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电磁流量计

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基于分子磁化率性质的电磁流量计误差分析

来源:作者:发表时间:2017-09-06 10:08:52

 摘  要:采用电磁学和结构化学原理剖析了用于石油 “三采”聚合物液流的电磁流量计计量误差原因, 从分子磁化性质的角度解释了由于不同溶液的磁化率性质不同所造成的电磁流量计计量误差的现象。结合公式和实验说明了不同溶液在电磁流量计励磁磁场的作用下发生磁化而导致电磁流量计原励磁磁场强度发生变化的误差机理。通过论证和实验证明, 不同磁化率性质的溶液在通过励磁磁场时将会不同程度的改变原磁场强度, 因此不同溶液在同一电流量计磁场的作用下其感应电动势的响应值是不同的。

 
在石油三采技术中聚合物溶液注入量的计量直接影响到采收率和成本 ,为了不破坏聚合物的分子结构 ,目前选用电磁流量计计量聚合物溶液流量。但是在应用中电磁流量计出现较大的计量误差现象。本文结合电磁流量计的原理 ,从结构化学的角度分析了产生误差的原因 ,并将初探解决的方法。电磁流量计 (EMF)是一种计量导电液流流量的计量仪表 。由于它具有一些优良的特性, 因此成为应用最为广泛 、发展最为迅速的流量计种类 。但是电磁流量计的计量误差是其致命的弱点 ,总结现有的文献和资料显示 ,电磁流量计的误差原因分为2类 :一类是由于安装使用不当造成的;另一类是电磁流量计自身结构造成的 。本文提出了第 3类电磁流量计的误差原因 :即被测溶液的分子磁化率性质产生的电磁流量计计量误差 。根据法拉第电磁感应定律,当导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感生电势 e。电流方向由右手定则确定,电动势 e的大小与磁场磁感应强度 B、导体在磁场内的长度 L以及导体的运动速度 u成正比,如果 B、 L、u三者互相垂直,则:
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        与此相同 ,在磁感应强度为 B的均质磁场中,垂直于磁场方向设置内径为 D的高磁阻管道, 当导电液流在管道中以流速 u流动时 ,导电液流切割磁力线 。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明 ,只要管道内流速轴对称分布, 两电极之间将产生感生电动势 :
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        其中:u为管道截面上的平均流速 。由此得到管道的体积流量为:
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  上式说明, 体积流量 qv与感应电动势 e和测量管道内径 D成函数关系,与磁场的磁感应强度 B成反比。
 
        满足公式(3)的条件是 B为常数量,如果磁场 B发生了变化则感应电动势的数值也将发生变化。“磁属性是一切物质的必有属性 ”(法拉第 )。物质的磁性与原子、分子所组成的微观结构有着密切的关系。磁化率是物质属性中表示物质磁化能力的物理量,它通过居里定律将物质的宏观性质 χM摩尔磁化率与微观性质 μm 分子永久磁矩联系起来。结构化学中阐述 :“分子在磁场中如同电介质在电场中发生极化一样 ,将发生磁化现象 ”。将这种被外磁场作用的物质称为磁介质 。磁介质在外磁场的作用下发生磁化 、所产生的附加磁场强度H″与外磁场强度 H' 是成正比的 。
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        其中:κ称为磁介质的体积磁化率.磁介质在外磁场的作用下发生了磁化现象 , 磁化后的磁场 B等于外磁场强度 H' 与磁介质发生磁化时自己所产生的附加磁场强度 H″叠加的算术合。
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所以 B=H'+κH'=H' (1 +κ)=μH' (5)
 
        μ表示磁介质的磁导率.
        上式说明磁场感应强度是体积流量的函数;而磁场强度 B是随着液相物质的磁化率和磁导率的性质不同而变化的.
 
        在结构化学中磁化率是用摩尔分子磁化率 xm表示的,即 :
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        其中:Vm 表示磁介质的摩尔体积, ρ表示密度, κ表示单位磁场强度下的体积磁化率, M表示磁介质的摩尔质量 。
        上式说明单位体积磁化率 κ是不同物质分子的特有属性 ,液相物质的密度 ρ、相对分子质量 M、摩尔磁化率 xm 、摩尔体积 V m 都与体积磁化率 κ有着密切的联系。
 
        由此说明电磁流量计的感应电动势 e是随着被测液流物质的分子磁化率性质而变化的,这就是聚合物溶液分子磁化率性质产生的电磁流量计计量误差的原因。
 
        经过实验确认:在相同的环境条件下 DN20型的电磁流量计量水、分子质量 300万聚丙烯酰胺溶液、分子质量 800万聚丙烯酰胺溶液, 电磁流量计显示数值一致的 1 h计量情况如表 2
不同溶剂、不同质量浓度的溶液磁化率检测实验结果
不同分子质量的聚丙烯酰氨溶液在相同的质量浓度和 1000L时用电磁流量计计量的误差
1  实验及结果
        实验条件和实验系统装置示意图如图 1。
        水质条件:水温 18 ℃、电导值 80 μ/cm、TOC0。20 mg/L。
        系统管径:ND20mm。
实验系统装置示意图
2  结   语
        不同结构、不同分子质量的物质磁化性质是不同的, 这将造成同种溶质同种溶剂不同质量浓度的溶液磁化性质不同;同种溶剂不同溶质的溶液磁化性质不同;同种溶质不同溶剂的溶液磁化性质不同 .这说明电磁流量计所计量的不同液流溶液其分子磁化率性质是不同的,不同磁化率性质的溶液在通过电磁流量计励磁磁场时将会不同程度的改变原磁场强度 ,因此不同溶液、相同容积在同一电磁流量计励磁磁场的作用下其感应电动势是不同的,所以电磁流量计在计量不同溶液和聚合物溶液时、由于溶液磁化率性质不同就会产生计量误差, 这就是被测溶液分子磁化率性质产生的电磁流量计计量误差机理 .