基于分子磁化率性質的電磁流量計誤差
基于分子磁化率性質的電磁流量計誤差
摘.. 要: 采用電磁學和結構化學原理剖析了用于石油.. 三采..聚合物液流的電磁流量計計量誤差原因, 從分子磁化性質的角度解釋了由于不同溶液的磁化率性質不同所造成的電磁流量計計量誤差的現象. 結合公式和實驗說明了不同溶液在電磁流量計勵磁磁場的作用下發生磁化而導致電磁流量計原勵磁磁場強度發生變化的誤差機理. 通過論證和實驗證明, 不同磁化率性質的溶液在通過勵磁磁場時將會不同程度的改變原磁場強度, 因此不同溶液在同一電磁流量計磁場的作用下其感應電動勢的響應值是不同的.
關鍵詞: 分子磁化率; 電磁流量計誤差; 磁感應強度; 溶液; 流量
在石油三采技術中聚合物溶液注入量的計量直接影響到采收率和成本, 為了不破壞聚合物的分子結構, 目前選用電磁流量計計量聚合物溶液流量[ 1] . 但是在應用中電磁流量計出現較大的計量誤差現象[ 2] . 本文結合電磁流量計的原理, 從結構化學的角度分析了產生誤差的原因, 并將初探解決的方法. 電磁流量計( EMF)是一種計量導電液流流量的計量儀表. 由于它具有一些優良的特性, 因此成為應用廣泛、發展迅速的流量計種類. 但是電磁流量計的計量誤差是其致命的弱點, 總結現有的文獻和資料顯示, 電磁流量計的誤差原因分為2類: 一類是由于安裝使用不當造成的; 另一類是電磁流量計自身結構造成的. 本文提出了第3類電磁流量計的誤差原因: 即被測溶液的分子磁化率性質產生的電磁流量計計量誤差. 根據法拉第電磁感應定律, 當導體在磁場中運動切割磁力線時, 在導體的兩端即產生感生電勢e[ 3] . 電流方向由右手定則確定, 電動勢e的大小與磁場磁感應強度B、導體在磁場內的長度L 以及導體的運動速度u 成正比, 如果B、L、u三者互相垂直, 則: e = B lu. ( 1)
與此相同, 在磁感應強度為B 的均質磁場中, 垂直于磁場方向設置內徑為D 的高磁阻管道, 當導電液流在管道中以流速u流動時, 導電液流切割磁力線. 如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極則可以證明, 只要管道內流速軸對稱分布, 兩電極之間將產生感生電動勢: e = BDu ( 2) 其中: u 為管道截面上的平均流速. 由此得到管道的體積流量為: qv = ..D 2 /4u = ..D /4e /B ( 3)
上式說明, 體積流量qv 與感應電動勢e和測量管道內徑D 成函數關系, 與磁場的磁感應強度B 成反比[ 4] . 滿足公式( 3)的條件是B 為常數量, 如果磁場B 發生了變化則感應電動勢的數值也將發生變化[ 5] . ..磁屬性是一切物質的必有屬性.. (法拉第). 物質的磁性與原子、分子所組成的微觀結構有著密切的關系. 磁化率是物質屬性中表示物質磁化能力的物理量, 它通過居里定律將物質的宏觀性質..M 摩爾磁化率與微觀性質..m 分子磁矩聯系起來[ 6] . 結構化學中闡述: ..分子在磁場中如同電介質在電場中發生極化一樣, 將發生磁化現象... 將這種被外磁場作用的物質稱為磁介質. 磁介質在外磁場的作用下發生磁化、所產生的附加磁場強度H ..與外磁場強度H '是成正比的. 即:H .. = ..H ' ( 4) 其中: ..稱為磁介質的體積磁化率. 磁介質在外磁場的作用下發生了磁化現象, 磁化后的磁場B 等于外磁場強度H '與磁介質發生磁化時自己所產生的附加磁場強度H ..疊加的算術合[ 7] . 即: B = H +' H .. 因為H .. = ..H ' 所以B = H +' ..H =' H ' ( 1+ ..) = ..H ' ( 5) ..= 1+ .. 所以qv= ..D /4e /B = ..D /4e /H +' ..H =' ..D /4e / ..H ' ( 6) ..表示磁介質的磁導率. 上式說明磁場感應強度是體積流量的函數; 而磁場強度B 是隨著液相物質的磁化率和磁導率的性質不同而變化的. 在結構化學中磁化率是用摩爾分子磁化率xm 表示的, 即: .. .. xm = ..Vm = ..M /..= .. /..M ( 7) 所以..= xm /Vm = xm ..M ( 8) 其中: Vm 表示磁介質的摩爾體積, ..表示密度, ..表示單位磁場強度下的體積磁化率, M 表示磁介質的摩爾質量. 上式說明單位體積磁化率..是不同物質分子的*屬性, 液相物質的密度..、相對分子質量M、摩爾磁化率xm、摩爾體積Vm都與體積磁化率..有著密切的聯系[ 8 ] . 由此說明電磁流量計的感應電動勢e是隨著被測液流物質的分子磁化率性質而變化的, 這就是聚合物溶液分子磁化率性質產生的電磁流量計計量誤差的原因. 經過實驗確認: 在相同的環境條件下DN20型的電磁流量計量水、分子質量300萬聚丙烯酰胺溶液、分子質量800 萬聚丙烯酰胺溶液, 電磁流量計顯示數值一致的1 h計量情況如表2.
1.. 實驗及結果實驗條件和實驗系統裝置示意圖如圖1. 水質條件: 水溫18 .. 、電導值80 .. /cm、TOC 0. 20 mg /L. 系統管徑: ND20mm. 圖1.. 實驗系統裝置示意圖.表1.. 不同溶劑、不同質量濃度的溶液磁化率檢測實驗結果名稱密度質量濃度1 / ( g.. L- 1 ) 質量濃度2 / ( g.. L- 1 ) 磁導率( ..r ) 磁化率1 磁化率2 物質磁屬性純水1. 0000 0. 999 991 1 1 抗磁性物質空氣1. 000 000 04 順磁性氫氣- 2. 47 抗磁質氧氣1. 000 001 9 分子質量300 萬聚丙烯酰氨0. 078 1 0. 312 5 0. 920 0 0. 882 2 分子質量800 萬聚丙烯酰氨0. 078 1 0. 312 5 0. 893 8 0. 856 7 對二1. 034 1 0. 937 5 1. 875 0 0. 946 4 0. 922 8 鄰二1. 046 5 0. 937 5 1. 875 0 0. 934 4 0. 911 2 間二1. 034 0 0. 937 5 1. 875 0 0. 961 2 0. 942 8 .. .. 注: 表中磁化率的數值是純水磁化率的百分比值. 表2.. 不同分子質量的聚丙烯酰氨溶液在相同的質量濃度和1000 L時用電磁流量計計量的誤差名稱質量濃度1 / ( g.. L- 1 ) 1h 體積/L 質量濃度2 / ( g.. L- 1 ) 1h 體積/L 水1 000 1 000 分子質量300 萬聚丙烯酰氨0. 078 1 964 0. 312 5 942 分子質量800 萬聚丙烯酰氨0. 078 1 928 0. 312 5 899
2.. 結.. 語
不同結構、不同分子質量的物質磁化性質是不同的, 這將造成同種溶質同種溶劑不同質量濃度的溶液磁化性質不同; 同種溶劑不同溶質的溶液磁化性質不同; 同種溶質不同溶劑的溶液磁化性質不同. 這說明電磁流量計所計量的不同液流溶液其分子磁化率性質是不同的, 不同磁化率性質的溶液在通過電磁流量計勵磁磁場時將會不同程度的改變原磁場強度, 因此不同溶液、相同容積在同一電磁流量計勵磁磁場的作用下其感應電動勢是不同的, 所以電磁流量計在計量不同溶液和聚合物溶液時、由于溶液磁化率性質不同就會產生計量誤差, 這就是被測溶液分子磁化率性質產生的電磁流量計計量誤差機理.
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