煤層注水流量計(jì)的測量原理及實(shí)踐當(dāng)中遇到的難題與優(yōu)化

摘要：為了提高煤層注水流量計(jì)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，簡述了勵磁線圈的結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝 ；討論了勵磁線圈在設(shè)計(jì)、制造及裝配中對煤層注水流量計(jì)的影響，指出了煤層注水流量計(jì)在設(shè)計(jì)時的注意事項(xiàng)。
煤層注水流量計(jì)因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，致使其抗干擾能力較弱、準(zhǔn)確度偏低以及瞬時流量波動過大等不良現(xiàn)象，但便于安裝、造價(jià)低廉、普遍應(yīng)用于大管道等特點(diǎn)而存在。為了發(fā)揮其優(yōu)勢，消除其不利因素，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其準(zhǔn)確度能夠達(dá)到 ±1% FS，使抗干擾能力得到*大地增強(qiáng)。本文主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇材料和試驗(yàn)，使煤層注水流量計(jì)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度大幅度提高，并提出解決措施，對實(shí)際應(yīng)用具有參考價(jià)值。分析與研究程序圖如圖 1 所示。

1 測量原理
根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律的工作原理，也就是液態(tài)導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動時，對導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（Es）的分布進(jìn)行分析，研究磁場分布的影響規(guī)律，在保證高準(zhǔn)確度、高可靠性和抗干擾能力強(qiáng)、瞬時流量波動范圍小的前提下，尋求寬范圍流量測量時*優(yōu)的煤層注水流量計(jì)。
煤層注水流量計(jì)測量液體的流量時，液體為導(dǎo)電液體，電導(dǎo)率應(yīng)大于 5μs/cm，流體流過垂直于流動方向的磁場導(dǎo)電液體的流動感應(yīng)出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應(yīng)電動勢（Es），感應(yīng)電動勢方程為：
Es=BDV×10 -4
式中：Es--- 電動勢，伏特（V）
B---- 磁感應(yīng)強(qiáng)度，特斯拉（T）
D---- 測量管內(nèi)徑，厘米（cm）
V---- 被測液體平均流速，米 / 秒（m/s）
因煤層注水流量計(jì)與一般的法蘭管道式電磁流量計(jì)有很大的不同，煤層注水流量計(jì)的傳感器外側(cè)形成發(fā)射磁場，測量電*在傳感器的端部，故此根據(jù)尼庫接磁（NIKURADS）原理，測量導(dǎo)電液體流量時，導(dǎo)電流體流過垂直于流動方向的磁場導(dǎo)電液體的流動感應(yīng)出平均流速，從而獲得與流體的體積流量成正比的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢信號被兩個與流體相接觸的電*檢測出來，在轉(zhuǎn)換器中顯示瞬時流量和累計(jì)流量，并通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出到上位機(jī)，即 4mA ～ 20mA DC，如圖 2 所示。

煤層注水流量計(jì)的測量探頭測得管道內(nèi)部特定位置（管道內(nèi)徑的 1/8 處）的局部流速，以確定管道流速，煤層注水流量計(jì)的傳感器是在測量探頭外側(cè)形成外發(fā)射磁場，測量電*在傳感器的端部。
基于以上目的，為了降低外發(fā)射磁場的電磁流速傳感器所產(chǎn)生的感應(yīng)信號受信號流體和磁場的邊界層厚度影響，會降低測量的線性度，通過一體化的特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)，在外徑為：Ф47mm（因?yàn)樾枰褂?2 〃螺紋球閥，球閥通孔直徑為：50mm 的緣故），內(nèi)徑為：Ф40mm，長度為：77mm的空間內(nèi)進(jìn)行布置各個相關(guān)零、部件（兩個電*、兩個電*加長桿，勵磁線圈部件），應(yīng)用法拉*電磁感應(yīng)定律和尼庫接磁（NIKURADS）原理，將磁感應(yīng)強(qiáng)度充分發(fā)揮，達(dá)到高準(zhǔn)確度、高可靠性、寬范圍的流體測量，同時采用新材料、新工藝，該結(jié)構(gòu)還具有耐高溫，并且適用于大口徑管道的流體測量等特性。
通過大量的試驗(yàn)，對探頭端部外型結(jié)構(gòu)亦采用特殊設(shè)計(jì)，從而消除兩個電*之間的擾流現(xiàn)象，同時亦消除因通電產(chǎn)生磁場，導(dǎo)致兩個電*吸附介質(zhì)中的鐵屑而影響測量精度和死區(qū)效應(yīng)，增強(qiáng)了輸出信號的穩(wěn)定性，從而提高傳感器準(zhǔn)確度和抗干擾性。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用壽命更長，煤層注水流量計(jì)探頭局部，如圖 3 所示。

2 實(shí)踐當(dāng)中遇到的實(shí)際難題
在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)剛剛纏繞完畢的勵磁線圈，由于摩擦生熱的原因，直接進(jìn)行測量阻值時，阻值往往大于理論計(jì)算值（1Ω ～ 2Ω）。當(dāng)勵磁線圈在自然環(huán)境中失效幾個小時后，勵磁線圈的阻值恢復(fù)到理論設(shè)計(jì)值。從而推論，含有勵磁線圈的煤層注水流量計(jì)受現(xiàn)場管道介質(zhì)溫度的影響非常大，致使煤層注水流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器內(nèi)的技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化，影響其過程控制的準(zhǔn)確度，而且瞬時流量波動過大。
其原因是：勵磁線圈的阻值及匝數(shù)是按照常溫狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而含有勵磁線圈的煤層注水流量計(jì)經(jīng)常是高于常溫狀態(tài)下進(jìn)行安裝、使用（如：高爐回水、供熱管道等），勵磁線圈的阻值隨使用環(huán)境溫度的變化而變化，致使煤層注水流量計(jì)測量時的準(zhǔn)確度大為降低，性能的不確定性大為增加，為了保證儀表的高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，在不同的季節(jié)（主要是環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度），經(jīng)過大量模擬現(xiàn)場實(shí)際情況的試驗(yàn)，并結(jié)合轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)要求，得出一個完善的勵磁線圈各種技術(shù)參數(shù)。模擬現(xiàn)場試驗(yàn)裝置如圖 4 所示。

試驗(yàn)方法：*先，把煤層注水流量計(jì)和溫度傳感器按照圖中所示固定在自動加熱箱體中；其次，把煤層注水流量計(jì)的勵磁線圈的引線（聚四氟乙烯屏蔽線）與萬用表測量阻值端鈕相連接，并把檔位定格在 200Ω 刻度線上；同時把溫度傳感器（PT100 鉑電阻）的引線與溫度顯示器相連接。
經(jīng)檢查無誤后，經(jīng)過大約 10min，記錄此時水箱中水的溫度，然后接通 220V AC 電源，自動電加熱箱體內(nèi)的水進(jìn)行升溫，以水每升高 5℃，記錄一次萬用表顯示的阻值，記錄直至水溫達(dá)到 100℃時的阻值。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：
為了滿足現(xiàn)場管道高溫介質(zhì)對煤層注水流量計(jì)測量準(zhǔn)確度的影響，探頭勵磁線圈的阻值在環(huán)境溫度（T=15℃時），按照理論計(jì)算值進(jìn)行纏繞，為 60Ω±0.5Ω，漆包圓繞組線直徑：Φ=0.21mm，經(jīng)過多次升高介質(zhì)（自來水）溫度進(jìn)行試驗(yàn)，勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
1）2018 年 12 月份北方的冬季，室溫：15℃～ 20℃內(nèi)進(jìn)行*一次試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)時間共 75min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
水溫：15℃時， 勵磁線圈阻值：R=60.2Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值：R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻值 R=81.4Ω 阻值升高2.5Ω
*一次試驗(yàn)結(jié)論：水溫從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵磁線圈的電阻值平均增大 1.247Ω。
2）勵磁線圈完全處于室溫：15℃～ 20℃狀態(tài)下，24h后進(jìn)行*二次試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)時間共 80min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
水溫：6℃時，勵磁線圈阻值：R=58.8Ω
水溫：10℃時， 勵磁線圈阻值：R=59.8Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：15℃時， 勵磁線圈阻值：R=60.2Ω 阻值升高0.4Ω
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.5Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=65.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈阻值：R=66.2Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻值：R=67.0Ω 阻值升高0.8Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.7Ω 阻值升高1.7Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=69.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.2Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值：R=72.3Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.2Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻值：R=74.7Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值：R=75.8Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.7Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=79.1Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻值：R=81.2Ω 阻值升高2.1Ω
*二次試驗(yàn)結(jié)論：水溫從 15℃升到 100℃時，每升高5℃，勵磁線圈的電阻值平均增大 1.179Ω。后又在本季節(jié)多次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果大體相似。
3）2019 年 7 月 12 日星期四上午 8 ：15 開始試驗(yàn)，試驗(yàn)室溫：25℃～ 30℃內(nèi)進(jìn)行*三次試驗(yàn)，升溫試驗(yàn)時間共30min。
勵磁線圈的電阻值與溫度的變化數(shù)據(jù)表示如下：
水溫：20℃時， 勵磁線圈阻值：R=61.4Ω
水溫：25℃時， 勵磁線圈阻值：R=62.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：30℃時， 勵磁線圈阻值：R=63.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：35℃時， 勵磁線圈阻值：R=64.9Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：40℃時， 勵磁線圈阻值：R=66.4Ω 阻值升高1.5Ω
水溫：45℃時， 勵磁線圈阻值：R=67.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：50℃時， 勵磁線圈阻值：R=68.8Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：55℃時， 勵磁線圈阻值：R=70.0Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：60℃時， 勵磁線圈阻值：R=71.1Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：65℃時， 勵磁線圈阻值    R=72.2Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：70℃時， 勵磁線圈阻值：R=73.4Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：75℃時， 勵磁線圈阻值：R=74.5Ω 阻值升高1.1Ω
水溫：80℃時， 勵磁線圈阻值：R=75.4Ω 阻值升高0.9Ω
水溫：85℃時， 勵磁線圈阻值：R=76.6Ω 阻值升高1.2Ω
水溫：90℃時， 勵磁線圈阻值：R=77.9Ω 阻值升高1.3Ω
水溫：95℃時， 勵磁線圈阻值：R=78.9Ω 阻值升高1.0Ω
水溫：100℃時，勵磁線圈阻值：R=80.1Ω 阻值升高 1.1Ω
水溫：100℃時，連續(xù)進(jìn)行 8 小時高溫度（100℃）水進(jìn)行試驗(yàn)，此時的勵磁線圈阻值：R=80.1Ω ～ 81.4Ω 范圍內(nèi)波動。
這次夏季試驗(yàn)結(jié)論：水溫從 20℃升到 100℃時，每升高 5℃，勵磁線圈的電阻值平均增大 1.1625Ω。后又在本季節(jié)多次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果大體相似。
通過北方寒冷的冬季及夏季的數(shù)十次試驗(yàn)，其試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。
為了使勵磁線圈產(chǎn)生的磁力線均勻、完整地包裹電*，勵磁線圈的磁芯要盡量與電*端部相接近，使電*整體充分地切割磁力線，同時兼顧電感值的大小，在電感值適中的情況下（后面論述，經(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)，電感值：L=390mH 為宜），從而產(chǎn)生連綿不斷的、強(qiáng)大、穩(wěn)定的磁場信號，在實(shí)踐中起到了大大降低過程控制流量的波動性，并且增加了流速的穩(wěn)定性（*小流速為 0.2m/s 時，可精準(zhǔn)、穩(wěn)定地測量），同時使煤層注水流量計(jì)在標(biāo)校時的標(biāo)校系數(shù)大為降低（如轉(zhuǎn)換器的標(biāo)校系數(shù)：1 ～ 5.9999，則實(shí)際標(biāo)校過程中，標(biāo)校系數(shù)只為 1.3 左右），使標(biāo)校過程簡易化，更容易進(jìn)行標(biāo)校，*大地減輕了標(biāo)校人員的工作強(qiáng)度，儀表的準(zhǔn)確度更高。勵磁線圈部件與端部電*的相對位置如圖 5 所示。
3 煤層注水流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過在不同季節(jié)進(jìn)行的數(shù)十次試驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合轉(zhuǎn)換器本身的技術(shù)參數(shù)的要求，以及在煤層注水流量計(jì)傳感器的有限空間內(nèi)，進(jìn)行技術(shù)參數(shù)、新材料和新工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1）根據(jù)閉合回路的屬性 --- 電感原理及公式：L=μQ ×μ r ×Ae×N 2 /l
式中：L-電感，單位：亨（H）
μQ -自由空間的導(dǎo)磁率：4д×10 -7 H/m
μr -磁芯材料相對的導(dǎo)磁率，單位：亨 / 米（H/m）
Ae-磁芯的截面積，單位：平方米（m 2 ）
N---- 勵磁線圈的匝數(shù)
l---- 勵磁線圈纏繞長度，單位：米（m）
2）精選勵磁線圈磁芯的材質(zhì)以及尺寸的選擇根據(jù)尼庫接磁（NIKURADS）原理，設(shè)計(jì)、制造和特性參數(shù)試驗(yàn)。為了增大導(dǎo)磁率，*大地改善封閉性磁力線強(qiáng)度，故此選擇實(shí)心勵磁線圈，使磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅增加。磁芯采用磁性等級：超級；*號：電工純鐵（型號：DT4C）；矯頑力：≤ 32，矯頑力時效增值：≤ 4，*大導(dǎo)磁率：≥ 0.0151
工業(yè)純鐵質(zhì)地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。工業(yè)純鐵熔點(diǎn)比鐵高，在潮濕的空氣中比鐵難以生銹，在冷的濃硫酸中可以鈍化；同時電磁性能好。矯頑力（Hc）低，導(dǎo)磁率 μ 高，飽和磁感（Bs）高，磁性穩(wěn)定又無磁時效。鋼質(zhì)純凈度高，電工純鐵系列鋼質(zhì)均為鎮(zhèn)靜鋼，又采用了精練，所以內(nèi)部組織致密，均勻，優(yōu)良，氣體含量少，成品含碳量≤ 0.004%，冷、熱加工性能好。冷加工如車、墩、沖、彎、拉等都無問題，具有良好的加工性能，加工表面質(zhì)量好。
3）勵磁線圈的漆包圓繞組線的選擇根據(jù)中華人民共和國**標(biāo)準(zhǔn) GB/T6109.1-2008《漆包圓繞組線 *一部分：一般規(guī)定》和 GB/T6109.2-2008《漆包圓繞組線 *二部分：155 級聚酯漆包銅圓線》的相關(guān)規(guī)定，并且結(jié)合煤層注水流量計(jì)的具體使用情況及使用范圍的安全裕度，選擇型號：QZY=XY-2/200，線徑：Φ0.21mm。
型號：QZY+XY-2/150 的含義
系列代號 Q-漆包圓繞組線
漆膜代號 Z-聚酯類漆
Y-聚酰亞胺類漆
非自粘性漆包線 2-二級漆膜
耐溫溫度 150-攝氏度：150℃
煤層注水流量計(jì)勵磁線圈的結(jié)構(gòu)形式如圖 6 所示。
根據(jù)以上不同季節(jié)的數(shù) 10 次試驗(yàn)，勵磁線圈得出相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)如下：
a）從勵磁線圈的漆包圓繞組線的選擇（如：勵磁線圈的型號、線徑等）如上所述。
b）關(guān)于勵磁線圈的阻值通常情況下的理論值均在常溫下進(jìn)行計(jì)算與確定，但一定要結(jié)合轉(zhuǎn)換器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選擇。
選擇方法：如煤層注水流量計(jì)所選擇的轉(zhuǎn)換器匹配的阻值為：（X ～ Y）Ω時，則勵磁線圈的阻值大于或等于1.5X 即可。這樣既能滿足流動介質(zhì)溫度低于常溫時，勵磁線圈阻值必然降低，但不影響轉(zhuǎn)換器的正常工作，同時亦能滿足介質(zhì)溫度高于常溫時，勵磁線圈阻值升高，也不影響轉(zhuǎn)換器的正常工作。
c）從結(jié)構(gòu)上講，勵磁線圈的磁芯必須長于線圈部件為好。其磁芯長出部分應(yīng)與采集信號的電*基本在一個基準(zhǔn)線上，在現(xiàn)有的磁場強(qiáng)度下增加磁力線*大程度上包裹電*，使之電*采集信號的*大化，由此增加煤層注水流量計(jì)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于插入式電磁型流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過程中，勵磁線圈經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)、磁芯材料的選擇和探頭結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)，提高其在現(xiàn)場運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等級和抗干擾能力，充分發(fā)揮煤層注水流量計(jì)自有優(yōu)勢，對該產(chǎn)品質(zhì)量的提升具有實(shí)質(zhì)性作用。

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