電磁流量計(jì)在灌漿工程中的研究與應(yīng)用

目前我國在建的大中型水電站有幾十個(gè)，正處在一個(gè)水利水電建設(shè)的新高潮，灌漿技術(shù)是水電建筑物地基處理常用的和重要的工程措施[1]，水泥的灌漿量非常大，例如貴州省構(gòu)皮灘水電站帷幕灌漿323km，固結(jié)灌漿418.9km，回填灌漿135.4km2，綜合考慮行業(yè)的特殊性以及不同對(duì)象儀表在使用、維護(hù)和施工工藝的具體要求及正確選用，這是保證施工質(zhì)量和儀表本體正確安全運(yùn)行極其重要的工作內(nèi)容，對(duì)日后的實(shí)際工作將帶來很大的好處。
                           
                        灌漿行業(yè)施工工藝中的漿液和水的流量測(cè)量非常重要，特別是所使用的液體流量檢測(cè)儀表，與一般企業(yè)有所不同，有其特殊要求，例如要便于頻繁清洗和承受高速漿液中顆粒的摩擦和惡劣環(huán)境等[2]，具體如下：
                            （1）傳感器測(cè)量回路簡(jiǎn)單，沒有阻流件和容易滯流介質(zhì)的部位；
                            （2）與介質(zhì)接觸部件材料能承受水泥漿液中固相顆粒在高流速時(shí)的摩擦力與化學(xué)漿液的腐蝕作用；
                            （3）具有快速的響應(yīng)性能和較高的測(cè)量精度；
                            （4）能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫、潮濕、高灰塵的惡劣施工環(huán)境。
                           
                        在眾多液體流量?jī)x器產(chǎn)品中，電磁EMF具有測(cè)量不受流體溫度、壓力、密度、黏度的影響、電磁流量計(jì)內(nèi)部直通光滑、直接進(jìn)行電測(cè)量，響應(yīng)速度快、檢測(cè)部無運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)發(fā)生滴漏現(xiàn)象、計(jì)量精度高、內(nèi)襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷，具有很強(qiáng)的抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[3]，近年來已成為灌漿工程流量測(cè)量的儀器。
                            1 工作原理
                           
                        電磁流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱EMF）的工作原理（見圖1）是基于法拉第電磁感應(yīng)定律[3]。被測(cè)介質(zhì)垂直于磁力線方向流動(dòng)，因而與介質(zhì)流動(dòng)和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E
                                           （1）
                        式中：E為電動(dòng)勢(shì)，V；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；D為測(cè)量管內(nèi)徑，m；為被測(cè)介質(zhì)的平均流速，m/s.
                            被測(cè)介質(zhì)的體積流量Q為
                                          （2）
                        式中Q為被測(cè)介質(zhì)的流量，m3/s。

                        由式（1）和式（2）可得：
                                    （3）
                           
                        由此可見，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與被測(cè)介質(zhì)流量Q成正比。與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和測(cè)量?jī)?nèi)徑D有關(guān)，而與其他物理參數(shù)的變化無關(guān)。測(cè)量系統(tǒng)的變送器輸出E是一個(gè)微弱的交變信號(hào)，其中包含各種干擾成分，且信號(hào)內(nèi)阻變化高達(dá)幾萬Ω，因此要求轉(zhuǎn)換器是一個(gè)高輸入阻抗，且能抑制各種干擾成分的交流mV轉(zhuǎn)換器。將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成4～20mA的統(tǒng)一信號(hào)。轉(zhuǎn)換器有高輸入阻抗差動(dòng)放大器、主放大器、正交干擾抑制器、相敏檢波器、直流放大器、霍爾乘法器等組成，zui后輸出信號(hào)電流為
                        Io=K·Q      （4）
                        式中：Io為輸出信號(hào)電流；K為儀表常數(shù)。
                            2 灌漿工程中EMF的使用
                           
                        圖2所示是灌漿過程的主要工藝流程[1]，為在施工中進(jìn)行有效的控制，需對(duì)施工過程中的水和水泥漿液進(jìn)行計(jì)量和控制。

                           
                        鉆孔、洗孔：灌漿施工首先要在巖層中自上而下分段進(jìn)行鉆孔，待單孔終孔，用大量清水洗孔，至回水變清，無流量測(cè)量點(diǎn)，故不展開討論。
                           
                        簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)：洗孔結(jié)束，下孔口管，密封孔口，以設(shè)計(jì)要求的壓力向孔內(nèi)送水，測(cè)定其相應(yīng)的流量值，并據(jù)此計(jì)算巖體的透水率。計(jì)算結(jié)果關(guān)系到巖體滲透特性的評(píng)價(jià)以及灌漿成果資料整理。這一測(cè)量點(diǎn)是十分重要和敏感的，準(zhǔn)確是首要指標(biāo)，水有一定的電導(dǎo)率，滿足EMF的測(cè)量要求，需要重點(diǎn)考慮的是EMF的口徑，因?yàn)閴核囼?yàn)和灌漿用的是相同的EMF。
                           
                        灌漿：壓水試驗(yàn)后，灌漿泵將一定水灰比（比如3∶1，2∶1，1∶1，018∶1，015∶1）的水泥漿液壓送到孔中，一部分進(jìn)入裂隙而擴(kuò)散，余下的漿液經(jīng)回漿管返出孔外，流回到漿液攪拌機(jī)中，在規(guī)定的壓力下，當(dāng)注入率不大于014L/min時(shí)，繼續(xù)灌注30min；或不大于1L/min，繼續(xù)灌注60min，灌漿可以結(jié)束。每臺(tái)鉆孔設(shè)備都需要兩臺(tái)EMF分別記錄進(jìn)、返漿流量，灌漿量就等于進(jìn)漿量減去返漿量，現(xiàn)場(chǎng)管線與EMF安裝布置見圖3。

                           
                        由于現(xiàn)場(chǎng)灌漿泵泵量多為6m3/h（100L/min），故EMF的量程選為100L/min，由EMF的測(cè)量原理可知[4]，其流速的下限由同噪聲或偏移的信噪比S/N（信號(hào)與噪聲）來決定，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[3]。由于水泥漿液中帶有水泥固體顆粒，考慮到對(duì)EMF襯里和電極的磨損，選用流速≤5m/s，另一方面水泥漿液又具有易粘附、沉淀、結(jié)垢的特性，故EMF測(cè)量管內(nèi)的流速應(yīng)不低于015m/s，以起到對(duì)電極和內(nèi)襯的自清掃作用。一般當(dāng)測(cè)量管內(nèi)實(shí)際流速<011m/s時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)已變得十分微弱（零點(diǎn)幾μV～幾μV），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)[4]，由流速與相對(duì)誤差的關(guān)系圖（圖4）可知，為了保證儀表的檢測(cè)精度，流速應(yīng)大于015m/s.故推薦使用流速范圍為015～5m/s。

                           
                        灌漿施工時(shí)吸漿量大小一般在0～100L/min，進(jìn)、返漿上EMF相應(yīng)的流量范圍為30～100L/min，從流量、流速與口徑三者關(guān)系表（表1）可知：EMF口徑選擇DN25比較合適。DN25的測(cè)量范圍是14.72～147.18L/min，同時(shí)DN25和現(xiàn)場(chǎng)灌漿管道口徑一致，配套安裝時(shí)，不需要變徑。同時(shí)EMF的時(shí)間常數(shù)也應(yīng)該設(shè)置小一些，一般在1～3s，以提高測(cè)量的靈敏度。

                        注：*Q=1L/min
                            封孔：待灌漿結(jié)束后，按照施工技術(shù)要求壓漿封孔，無流量測(cè)量點(diǎn)，故不展開討論。
                            3 應(yīng)用注意事項(xiàng)
                            3.1 施工工藝的影響與處理
                           
                        按照循環(huán)灌漿的原理，返回漿液要流回?cái)嚢柰埃捎?臺(tái)EMF分別計(jì)量進(jìn)、返漿管道中漿液的流量（如圖3所示）。然而有些用戶去掉返漿管上的EMF，返漿管通過一個(gè)三通直接接在EMF下游的進(jìn)漿管上，返回漿液不返回?cái)嚢柰埃捎靡慌_(tái)EMF測(cè)量灌漿量[5]，其結(jié)果在巖層吸漿量很小和灌漿結(jié)束階段，漿液流過EMF的流速很小，遠(yuǎn)低于EMF的流速下限，信噪比S/N很小，測(cè)量誤差高達(dá)50%，無法計(jì)量。
                            3.2 測(cè)量管道內(nèi)附漿量的影響與處理
                           
                        每次灌漿結(jié)束后，要及時(shí)清除EMF測(cè)量管內(nèi)的殘余漿液，否則水泥漿液易在測(cè)量管道內(nèi)產(chǎn)生不同程度的膠結(jié)，甚至堵塞EMF測(cè)量管和相接的灌漿管道。EMF測(cè)量管內(nèi)的附著層會(huì)引起附加相對(duì)誤差Δε[7]，實(shí)踐證明其引起的誤差是很大的，假定其厚度相同，Δε由式（5）計(jì)算[6]：
                                                   （5）
                        式中：σω、σf分別為附著物和測(cè)量溶液的電導(dǎo)率；t為附著物厚度；d為直徑。
                            水泥顆粒的σω和水泥漿液σf相差很大，因?yàn)楦街鄬与妼?dǎo)率極低，當(dāng)附著物有一定厚度時(shí)，Δε會(huì)比較大。
                            3.3 介質(zhì)中氣泡的影響與處理
                           
                        因工藝或介質(zhì)本身的原因，所測(cè)液體常含一些氣泡。EMF屬于流速型的流量方式，氣泡在管道圓截面中所占據(jù)的面積百分率，幾乎就等同于氣泡對(duì)流量測(cè)量的影響量[5]。此外由于氣泡經(jīng)過電極表面存在一個(gè)摩擦過程，由此會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖干擾電勢(shì)，其值遠(yuǎn)大于正常的流量信號(hào)。通常電磁流量轉(zhuǎn)換器無法有效地處理如此的干擾，輕者導(dǎo)致測(cè)量值不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)儀表根本無法工作，一些缺乏經(jīng)驗(yàn)的用戶僅從工藝的要求出發(fā)，對(duì)EMF的安裝位置沒有考慮防止氣泡的產(chǎn)生，例如有些用戶把EMF安裝在灌漿泵的吸入端，吸入端的漿液中常會(huì)混入成泡狀流的小氣泡，故EMF一般要安裝在泵的排出端。EMF垂直安裝，漿液自下而上流動(dòng)。水平安裝時(shí)要使電極軸線平行于地平線，不要垂直于地平線，因?yàn)樘幱诘撞康碾姌O易被沉積物覆蓋，頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面。
                            3.4 惡劣施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響與處理
                           
                        灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境大部分時(shí)間比較惡劣，例如高溫、潮濕、高灰塵等，如果EMF外殼的密封不良，諸如接線盒，以及一些非焊接氣密封結(jié)構(gòu)的外殼，時(shí)間長(zhǎng)了冷凝水和灰塵容易積聚在EMF的接線盒中，或透過密封不良的結(jié)合面滲入EMF殼體中，由于EMF的流量信號(hào)極其微弱（通常是幾mA），冷凝水和灰塵的存在，直接的后果是導(dǎo)致EMF轉(zhuǎn)換器輸入回路阻抗下降，衰減了欲輸往放大器的流量信號(hào)；或者是破壞勵(lì)磁回路和信號(hào)回路的絕緣，將高達(dá)幾十V的勵(lì)磁電壓引入到低電勢(shì)的信號(hào)回路中，造成EMF的嚴(yán)重故障[6]。為了避免此類故障的發(fā)生，可在接線盒中灌注絕緣材料，在維修和調(diào)試EMF的時(shí)候一定要避免進(jìn)水，保持接線盒內(nèi)的干燥與干凈，使用中一定要避免浸泡在水或漿液中。
                            4 結(jié)束語
                           
                        目前我國處于一個(gè)水電開發(fā)的新高潮，水泥灌漿量非常大，動(dòng)態(tài)的計(jì)量水泥灌漿量至關(guān)重要，電磁EMF以其*的優(yōu)點(diǎn)成為灌漿工程流量測(cè)量的儀器。在全國的許多大、中型水電工程中取得了很好的使用效果。