基于分子磁化率性质的电磁流量计误差
基于分子磁化率性质的电磁流量计误差
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磁流量计磁场的作用下其感应电动势的响应值是不同的.
关键词: 分子磁化率; 电磁流量计误差; 磁感应强度; 溶液; 流量
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[ 1] . 但是在应用中电磁流量计出现较大的计量误差现象[ 2] . 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, 因此成为应用广泛、发展迅速的流量计种类. 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[ 3] . 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: e = B lu. ( 1)
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: e = BDu ( 2) 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: qv = ..D 2 /4u = ..D /4e /B ( 3)
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[ 4] . 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[ 5] . ..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..M 摩尔磁化率与微观性质..m 分子磁矩联系起来[ 6] . 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. 即:H .. = ..H ' ( 4) 其中: ..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[ 7] . 即: B = H +' H .. 因为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: .. .. xm = ..Vm = ..M /..= .. /..M ( 7) 所以..= xm /Vm = xm ..M ( 8) 其中: Vm 表示磁介质的摩尔体积, ..表示密度, ..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..是不同物质分子的*属性, 液相物质的密度..、相对分子质量M、摩尔磁化率xm、摩尔体积Vm都与体积磁化率..有着密切的联系[ 8 ] . 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.
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 .. /cm、TOC 0. 20 mg /L. 系统管径: ND20mm. 图1.. 实验系统装置示意图.表1.. 不同溶剂、不同质量浓度的溶液磁化率检测实验结果名称密度质量浓度1 / ( g.. L- 1 ) 质量浓度2 / ( g.. L- 1 ) 磁导率( ..r ) 磁化率1 磁化率2 物质磁属性纯水1. 0000 0. 999 991 1 1 抗磁性物质空气1. 000 000 04 顺磁性氢气- 2. 47 抗磁质氧气1. 000 001 9 分子质量300 万聚丙烯酰氨0. 078 1 0. 312 5 0. 920 0 0. 882 2 分子质量800 万聚丙烯酰氨0. 078 1 0. 312 5 0. 893 8 0. 856 7 对二1. 034 1 0. 937 5 1. 875 0 0. 946 4 0. 922 8 邻二1. 046 5 0. 937 5 1. 875 0 0. 934 4 0. 911 2 间二1. 034 0 0. 937 5 1. 875 0 0. 961 2 0. 942 8 .. .. 注: 表中磁化率的数值是纯水磁化率的百分比值. 表2.. 不同分子质量的聚丙烯酰氨溶液在相同的质量浓度和1000 L时用电磁流量计计量的误差名称质量浓度1 / ( g.. L- 1 ) 1h 体积/L 质量浓度2 / ( g.. L- 1 ) 1h 体积/L 水1 000 1 000 分子质量300 万聚丙烯酰氨0. 078 1 964 0. 312 5 942 分子质量800 万聚丙烯酰氨0. 078 1 928 0. 312 5 899
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.
参考文献: [ 1] .. 王启民, 冀宝发, 隋.. 军, 等. 大庆油田三次采油技术的实践与认识[ J] . 大庆石油地质与开发, 2001 ( 2) : 55 - 58. [ 2] .. 朱玉华. 体积流量计测量误差分析及改进措施[ J] . 仪器仪表与分析监测, 2005( 3) : 76- 79. [ 3] .. 舒.. 欢, 吕焕文, 张小章. 电磁流量计的电极与励磁线圈不对称误差分析[ J]. 计量技术, 2004( 3) : 78- 80. [ 4] .. 李忠虎. 电磁流量计测量误差原因剖析及对策[ J] . 计量技术, 2006 ( 2) : 34 - 37. [ 5] .. 张.. 巍, 杨凤华, 张晓光. 水溶液中聚合物分子量测定方法[ J] . 油气田地面工程, 2006( 2) : 55- 55. [ 6] .. 孙作达, 姚恒善, 欧阳红. 利用物质磁化率和磁导率性质定性分析不同相对分子质量的大分子聚丙烯酰胺[ J] . 分析测试学报, 2007, 26( 4 ) 459- 462. [ 7] .. 孙作达, 李晓军, 余.. 萍. 电磁感应式磁化率定性分析装置的原理与结构[ J] . 分析仪器, 2006 ( 3) : 11- 16. [ 8] .. 孙作达, 李晓军, 余.. 萍. 利用物质磁化性质定性分析邻间对苯二酚同分异构体[ J]. 仪器仪表学报, 2008 ( 3) : 533 - 588. --扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
