針對(duì)疏浚船舶現(xiàn)役泥漿流量計(jì)多為接觸電磁式，無(wú)法確定新型非接觸式泥漿流量計(jì)（超聲波、聲吶陣列）是 否適用的問題；對(duì)不同工作原理泥漿流量計(jì)（電磁、超聲波、聲吶陣列在相同工況下進(jìn)行測(cè)試，分析對(duì)比測(cè)試數(shù) 據(jù)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：疏浚船舶進(jìn)入穩(wěn)定施工階段后，新型聲吶陣列流量計(jì)具有更好的測(cè)量穩(wěn)定性，新型超聲波 流量計(jì)與現(xiàn)役電磁流量計(jì)測(cè)量穩(wěn)定性相當(dāng)。綜合考慮新型泥漿流量計(jì)固有特性，新型泥漿流量計(jì)（超聲波、聲吶陣 列)均適用于疏浚船舶。

0.引言

疏浚船舶泥漿流量計(jì)是計(jì)算挖泥產(chǎn)量、指導(dǎo) 施工操作的重要設(shè)備之所測(cè)流量數(shù)據(jù)為施工 管理提供重要的決策依據(jù)。現(xiàn)階段疏浚船舶泥漿 流量計(jì)多為接觸式電磁流量計(jì)，新型超聲波及聲 吶陣列流量計(jì)應(yīng)用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵 等行業(yè)，應(yīng)用于疏浚船舶的案例較少[2]。疏浚船舶泥漿流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)為固液兩相流，施工過程復(fù) 雜多變，衡量泥漿流量計(jì)是否適用于疏浚船舶的 首要因素為測(cè)量穩(wěn)定性，測(cè)量的穩(wěn)定性直接影響著施工效率；流量計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性與流量計(jì)的工 作原理、安裝方式、使用壽命及測(cè)量介質(zhì)有著密 切的關(guān)系。

將新型超聲波流量計(jì)、新型聲吶陣列流量計(jì) 安裝在某絞吸船，測(cè)量介質(zhì)為貝殼泥沙海水混合 液體；通過對(duì)絞吸船施工監(jiān)測(cè)來(lái)記錄新型流量計(jì) 的流速數(shù)據(jù)，并與絞吸船現(xiàn)役的電磁流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)對(duì)比分析，通過對(duì)比可知新型流量計(jì)是 否適用于疏浚船舶。

1.工作原理

1.1電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成 的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表；電磁流量 計(jì)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在 磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)。如圖1所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn) 生與流量成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值如下：

E=kBDv

式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；k為系數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng) 度；D為測(cè)量管內(nèi)徑；￥為平均流速。

由上式可知，體積流量認(rèn)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和 測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成反比，與其它物理參數(shù)無(wú)關(guān)。

1.2超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是利用超聲脈沖在流體中傳播 的速度與流體的速度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即順流時(shí)的 超聲脈沖傳播速度比逆流時(shí)傳播的速度要快，順 流與逆流兩種超聲脈沖傳播的時(shí)間差越大，則流 量越大原理。如圖2所示流量計(jì)工作時(shí)，處在上 游的換能器發(fā)射調(diào)制后的超聲波脈沖，為順流傳 播，下游的換能器接收到脈沖后再返回一個(gè)相同 調(diào)制脈沖，該脈沖逆流傳播到上游換能器，根據(jù) 兩束脈沖的傳播距離、傳播時(shí)間可以計(jì)算出聲速、 被測(cè)量介質(zhì)流速。新型超聲波流量計(jì)的改進(jìn)之處 即在于這個(gè)脈沖的抗干擾性，脈沖由一個(gè)已知低頻波形去調(diào)制固定高頻，這樣接收端可以進(jìn)行波 形比對(duì)，濾除常見的介質(zhì)噪聲；計(jì)算聲波傳輸時(shí) 間時(shí)采取波形鑒相技術(shù)，提高了聲波傳輸時(shí)間的 精確性，進(jìn)而提高流量計(jì)的測(cè)量精度。

1.3聲吶陣列流量計(jì)

聲吶陣列流量計(jì)由環(huán)繞式帶狀傳感器、保護(hù) 傳感器帶的玻璃纖維或不銹鋼外殼、變送器數(shù)字 信號(hào)處理器組成。聲吶陣列流量計(jì)的測(cè)量原理是 當(dāng)管道中的流體達(dá)到湍流狀態(tài)，湍流產(chǎn)生漩渦與 流體形成對(duì)流，漩渦的運(yùn)動(dòng)對(duì)管壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生微 小應(yīng)力，該應(yīng)力使管壁產(chǎn)生動(dòng)態(tài)形變，由于流體 流速v與漩渦的頻率f和波長(zhǎng)A存在v = f x A的 關(guān)系，被動(dòng)聲吶傳感器陣列偵聽到漩渦的頻率f 和波長(zhǎng)A,結(jié)合陣列算法，從而計(jì)算出漩渦的平 均流速，即管道內(nèi)的流體速度。

2.流量計(jì)應(yīng)用測(cè)試

2.1測(cè)試條件

1）時(shí)間：2016年4月15曰；

2）地點(diǎn)：廈門新機(jī)場(chǎng)；

3）船舶：新海豚絞吸船；

4）流量計(jì)型號(hào)：電磁流量計(jì)、便攜式外夾超聲波流量計(jì)(4個(gè)探頭、美 國(guó)CIDRA抱箍式聲吶陣列波流量計(jì)；

5）流量計(jì)口徑：DN850；

6）安裝位置：排泥金屬主管道(如圖3依次 為超聲波、聲吶陣列、電磁流量計(jì)；

7）介質(zhì)：貝殼泥沙海水混合液體(施工穩(wěn)定 階段濃度為30 %。

2.2測(cè)試準(zhǔn)備與開始

超聲波流量計(jì)的安裝對(duì)管道要求較高，安裝 前需對(duì)管道的內(nèi)壁進(jìn)行厚度測(cè)量，測(cè)厚過程中發(fā) 現(xiàn)管道內(nèi)壁厚薄不均勻，為了避免管道表面不平 整導(dǎo)致探頭信號(hào)衰減，安裝探頭時(shí)在其表面涂抹 較厚的耦合劑以此填補(bǔ)管道表面凹痕。為確保測(cè) 試原始真實(shí)性，3種流量計(jì)儀表通電后，除基本 參數(shù)外，其余優(yōu)化參數(shù)均不設(shè)置。

測(cè)試準(zhǔn)備完成后，對(duì)絞吸船啟泵、停泵及施 工穩(wěn)定階段流量計(jì)的應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試，并記錄 測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3.1施工穩(wěn)定階段測(cè)試

對(duì)施工穩(wěn)定階段中3種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速 數(shù)據(jù)記錄，截取其中一段數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖4 所示。

對(duì)曲線中3種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速數(shù)據(jù)做比數(shù)據(jù)段的平均倍數(shù)：

v超聲波=1.046v電磁

v聲吶=1.056v電磁

標(biāo)準(zhǔn)差是反映數(shù)據(jù)樣本內(nèi)個(gè)體間的離散型，

流速的標(biāo)準(zhǔn)差可反映3種流量計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性。

3種流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為： s電磁=0.54 s超聲波=0.51 s聲吶=0.47

由圖4及數(shù)據(jù)分析可知，因第1次測(cè)試，流量計(jì)儀表只進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，此次測(cè)試3種流 量計(jì)流速波動(dòng)都較大。根據(jù)測(cè)量情況，對(duì)3種流量計(jì)儀表參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，優(yōu)化后再次進(jìn)行測(cè) 試，測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

選取其中一段相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可 知(選取的樣本數(shù)與第i次測(cè)試相同）：

v超聲波=i.03iw電磁

v聲吶=1.044w電磁

3種流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為： s電磁=0.42

s超聲波=0.41

s 聲吶 = 0.35

綜上可知2次測(cè)試中3種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流 速之間關(guān)系為v聲吶> v超聲波> ?電磁；第2次測(cè)試中

種流量計(jì)所測(cè)流速較第1次更加穩(wěn)定，且聲吶 陣列流量計(jì)所測(cè)流速依然是最穩(wěn)定，超聲波流量 計(jì)所測(cè)流速的穩(wěn)定性與電磁流量計(jì)所測(cè)流速的穩(wěn) 定性相當(dāng)。

3.2啟動(dòng)、停止測(cè)試

施工穩(wěn)定階段測(cè)試中用于分析的數(shù)據(jù)是截取 流量穩(wěn)定后的一段，對(duì)于絞吸船泥泵啟動(dòng)初期、 停止時(shí)流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行比較分析； 為綜合分析施工各個(gè)階段流量計(jì)測(cè)量情況，將絞 吸船泥泵啟動(dòng)初期、停止時(shí)的流量計(jì)所測(cè)流速數(shù) 據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。截取測(cè)試中泥泵由停止再到啟 動(dòng)時(shí)的流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6

所示。

由圖6可知在泵停止階段，在流速下降階段 聲吶陣列流量計(jì)相對(duì)有較大的波動(dòng)，超聲波及電 磁流量計(jì)相對(duì)穩(wěn)定；小流速階段，聲吶陣列流量 先無(wú)法測(cè)量到流速，后出現(xiàn)間歇的抖動(dòng)；超聲波 流量計(jì)和電磁流量計(jì)所測(cè)流速相對(duì)平滑下降直到 流速為0。在泵啟動(dòng)初期，聲吶陣列流量計(jì)會(huì)有 較大的波動(dòng)，超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)上升相 對(duì)穩(wěn)定平滑。

新型聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速在泵啟動(dòng) 階段雖然有較大的波動(dòng)，但是能在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定 下來(lái)，因此波動(dòng)不會(huì)對(duì)施工穩(wěn)定階段產(chǎn)生較大的 影響。

4.流量計(jì)固有特性分析

1）安裝方式

電磁流量計(jì)為接觸式安裝，需安裝在管道上, 安裝時(shí)需拆卸管道；新型超聲波流量計(jì)和聲吶陣 列流量計(jì)都為非接觸式安裝，只需對(duì)管路進(jìn)行處 理后外夾在管路上即可。

2）使用壽命

安裝方式很大程度上決定流量計(jì)的使用壽命; 電磁流量計(jì)是接觸式安裝，流量計(jì)受介質(zhì)流動(dòng)而磨損，新型超聲波流量計(jì)和聲吶陣列流量計(jì)為非 接觸式安裝，不受介質(zhì)流動(dòng)影響，故新型超聲波 流量計(jì)與聲吶陣列流量計(jì)的使用壽命比電磁流量 計(jì)使用壽命長(zhǎng)。

5.結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)新型泥漿流量計(jì)測(cè)試含貝殼泥沙海水 混合液體介質(zhì)并與現(xiàn)役電磁流量計(jì)對(duì)比可知，新 型超聲波流量計(jì)、聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速 大于現(xiàn)役電磁流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速；在施工穩(wěn)定 階段，新型聲吶陣列流量計(jì)流速測(cè)量具有更好的 穩(wěn)定性，新型超聲波流量計(jì)與船舶現(xiàn)役電磁流量 計(jì)流速測(cè)量穩(wěn)定性相當(dāng)。綜合考慮泥漿流量計(jì)固 有特性及測(cè)試結(jié)果，新型超聲波流量計(jì)與聲吶陣 列流量計(jì)流速測(cè)量穩(wěn)定性滿足疏浚船舶要求，適 用于疏浚船舶。