新型泥漿流量計(jì)在疏浚船舶上的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)疏浚船舶現(xiàn)役泥漿流量計(jì)多為接觸電磁式，無(wú)法確定新型非接觸式泥漿流量計(jì)（超聲波、聲吶陣列）是否適用的問(wèn)題；對(duì)不同工作原理泥漿流量計(jì) （電磁、超聲波、聲吶陣列） 在相同工況下進(jìn)行測(cè)試，分析對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：疏浚船舶進(jìn)入穩(wěn)定施工階段后，新型聲吶陣列流量計(jì)具有更好的測(cè)量穩(wěn)定性，新型超聲波流量計(jì)與現(xiàn)役電磁流量計(jì)測(cè)量穩(wěn)定性相當(dāng)。綜合考慮新型泥漿流量計(jì)固有特性，新型泥漿流量計(jì)（超聲波、聲吶陣列）均適用于疏浚船舶。

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] 。現(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(guò)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(guò)對(duì)絞吸船施工監(jiān)測(cè)來(lái)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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)。

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。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。

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(jiàn)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。

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(zhǎng) λ 存在 v = f × λ 的關(guān)系，被動(dòng)聲吶傳感器陣列偵聽(tīng)到漩渦的頻率 f和波長(zhǎng) 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(mén)新機(jī)場(chǎng)；

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(guó)FLEXIM 便攜式外夾超聲波流量計(jì)（4 個(gè)探頭）、美國(guó) 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 %）。

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(lái)，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(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(mǎn)足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。