基于ECT的疏浚管道泥漿濃度測量

張群 李日新 江攀

摘 要：本文運用ECT技術對疏浚管道內泥漿的濃度進行了測量，提出了可以用于計算疏浚管道內泥漿濃度的數學模型。運用仿真計算的方法對ECT傳感器進行優化設計，并利用現有的加氣輸送試驗臺結合優化設計后的ECT傳感器進行了相關實驗。實驗結果表明，在初始測量階段的誤差較大，隨著測量進行誤差減小。當泥漿的濃度在25%-40%之間時ECT傳感器的計算值與實際值之間的誤差相對較小。

關鍵詞：電容層析成像;泥漿濃度;優化設計;疏浚工程

中圖分類號：U61 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0058-05

1簡介

疏浚船舶在開展疏浚工作過程中，管道內泥漿的輸送要在安全可靠的基礎上根據相應的優化目標，采用合理的優化方案完成泥沙輸送的任務。目前泥沙的高效輸送是疏浚業關注的焦點[1]。雖然我國在這種大型疏浚船舶領域已經達到了世界先進水平，但是仍然有許多問題沒有得到解決。其中疏浚管道內漿體的流動特性是該領域的一個難題[2，3]。

在疏浚過程中，泥漿的流動特性是輸送土質的特性與絞刀的轉速、泥泵的轉速以及挖泥船的橫移速度等多種因素相互作用的結果[4]。在輸入功率相同的情況下，泥漿的濃度升高，泥漿的流速就會降低。當泥漿的流速低到臨界流速時，泥漿中的泥沙就會沉降造成管道的堵塞。泥漿的流速升高，泥漿的濃度就會降低，輸送泥沙的量就會減少。同樣達不到提升疏浚作業效率的目的。

在實際疏浚過程中，影響疏浚作業效率的主要因素是：泥漿濃度和流速。目前在很多設計中對于泥漿濃度的計算都是基于《疏浚工程手冊》上的經驗公式，這與實際情況差距很大。而泥漿的臨界流速與施工現場的土質有關。本人所在的實驗室為了研究上述因素對疏浚管道內流體流動特性的影響，搭建了疏浚仿真試驗臺，進行了基于不同土質的固/液兩相流輸送實驗，對不同土質泥沙的沉降與堵管問題進行了研究。開展了加氣輸送實驗，對泥漿的加氣減阻特性進行了研究[5]。較單相流而言，描述兩/多相流的數學模型更為復雜，隨著流動的進行，兩/多相流的形狀和介質分布在不停發生變化。特別是當其中存在氣相的時候，氣體的可壓縮性使兩/多相流的變化更無規律可循，難以用公式進行描述。對于兩/多相流關鍵參數的準確測量與實時測量是目前兩/多相流領域關注的熱點問題也是難點問題[6]。

目前疏浚船舶上普遍采用的γ射線濃度儀，由于該儀器具有一定的輻射，對人體有一定的危害，在人群密集的區域使用有很大困難。電容層析成像技術（ECT）是由醫學上的CT技術發展而來，在上個世紀八十年代由英國曼徹斯特大學提出[7]，經過三十多年的發展已經廣泛運用于多相流領域[8]。JAWORSKI等[9]運用8電極ECT傳感器對管道內氣/固兩相流進行了研究。Kimoto等[10]在研究人的頭部溫度分布時運用了ECT技術進行成像。Ostrowski K等[11]運用ECT技術對氣/固粉末運輸進行了可視化監測。Li等[12]運用流量調節裝置、微波傳感器和ECT對油/水/氣三相流的水包油比、流速等參數進行了測量，結果較為準確。Forte G[13]等運用ECT技術對兩種不同物理性質的粉末進行混合和分離過程監測。Che[14]等運用了兩種類型的ECT傳感器對Wurster型流化床內的氣/固流動進行了監測，并用互相關方法計算固體速度。Da等[15]設計了一種新型的金屬絲網傳感器，運用該傳感器對工業中的油/氣管道進行測量，該ECT系統可以達到每秒5000幀的采集速度和2.8mm的空間分辨。Wang等[16]首次將ECT技術引入工業大型流化床的檢測中，設計了直徑1m的ECT電容傳感器，提出了大型ECT在設計中必須解決的一些問題。

2 ECT傳感器的基本原理和濃度測量相關模型

如圖1所示，電容層析成像系統包括三部分：傳感器系統、數據采集與處理系統、圖像重建系統。傳感器系統，在流動介質的管道上放置多個傳感器，這些傳感器的放置滿足一定的規律并構成傳感器陣列。電容數據采集系統，包括多通道的數據采集控制，電容/電壓轉換，D轉換機通訊接口等。其中電容/電壓轉換電路是整個測量系統中的關鍵與難點，用于成像的數據就是該系統采集并傳輸給計算機的數據，成像的準確性及實時性很大程度上依賴于數據采集系統的精度和速度。圖像重建系統，成像系統采用的是pc機，它主要負責對外圍接口電路發出指令，控制數據采集系統采集數據并從數據采集系統接收數據，然后采用相應的算法進行圖像重建和圖像顯示。由于管道內各相介質具有不同的介電常數，當管道內各相組分濃度發生變化時，會引起多相流混合體等價介電常數的變化，從而使傳感器電極之間電容發生變化，電容值的大小反映了多相流介質相濃度的大小和分布狀況。通過測量各極板間的電容值就能得到管道內的介質分布信息。圖像重建系統接受數據采集與處理系統傳遞的電容值信號，通過相應的算法，重構出反映管道內流體物質結構的圖像。

2泥漿濃度傳感器的優化設計

ECT系統的傳感器主要是由環繞著被測管道周圍的電極板所組成的，這些電極板的作用是接受施加的電壓，將被測場內的物質分布通過極板間電容值的形式體現出來。對于傳感器的設計主要要求：靈敏度好，被測區域內物質分布的變化可以通過各個電極板間的電容值體現出來。為了解決上述問題，研究人員主要采用了：對傳感器進行相應的優化設計，根據實際情況設計出較好的傳感器。針對特殊的需求，設計出新式的傳感器。目前采用的方法主要有：正交實驗法[17-20]、相關曲線法[21]、響應面法[22]和智能優化算法[23-24]。這些方法主要考慮了絕緣管道厚度、絕緣屏蔽層相對介電常數、電極張角、外屏蔽層內徑等因素。因為未經優化的ECT系統對于靠近測量電極處的區域靈敏度較高，而管道中心區域的靈敏度較低，這樣使得ECT系統對管道中心區域成像的能力較差。經過優化后的ECT系統，敏感場分布更加均勻，對管道中心區域的成像能力更好。

傳感器參數優化設計問題實際上是一個約束條件的最優化問題[25]，其目標函數為：

上述目標函數中：h-管道壁厚度，ε-管道壁介質的介電常數，d-屏蔽層的內徑，θ-極板的張角。

本文采用聚酯塑料絕緣管道作為其實驗管段，管道內徑為50mm，厚度為5mm，其介電常數為10，壁厚及管道的材料都己確定，故上式目標函數中h及ε經確定，因而只需確定電極板的寬度及屏蔽層內徑尺寸。由于目標函數與各變量的關系相當復雜，不可能用解析的方法加以描述，即不能找出相關的顯函數表達式，故不能用解析方法求解，只能采用數值法進行分析。

由表分析可知：P值最小時對應的極板寬度為10mm，屏蔽層內徑為110mm，依據上述原則，采用此數據進行敏感度求解時，其敏感度均勻性最好。因此傳感器的具體設計為：介電常數為10的聚酯塑料絕緣管道內徑為50mm，厚度為5mm，電極板采用銅質電極板極板寬度為10mm，屏蔽層內徑為110mm，優化設計后的電容層析成像靈敏度分布圖如下所示。

3流量測量實驗結果與分析

3.1加氣輸送試驗臺簡介

實驗室三相流實驗臺，主要是針對挖泥船工作過程中，泥漿輸送及加氣減阻等方面展開研究。根據研究需要建立一套小管徑實驗系統，管道管徑為50mm，為使系統中產生不同的流態及可以調配不同濃度的泥漿進行實驗，設計了一套實驗系統，可以調配出任意濃度的泥漿進行實驗，主要包括以下幾部分：主輸送管道、吸揚裝置、加氣裝置、實驗管段及電容測試裝置、變頻控制及數據采集系統等五大塊組成。如圖3所示。

（1）主輸送管道。主輸送管道中主要包括：鐵箱、主輸泥管道、泥池、絕緣透明管段、泥漿泵、電機。①泥池，實驗臺中間的圓形泥池，外徑為2.6m、深2.6m，主要用于存儲泥漿，便于實驗過程中泥漿的循環和混合。②主管道全長約為65mm，管道內徑為50mm，在管段中有兩段為透明管段，便于在實驗過程中觀察管道內部的流動狀況，該管段為絕緣材質，便于安裝電極片進行電容的測量。對管道內流動狀態泥漿濃度進行測量。③系統中泥泵的型號為：FG型35-2，口徑為65mm。額定功率為4Kw，額定轉速為960r/m，最大壓力是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。

（2）吸揚裝置。由于條件限制，在模擬挖泥船工作時，首先只能將泥漿池中泥漿濃度調配好，然后通過泥泵吸揚作用進入到輸泥管道中，實驗室設計的管線為閉環循環回路，泥漿在管道中輸送一段距離后又泄放在泥池中。

（3）加氣裝置。加氣裝置主要由空氣壓縮機、氣閥、加氣噴嘴以及壓力表等組成。水平管道內泥漿流態主要包括：泡狀流、塞狀流、層狀流、波狀流、彈狀流、環狀流、霧狀流。

（4）實驗管段及電容測試裝置。實驗管段為樹脂材料加工成的透鏡管，該管絕緣性好且具備較高的強度，符合實驗要求。為了便于實驗管段拆裝，采用活接頭連接方式，將實驗管段連接到整個管路中。在實驗管段沿軸向均布了12個銅制電極，并在每個極板引出一根屏蔽性較好的導線，以便進行電容測量，系統中采用TH2618型電容測試儀器進行電容測量，電容測試儀器有兩夾腳，在測量任意兩銅制電極對之間的電容時只需將電容測量儀器的夾腳與銅片電極上導線連接即可。此電容測試儀器測量范圍為：0.01pf-1f。在電容測試儀選擇不同的參數時，其具有不同的精度誤差，本系統進行電容測試時，其測量精度98%。該儀器測量速度可選，最快速度可達100次每秒。該電容測試儀通過232接口直接與上位機連接，將采集的數據存儲在計算機中。

（5）變頻控制及數據采集系統。上位機直接與變頻器通訊，由上位機給出轉速指令控制系統各個電機轉速。從而可對吸揚泵轉速進行控制而達到實驗所需的不同工況。

3.2 實驗結果分析

當管道內泥漿濃度按照一定規律變化時，且迭代步長與正則化因子值分別為2和0.03時，在進行實驗時，每次對絞刀進刀量及刀架位移進行改變，以保證管道內泥漿濃度按照實驗要求依次改變，并利用電容測量儀器測得每種不同濃度下的電極對之間的電容值，采用上述計算方法進行管道內泥漿濃度計算，計算結果如圖所示：

由圖4可知，橫坐標為根據不同泥漿濃度測得的電容組數值組別，縱坐標表示與電容組別分別對應的泥漿濃度值。由圖中曲線分析可知，當管道內泥漿濃度對應的電容值在0-8組之間變化時，管道內泥漿濃度值隨著泥漿濃度增加逐漸減小，在第8組電容值后，管道內泥漿濃度計算值隨著管道內泥漿濃度升高而增加，當管道內泥漿濃度到達一定值時，其濃度計算值并不會隨著管道內泥漿濃度的增加而增加，依據本文中計算方法得出的計算值都趨向于45%，故當管道內泥漿濃度到達一定值時，利用該方法無法準確計算出管道內的泥漿濃度，當泥漿濃度值為10%-45%之間時，可利用本方法對管道內泥漿濃度值進行計算。

設定管道內泥漿濃度依次為：15%、20%、25%、30%、35%，其中正則化因子及迭代步長分別為2及0.03，下圖分別為不同濃度情形下，某時間段內管道泥漿濃度計算值隨時間變化過程：

由圖5不同工況下的泥漿計算濃度分析可知，利用有限元計算方法對管道內泥漿濃度進行計算，對某段測試時間管道內泥漿濃度變化進行分析，在初始階段泥漿濃度值偏差較大，隨著測試的進行，泥漿的計算濃度在設定值上下小幅度波動，其波動誤差不大。在實際測試過程中，可取某段時間內泥漿濃度計算值的平均值。

依據上述方法對管道內設定的幾種泥漿濃度進行計算，并將實際值與測試計算結果進行對比，設定管道內泥漿濃度依次為15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%。將檢測計算結果與實際泥漿濃度值進行對比，得出其關系，如圖6所示。

利用有限元法對管道內不同濃度泥漿進行檢測，得出實際濃度與檢測濃度之間的關系曲線，由圖中分析可知測量泥漿濃度值與實際值相比會有一定的誤差，當泥漿的濃度在25%-40%之間時誤差相對較小，當泥漿濃度在45%-65%之間時其測量誤差較大。

4 總結

由于疏浚管道內泥漿的速度和濃度將會對系統產生極大的影響，所以有必要對上述參數進行準確的測量。本文運用ECT技術對疏浚管道內泥漿的濃度進行了測量。首先根據ECT原理提出了可以用于計算疏浚管道內泥漿濃度的數學模型，接著結合現有的加氣輸送試驗臺，運用仿真計算的方法對ECT傳感器進行了仿真，根據仿真的結果得到P值，完成對加氣輸送試驗臺上ECT傳感器的優化設計。最后運用優化設計后的ECT傳感器對泥漿濃度進行了測量。實驗結果表明：

（1）在初始階段泥漿濃度值偏差較大，隨著測試的進行，泥漿的計算濃度在設定值上下小幅度波動，其波動誤差不大。在實際測試過程中，可取某段時間內泥漿濃度計算值的平均值。

（2）當泥漿的濃度在25%-40%之間時誤差相對較小，當泥漿濃度在45%-65%之間時其測量誤差較大。

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