灌漿自動記錄儀中ZNE電磁流量計灌漿工程中正確選用的原則、現場合理安裝及使用的方法 1 ZNE電磁流量計原理 ZNE電磁流量計（以下簡稱EMF）的基本原理是法拉第電磁感應定律,即運動的導體在磁場中切割磁力線時在其兩端會產生感應電動勢.見圖2,在內徑為D、內部磁場強度為B的非導磁性測量管內,具有導電性的被測介質液態以一定的速度流動時,則在與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢E,其值為 E = kBD 式中:E為感應電動勢,V;k為系數;B為磁感應強度,T;為流體平均流速,m/s;D為測量管內徑,m. 液體的流量為 不同流動狀態的水泥漿液流經流量計測量管時,管內圓截面上會呈現不同的流速分布（見圖1）,即:層流的流速變化是拋物線分布,在管中心軸上流速,且雷諾數變化、流速分布形態不變;紊流時,流速分布在測量管內壁的近旁比層流流速大,在中心部比層流時流速小,且流速分布形態隨雷諾數的變化而變化. 通常通過測量流速求流量的流量計,面對不同流態的流體時都要考慮其流速分布及雷諾數變化的影響,以確保測量的準確性.由式（2）和式（3）可得 式中:K為儀表常數,由于傳感器生產的離散性,對同一標稱口徑的傳感器要按K=4kB/πD予以修正. 傳感器的感應電勢E與流量qv是線性的比例關系,它只與磁感應強度B和測量管內徑D有關,而與其他物理參數的變化無關,這是ZNE電磁流量計的.只要測出感應電勢的大小,就可計算出實際的流量. 灌漿自動記錄儀中流量參數的測量主要是針對水泥漿液的測量.水泥漿液由于水灰比的不同會形成不穩定的懸浮液或穩定的漿液（指水離析）[1],同時水泥漿液的流變特性也隨水灰比的不同而分別符合牛頓定律或賓漢定律,流經流量計測量管時的流動狀態則呈現層流或紊流狀態.決定水泥漿液流態轉變的參數是一個無量綱的雷諾數Re[2],管流的雷諾數為 （1） 式中:ρ是流體密度;V是管流的平均速度;d是管徑;μ是黏性系數;v是運動黏性系數. 當Re>2320時流態就屬于紊流,當Re<2320時流態就屬于層流,即臨界雷諾數Rec=2320. 事實上無論何種流態的流體,在流量計圓截面測量管內的流速分布總可以用一個對應的平均流速來表征[3],即 ZNE電磁流量計就是基于測量平均流速的速度型體積流量計.無論水泥漿液在測量管道內的流動為層流或還是因雷諾數的變化而變為紊流,其檢測電極所產生的感應電動勢與平均流速成正比. 式中:Q為體積流量;F為測量管路的截面積. 從上式可以看出,只要檢測出平均流速,再乘以圓管的截面積F,即可得出流量Q,因此就沒有必要去顧及流速分布的形態及其分布隨雷諾數的變化問題.但是測量平均流速的前提必須是流量計測量管有足夠長的直管段,使管路中能形成中心部位具有流速的軸對稱流速分布.這種流速分布就能夠以管子半徑的函數來表示. 2 正確使用ZNE電磁流量計的要點 2.1 直管段長度要求 為獲得正常測量的精確度,電磁流量傳感器的上游側要有一定長度的直管段,以保證流速分布與管軸對稱.這里所說的直管長度是離開電極的直管長,小口徑EMF的測量管長度往往是取其直徑的5倍左右.需要指出的是EMF的出入口處不允許安裝各種閥門,以往把灌漿調節高壓閥直接裝在返漿EMF的出口處,造成了流速分布變化,故流量數據跳動的現象 2.2 安裝位置和流動方向 在灌漿現場會經常碰到EMF的測量數據不合理或和應用參比值不符[4],甚至EMF本身不能正常工作的現象,而單獨檢查EMF卻沒有一點問題,究其原因往往是現場EMF安裝不規范造成的. EMF的安裝方向或水平、或垂直、或傾斜均可,不受限制.但測量水泥漿液這樣的固液兩相流體采用垂直安裝,以使漿液自下而上流動,這樣能避免水平安裝時襯里下半部局部磨損嚴重及低流速時固相沉淀等缺點. 水平安裝時要使電極軸線平行于地平線,因為處于底部的電極易被沉積物覆蓋,而頂部電極易被液體中偶存的氣泡擦過遮住電極表面,使輸出信號波動.例如圖3所示管系中,c和d為適宜位置;a,b,e為不宜位置（b處可能液體不充滿,a和e處易積聚氣體,且e處傳感器后管段短也有可能不充滿）;對于固液兩相流來說c處亦是不宜位置. 大循環時,進、返漿EMF的安裝位置宜相隔1m以上,使用交流穩壓器單獨供電,正常使用時,決不允許帶電拔掉EMF的電源和信號插座.屢見不鮮. 3 表1 幾個流量點的實測原始數據表序號輸出信號/mA實測流量/（m3·h-1）理論流量/（m3·h-1）誤差（引用）/%119.555.8315.8260.08216.424.6584.6470.18312.283.1053.0890.2748.331.6991.6730.4353.99——— 4ZNE電磁流量計的優點 EMF的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管,因不易阻塞故適用于測量含有固體顆粒或纖維的液固二相流體,如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等. EMF不會因檢測流量而產生壓力損失,儀表的阻力僅是同一長度管道的沿程阻力,節能,對于要求低阻力損失的大管徑供水管道適合. EMF所測得的體積流量,實際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率（只要在某閾值以上）變化明顯的影響,僅取決于流體的平均流速;因此無論被測液體種類如何,都可以用水進行實際流速的標定. 與其他大部分流量儀表相比,EMF測量時對前置直管段的要求較低. EMF測量范圍度大,通常為1:20~1:50,可選流量范圍寬,滿度值液體流速可在0.5~10m/s內選定.某些型號的EMF還可在現場根據需要擴大和縮小流量（例如設有4位數電位器設定儀表常數）,而不必取下作離線實流標定. EMF的口徑范圍從幾mm到3m,比其他品種流量儀表要寬;同時可測正反雙向流量,也可測脈動流量（只要脈動頻率低于激磁頻率很多）;儀表輸出在本質上是線性的. 5 小循環灌漿法檢測流量的弊端 小循環灌漿法的實質是[5]:a.泵的吸入量主要由返漿量提供,返漿量的大小由高壓調節閥控制,鉆孔灌漿注入量=流量計量（見圖4）;b.流量計大部分時間工作在1/3量程之下,相當長的時間內工作在1L/min左右;c.返漿漿液不返回攪漿桶,水泥漿液只能在閉合的管道中循環,漿桶內調節水灰比對灌漿漿液的密度影響甚微. 由EMF的測量原理可知[4],其流量的下限由同噪聲或偏移的信噪比S/N來決定,其上限則由測量管內襯里的磨損和配管的經濟速度等來決定.一般當測量管內實際流速小于0.1m/s時,感應電動勢已變得十分微弱（幾微伏至零點幾微伏）,此時噪聲的影響逐步變為主導,甚至淹沒信號電動勢.其流速和測量誤差的關系詳見圖5和表2. 表2 流量與示值誤差的關系流量/（L·min-1）DN40流速/（m·s-1）示值誤差/%200.265±1100.113±250.066±420.0265±1010.01326±200.60.00796±330.40.0053±50 從圖5、表2可以看出,當灌漿孔吸漿量很小、流速小于0.1m/s時,流量測量值的誤差已變得非常大,且隨著流速的變小呈直線上升.對于1L/min（流速為0.0085m/s,0.0133m/s）的測量點由于測量誤差達20%,已無精度可言.至于0.6L/min或0.4L/min的測量結果究竟是由噪聲還是由信號所致也搞不清楚,可信度就更無法考證了. 小循環灌漿時,要測的水泥漿液流量基本上都在1/3量程以下,且每段灌漿流量計都有近2h工作在2L/min以下,所以應優先選用口徑較小（DN15）、量程為2.5m3/h的EMF.但在實際小循環灌漿中,有時又不得不面對巖溶地層大吃漿量的需求而把量程定為灌漿泵的泵量（6m3/h）,從而使量程大于1:100,由于EMF不可改變的安裝位置而又必須選用DN40或DN50,最終小循環灌漿只好將錯就錯而制造出一個矛盾體. 盡管EMF有較寬的測量范圍,其量程比可達1:30甚至1:50,但使用過寬的量程往往是以降低測量精度為代價的.正確選用EMF量程的首要依據是正常流量要大于滿量程的50%,即以工作在2/3量程區為好,盡可能不使用1/3量程區,以確保一定的測量精度;且正常流量對應的流速應選用2~3.5m/s的經濟流速. 6 大循環灌漿方式檢測流量的合理性 采用大循環灌漿方式時,由于進漿量為進漿管流量與返漿管流量之差[6],所以在灌漿泵泵送壓力的作用下,當注入漿量較小時（如在屏漿階段）漿桶中的水泥漿液以較大的流量流過進漿管進入灌漿孔中,除少量水泥漿液被壓力灌進地層中外,大部分水泥漿液通過返漿管流回漿桶.因此,進漿管和返漿管上的流量均處于EMF的精度較高的測量范圍之內,可以檢測小注入流量（如0.2L/min）,使灌漿能按規范要求的注入率（0.4L/min）結束灌漿,且在安裝位置上也符合ZNE電磁流量計的要求.大循環灌漿方式在全國的許多大、中型水電工程中已取得了很好的使用效果.推薦產品.電磁流量計,壓力變送器,孔板流量計,V錐型流量計,超聲波流量計,渦街流量計,渦輪流量計,熱電偶.