基于分子磁化率性質(zhì)的電磁流量計誤差
基于分子磁化率性質(zhì)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(zhì)的角度解釋了由于不同溶液的磁化率性質(zhì)不同所造成的電磁流量計計量誤差的現(xiàn)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(fā)生磁化而導致電磁流量計原勵磁磁場強度發(fā)生變化的誤差機理. 通過論證和實驗證明, 不同磁化率性質(zhì)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(xiàn)較大的計量誤差現(xiàn)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(chǎn)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(yōu)良的特性, 因此成為應用廣泛、發(fā)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(xiàn)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(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計計量誤差. 根據(jù)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(chǎn)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(nèi)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(zhì)磁場中, 垂直于磁場方向設置內(nèi)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(nèi)流速軸對稱分布, 兩電極之間將產(chǎn)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(nèi)徑D 成函數(shù)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(shù)量, 如果磁場B 發(fā)生了變化則感應電動勢的數(shù)值也將發(fā)生變化[ 5] . ..磁屬性是一切物質(zhì)的必有屬性.. (法拉第). 物質(zhì)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(zhì)屬性中表示物質(zhì)磁化能力的物理量, 它通過居里定律將物質(zhì)的宏觀性質(zhì)..M 摩爾磁化率與微觀性質(zhì)..m 分子磁矩聯(lián)系起來[ 6] . 結構化學中闡述: ..分子在磁場中如同電介質(zhì)在電場中發(fā)生極化一樣, 將發(fā)生磁化現(xiàn)象... 將這種被外磁場作用的物質(zhì)稱為磁介質(zhì). 磁介質(zhì)在外磁場的作用下發(fā)生磁化、所產(chǎn)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(zhì)的體積磁化率. 磁介質(zhì)在外磁場的作用下發(fā)生了磁化現(xiàn)象, 磁化后的磁場B 等于外磁場強度H '與磁介質(zhì)發(fā)生磁化時自己所產(chǎn)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(zhì)的磁導率. 上式說明磁場感應強度是體積流量的函數(shù); 而磁場強度B 是隨著液相物質(zhì)的磁化率和磁導率的性質(zhì)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(zhì)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(zhì)的摩爾質(zhì)量. 上式說明單位體積磁化率..是不同物質(zhì)分子的*屬性, 液相物質(zhì)的密度..、相對分子質(zhì)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(lián)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(zhì)的分子磁化率性質(zhì)而變化的, 這就是聚合物溶液分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計計量誤差的原因. 經(jīng)過實驗確認: 在相同的環(huán)境條件下DN20型的電磁流量計量水、分子質(zhì)量300萬聚丙烯酰胺溶液、分子質(zhì)量800 萬聚丙烯酰胺溶液, 電磁流量計顯示數(shù)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(tǒng)裝置示意圖如圖1. 水質(zhì)條件: 水溫18 .. 、電導值80 .. /cm、TOC 0. 20 mg /L. 系統(tǒng)管徑: ND20mm. 圖1.. 實驗系統(tǒng)裝置示意圖.表1.. 不同溶劑、不同質(zhì)量濃度的溶液磁化率檢測實驗結果名稱密度質(zhì)量濃度1 / ( g.. L- 1 ) 質(zhì)量濃度2 / ( g.. L- 1 ) 磁導率( ..r ) 磁化率1 磁化率2 物質(zhì)磁屬性純水1. 0000 0. 999 991 1 1 抗磁性物質(zhì)空氣1. 000 000 04 順磁性氫氣- 2. 47 抗磁質(zhì)氧氣1. 000 001 9 分子質(zhì)量300 萬聚丙烯酰氨0. 078 1 0. 312 5 0. 920 0 0. 882 2 分子質(zhì)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(shù)值是純水磁化率的百分比值. 表2.. 不同分子質(zhì)量的聚丙烯酰氨溶液在相同的質(zhì)量濃度和1000 L時用電磁流量計計量的誤差名稱質(zhì)量濃度1 / ( g.. L- 1 ) 1h 體積/L 質(zhì)量濃度2 / ( g.. L- 1 ) 1h 體積/L 水1 000 1 000 分子質(zhì)量300 萬聚丙烯酰氨0. 078 1 964 0. 312 5 942 分子質(zhì)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(zhì)量的物質(zhì)磁化性質(zhì)是不同的, 這將造成同種溶質(zhì)同種溶劑不同質(zhì)量濃度的溶液磁化性質(zhì)不同; 同種溶劑不同溶質(zhì)的溶液磁化性質(zhì)不同; 同種溶質(zhì)不同溶劑的溶液磁化性質(zhì)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(zhì)是不同的, 不同磁化率性質(zhì)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(zhì)不同就會產(chǎn)生計量誤差, 這就是被測溶液分子磁化率性質(zhì)產(chǎn)生的電磁流量計計量誤差機理.
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