計流速測量具有更好的穩定性，新型超聲波流量計與船舶現役電磁流量計流速測量穩定性相當。綜合考慮泥漿流量計固有特性及測試結果，新型超聲波流量計與聲吶陣列流量計流速測量穩定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。