灌漿自動(dòng)記錄儀中智能鉆井泥漿流量計(jì)的正確選用和應(yīng)用

介紹灌漿自動(dòng)記錄儀中智能鉆井泥漿流量計(jì)的測(cè)量原理、灌漿工程中正確選用的原則、現(xiàn)場(chǎng)合理安裝及使用的方法，同時(shí)也指出了小循環(huán)灌漿法的智能鉆井泥漿流量計(jì)無法準(zhǔn)確、真實(shí)檢測(cè)小流量的缺陷及大循環(huán)灌漿法中智能鉆井泥漿流量計(jì)選用的合理性。
灌漿自動(dòng)記錄儀中流量參數(shù)的測(cè)量主要是針對(duì)水泥漿液的測(cè)量。水泥漿液由于水灰比的不同會(huì)形成不穩(wěn)定的懸浮液或穩(wěn)定的漿液 (指水離析)，同時(shí)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(jīng)流量計(jì)測(cè)量管時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)則呈現(xiàn)層流或紊流狀態(tài)。決定水泥漿液流態(tài)轉(zhuǎn)變的參數(shù)是一個(gè)無量綱的雷諾數(shù)Re，管流的雷諾數(shù)為

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(shù)；ν是運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

當(dāng)Re>2 320時(shí)流態(tài)就屬于紊流，當(dāng)Re<2 320時(shí)流態(tài)就屬于層流，即臨界雷諾數(shù)Rec=2 320。

不同流動(dòng)狀態(tài)的水泥漿液流經(jīng)流量計(jì)測(cè)量管時(shí)，管內(nèi)圓截面上會(huì)呈現(xiàn)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*大，且雷諾數(shù)變化、流速分布形態(tài)不變；紊流時(shí)，流速分布在測(cè)量管內(nèi)壁的近旁比層流流速大，在中心部比層流時(shí)流速小，且流速分布形態(tài)隨雷諾數(shù)的變化而變化。

通常通過測(cè)量流速求流量的流量計(jì)，面對(duì)不同流態(tài)的流體時(shí)都要考慮其流速分布及雷諾數(shù)變化的影響，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

事實(shí)上無論何種流態(tài)的流體，在流量計(jì)圓截面測(cè)量管內(nèi)的流速分布總可以用一個(gè)對(duì)應(yīng)的平均流速V來表征，即

式中：Q為體積流量；F為測(cè)量管路的截面積。
從上式可以看出，只要檢測(cè)出平均流速V，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(tài)及其分布隨雷諾數(shù)的變化問題。但是測(cè)量平均流速的前提必須是流量計(jì)測(cè)量管有足夠長(zhǎng)的直管段，使管路中能形成中心部位具有*大流速的軸對(duì)稱流速分布，這種流速分布就能夠以管子半徑的函數(shù)來表示。
智能鉆井泥漿流量計(jì)就是基于測(cè)量平均流速V的速度型體積流量計(jì)。無論水泥漿液在測(cè)量管道內(nèi)的流動(dòng)為層流或還是因雷諾數(shù)的變化而變?yōu)槲闪?，其檢測(cè)電*所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與平均流速V成正比。
1、智能鉆井泥漿流量計(jì)原理
智能鉆井泥漿流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱EMF)的基本原理是法拉*電磁感應(yīng)定律，即運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)在其兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。見圖2，在內(nèi)徑為D、內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的非導(dǎo)磁性測(cè)量管內(nèi)，
具有導(dǎo)電性的被測(cè)介質(zhì)液態(tài)以一定的速度流動(dòng)時(shí)，則在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢(shì) E，其值為
E=kBVD    (2)
式中: E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V； k為系數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；V為流體平均流速，m/s；D為測(cè)量管內(nèi)徑，m。

液體的流量為

由式（2）和式（3）可得

式中：K為儀表常數(shù)，由于傳感器生產(chǎn)的離散性，對(duì)同一標(biāo)稱口徑的傳感器要按K=4kB/πD予以修正。
傳感器的感應(yīng)電勢(shì)E與流量qv是線性的比例關(guān)系，它只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和測(cè)量管內(nèi)徑D有關(guān)，而與其他物理參數(shù)的變化無關(guān)，這是智能鉆井泥漿流量計(jì)的*大優(yōu)點(diǎn)。只要測(cè)出感應(yīng)電勢(shì)的大小，就可計(jì)算出實(shí)際的流量。
2、智能鉆井泥漿流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
EMF的測(cè)量通道是一段無阻流檢測(cè)件的光滑直管，因不易阻塞故適用于測(cè)量含有固體顆?；蚶w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(huì)因檢測(cè)流量而產(chǎn)生壓力損失，儀表的阻力僅是同一長(zhǎng)度管道的沿程阻力，節(jié)能效果顯著，對(duì)于要求低阻力損失的大管徑供水管道*為適合。
EMF所測(cè)得的體積流量，實(shí)際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)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(cè)液體種類如何，都可以用水進(jìn)行實(shí)際流速的標(biāo)定。
與其他大部分流量?jī)x表相比，EMF測(cè)量時(shí)對(duì)前置直管段的要求較低。
EMF測(cè)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(nèi)選定。某些型號(hào)的EMF還可在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要擴(kuò)大和縮小流量(例如設(shè)有4位數(shù)電位器設(shè)定儀表常數(shù))，而不必取下作離線實(shí)流標(biāo)定。
EMF的口徑范圍從幾mm到3m，比其他品種流量?jī)x表要寬；同時(shí)可測(cè)正反雙向流量，也可測(cè)脈動(dòng)流量(只要脈動(dòng)頻率低于激磁頻率很多 )；儀表輸出在本質(zhì)上是線性的。
3、正確選用智能鉆井泥漿流量計(jì)的要點(diǎn)
3.1、量程
灌漿記錄儀投入使用時(shí)其性能參數(shù)必須和灌漿現(xiàn)場(chǎng)的灌漿機(jī)械設(shè)備相匹配，由于現(xiàn)場(chǎng)灌漿泵的泵量多為6m³/h(100L/min)，水泥漿液攪拌筒容積都為200L，所以進(jìn)漿EMF的量程也應(yīng)選為100L/min。返漿EMF大部分時(shí)間都在大流量狀態(tài)下工作，但在鉆孔吃漿量大的情況下可能會(huì)出現(xiàn)EMF檢測(cè)小流量的情況，這可以采用小口徑EMF提高流速來解決。
3.2、口徑
灌漿工程中常用的漿液是水泥漿液。因此，智能鉆井泥漿流量計(jì)的測(cè)量管道不能太小以免堵塞，一般直徑應(yīng)大于20mm。
帷幕灌漿時(shí)的吸漿量一般在0～100L/min，采用大循環(huán)灌漿方式時(shí)進(jìn)、返漿流量計(jì)上相應(yīng)的流量范圍為30～100L/min，從流量、流速與口徑三者關(guān)系曲線圖可知流量計(jì)的口徑以選擇DN25比較合適。DN25的流量測(cè)量范圍是14172～323181L/min，當(dāng)流量在30～100 L/min范圍時(shí)，其流速在112～31395m/s之間，比較合適；同時(shí)DN25和現(xiàn)場(chǎng)灌漿管道的口徑一致，配套安裝時(shí)不需要變徑，這*大地方便了用戶。
3.3、流速
EMF流速選取的通用原理是: 實(shí)際可測(cè)量范圍為011～10m/s，量程上限范圍為015～10m/s，推薦使用范圍為1～5m/s。而在灌漿現(xiàn)場(chǎng)EMF的選擇主要取決于水泥漿液在EMF測(cè)量管內(nèi)的流速的作用機(jī)理: 由于水泥漿液中帶有水泥固體顆粒，考慮到對(duì)EMF襯里和電*的磨損，選用流速小于或等于3m/s；另一方面水泥漿液又具有易黏附、沉淀、結(jié)垢的特性，EMF測(cè)量管內(nèi)的流速應(yīng)不低于215 m/s，*好在3～4m/s，以起到對(duì)電*和內(nèi)襯的自清掃作用。綜合考慮后EMF測(cè)量管內(nèi)的流速可選用218m/s，此流速對(duì)應(yīng)的流量應(yīng)該是實(shí)際灌注濃漿時(shí)灌漿泵能輸出的有效泵量， 一般為80L/min，滿度流量100L/min對(duì)應(yīng)的流速為315m/s，選用DN25的EMF的滿量程流速為31395m/s。
3.4、精度
EMF的測(cè)量精度通常都是用允許的*大引用誤差(*大允許誤差)間接表示的，其表達(dá)式為

式中:I為EMF的指標(biāo)值；Q為實(shí)際流量；If為滿量程值；ε在理論上是用引用誤差中*大的一個(gè)表示，而實(shí)際上都是采用一個(gè)規(guī)范的約定值來表示，如015%，1%等。

引用誤差去掉百分號(hào)(%)后即為EMF的精度等級(jí)。由于*大允許誤差與EMF各測(cè)量點(diǎn)具體的指標(biāo)值無關(guān)，可以準(zhǔn)確的表征各種EMF測(cè)量的精確程序，因此是EMF*主要的質(zhì)量指標(biāo)之一。由于EMF量程較寬，實(shí)際應(yīng)用時(shí)其*大允許誤差通常是分區(qū)間表示的，如光華 ·愛而美特儀器有限公司的K300一體化EMF的表示方法為:在滿量程的20%～100%流量范圍內(nèi),測(cè)量值的*大允許誤差為測(cè)量值的±1%;在滿量程的0%～20%流量范圍內(nèi),測(cè)量值的*大允許誤差為量程上限值的±012%。

流量計(jì)廠家在出廠檢驗(yàn)**中都把實(shí)測(cè)的幾個(gè)流量點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)以表1方式給出,從中可見實(shí)測(cè)的引用誤差都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于*大允許誤差。表1的EMF量程為6m³/h(100L/min)，輸出電流為4～20mA；且在滿量程值50%以上的測(cè)量點(diǎn)精度較，而在滿量程值1/3以下測(cè)量點(diǎn)精度低。

4、正確使用智能鉆井泥漿流量計(jì)的要點(diǎn)
4.1、使用時(shí)應(yīng)注意的一般事項(xiàng)
EMF的使用環(huán)境一定要遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁用電設(shè)備，如電焊機(jī)、大功率電機(jī)和變壓器等，以免引起電磁場(chǎng)干擾。尤其是不能和這些設(shè)備就近共電，若在EMF附近使用電焊機(jī)或和電焊機(jī)共電，其危害是百分之百的。
幾乎所有的EMF說明書都要求EMF和其相連接的管道一起要有良好的接地，但在灌漿現(xiàn)場(chǎng)尤其是灌漿廊道中，強(qiáng)用電設(shè)備堆積在一起，電磁場(chǎng)無和灌漿管道無任何電氣聯(lián)系，只要EMF浮空，不需要專門接地。但當(dāng)灌漿管道采用金屬管時(shí)，易在管網(wǎng)上產(chǎn)生大的雜散電流，會(huì)干擾EMF的正常狀態(tài)，此時(shí)需要在EMF和連接管道之間進(jìn)行電氣絕緣，才能保證正常使用。不能把信號(hào)電纜和電源線捆綁在一起，信號(hào)電纜一定要使用屏蔽電纜，且屏蔽層的一端一定要接地(在記錄儀主機(jī)端)以避免信號(hào)干擾；另外，盡可能避免受陽光直照，避免雨水浸淋和被水浸沒。
4.2、安裝位置和流動(dòng)方向
在灌漿現(xiàn)場(chǎng)會(huì)經(jīng)常碰到EMF的測(cè)量數(shù)據(jù)不合理或和應(yīng)用參比值不符 ，甚至EMF本身不能正常工作的現(xiàn)象，而單獨(dú)檢查EMF卻沒有一點(diǎn)問題，究其原因往往是現(xiàn)場(chǎng)EMF安裝不規(guī)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(cè)量水泥漿液這樣的固液兩相流體*好采用垂直安裝，以使?jié){液自下而上流動(dòng)，這樣能避免水平安裝時(shí)襯里下半部局部磨損嚴(yán)重及低流速時(shí)固相沉淀等缺點(diǎn)。
水平安裝時(shí)要使電*軸線平行于地平線，因?yàn)樘幱诘撞康碾?易被沉積物覆蓋，而頂部電*易被液體中偶存的氣泡擦過遮住電*表面，使輸出信號(hào)波動(dòng)。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(duì)于固液兩相流來說c處亦是不宜位置。

大循環(huán)時(shí)，進(jìn)、返漿EMF的安裝位置宜相隔1m以上，*好使用交流穩(wěn)壓器單獨(dú)供電，正常使用時(shí)，決不允許帶電拔掉EMF的電源和信號(hào)插座。

4.3、直管段長(zhǎng)度要求

為獲得正常測(cè)量的精確度，電磁流量傳感器的上游側(cè)要有一定長(zhǎng)度的直管段，以保證流速分布與管軸對(duì)稱。這里所說的直管長(zhǎng)度是離開電*的直管長(zhǎng)，小口徑EMF的測(cè)量管長(zhǎng)度往往是取其直徑的

5倍左右。需要指出的是EMF的出入口處絕對(duì)不允許安裝各種閥門 ，以往把灌漿調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)跳動(dòng)的現(xiàn)象屢見不鮮。

5、小循環(huán)灌漿法檢測(cè)流量的弊端

小循環(huán)灌漿法的實(shí)質(zhì)是: a泵的吸入量主要由返漿量提供，返漿量的大小由高壓調(diào)節(jié)閥控制，鉆孔灌漿注入量=流量計(jì)量(見圖4)；b流量計(jì)大部分時(shí)間工作在1/3量程之下，相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)工作在1L/min左右；c返漿漿液不返回?cái)嚌{桶，水泥漿液只能在閉合的管道中循環(huán)，漿桶內(nèi)調(diào)節(jié)水灰比對(duì)灌漿漿液的密度影響甚微。

由EMF的測(cè)量原理可知，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(cè)量管內(nèi)襯里的磨損和配管的經(jīng)濟(jì)速度等來決定。一般當(dāng)測(cè)量管內(nèi)實(shí)際流速小于0.1m/s時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)已變得十分微弱(幾微伏至零點(diǎn)幾微伏)，此時(shí)噪聲的影響逐步變?yōu)橹鲗?dǎo)，甚至淹沒信號(hào)電動(dòng)勢(shì)。其流速和測(cè)量誤差的關(guān)系詳見圖 5和表2。

從圖5、表2可以看出，當(dāng)灌漿孔吸漿量很小、流速小于011m/s時(shí) ，流量測(cè)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(duì)于1L/min(流速為0.0085m/s，0.0133m/s)的測(cè)量點(diǎn)由于測(cè)量誤差達(dá)20%，已無精度可言。至于0.6L/min或0.4L/min的測(cè)量結(jié)果究竟是由噪聲還是由信號(hào)所致也搞不清楚，可信度就更無法考證了。
盡管EMF有較寬的測(cè)量范圍，其量程比可達(dá)1∶30甚至1∶50，但使用過寬的量程往往是以降低測(cè)量精度為代價(jià)的。正確選用EMF量程的*要依據(jù)是正常流量要大于滿量程的50%，即以工作在2/3量程區(qū)為好，盡可能不使用1/3量程區(qū)，以確保一定的測(cè)量精度；且正常流量對(duì)應(yīng)的流速應(yīng)選用2～315m/s的經(jīng)濟(jì)流速。
小循環(huán)灌漿時(shí)，要測(cè)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(jì)都有近2h工作在2L/min以下，所以應(yīng)優(yōu)先選用口徑較小(DN15) 、量程為215m³/h的EMF。但在實(shí)際小循環(huán)灌漿中，有時(shí)又不得不面對(duì)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1100，由于EMF不可改變的安裝位置而又必須選用DN40或DN50，*終小循環(huán)灌漿只好將錯(cuò)就錯(cuò)而制造出一個(gè)矛盾體。
6、大循環(huán)灌漿方式檢測(cè)流量的合理性
采用大循環(huán)灌漿方式時(shí)，由于進(jìn)漿量為進(jìn)漿管流量與返漿管流量之差，所以在灌漿泵泵送壓力的作用下，當(dāng)注入漿量較小時(shí)(如在屏漿階段)漿桶中的水泥漿液以較大的流量流過進(jìn)漿管進(jìn)入灌漿孔中，除少量水泥漿液被壓力灌進(jìn)地層中外，大部分水泥漿液通過返漿管流回漿桶。因此，進(jìn)漿管和返漿管上的流量均處于EMF的精度較高的測(cè)量范圍之內(nèi)，可以檢測(cè)小注入流量(如012L/min)，使灌漿能按規(guī)范要求的注入率(014L/min)結(jié)束灌漿，且在安裝位置上也符合智能鉆井泥漿流量計(jì)的要求。大循環(huán)灌漿方式在**的許多大、中型水電工程中已取得了很好的使用效果。