摘要:在研究非(fēi)滿管電磁流量(liang)計 液位測:量所(suǒ)要解決的技術(shu)問題基礎上,提(tí)出了一種長弧(hú)形電💰極液位測(ce)量方法。該方法(fǎ)是在測量管壁(bi)上設置一對長(zhang)弧形電極作爲(wei)流速和液位信(xìn)号的測量電極(ji),在管壁底部設(shè)置-對激勵電極(ji)。通過在⁉️激勵電(dian)極⚽上施加電壓(yā)幅值恒定的交(jiāo)流🙇🏻信号,在測量(liàng)電極.上得到反(fǎn)映液位高度變(bian)化的電壓信号(hao)。理論分析和實(shi)驗結果表明傳(chuan)感🌏器對液位測(cè)量🤩具有🌈較高的(de)靈敏度且⁉️不受(shou)被測導電液體(tǐ)電導率變動的(de)影響,适用于對(dui)污❄️水排放等場(chǎng)合的📐非♻️滿管流(liu)的☂️測量。
　　對于非(fēi)滿管流量測量(liàng),由于管内的流(liu)體截面面積是(shi)變化的，故流量(liàng)的測量需要測(cè)量流過傳感器(qi)流體的平均速(sù)度和流過傳感(gǎn)器的流體截面(mian)積，也即非滿管(guǎn)流量測量需要(yao)測量管内流體(ti)流速和液位這(zhè)兩個參數”。非滿(man)管電磁流量計(jì)液位測量服務(wù)于流量測量,實(shí)現傳感器液位(wei)測量需要解決(jué):一是液位和流(liu)速的同步測量(liàng)的問題。滿管時(shi)傳感器電極上(shàng)産生的感應電(dian)勢與被測液體(tǐ)的平均流速成(cheng)正比，而不受權(quán)重函數的影響(xiang)，非滿管狀态下(xia)，管内流體流速(sù)分布不對稱，導(dǎo)緻權重函數分(fen)布和液位有關(guān)”。非滿管狀态下(xia),電極上測得的(de)感應電勢與流(liu)體流速不再是(shì)線性關系需根(gen)據不同液位下(xia)的權重函數進(jìn)行修正，因而液(yè)位和流速信号(hao)的同步測量是(shì)保證流速測量(liang)精度的必要條(tiao)件;二是對高充(chōng)滿度時的液位(wèi)測量靈敏度問(wèn)題。由權重函數(shu)理論可知，電極(jí)上感應信号是(shi)電極斷面内所(suǒ)有質點電位的(de)集合,但這些電(dian)勢--定要處于電(dian)極的可測量範(fan)圍之内,故非滿(mǎn)管測量電極必(bi)須浸入液體内(nei)，否則電極不會(hui)得到感應信号(hào)”。因而，傳感器測(cè)量電極位置一(yī)-般都設置在接(jie)近管道直徑10%的(de)位置”。如果測量(liang)流速的電極也(yě)用于液位的測(ce)量,由于電極位(wèi)置接近管道底(di)部,則對高充滿(man)度下的液位測(ce)量靈敏度比較(jiào)底,甚至無法測(cè)量;三是克服被(bei)測液體電導率(lü)的影響。非滿管(guan)流量計一般應(ying)用于對大口徑(jing)給排水管道的(de)流量計量,如城(cheng)市排污量的測(cè)量”。管内被測液(yè)體的電導率随(suí)液體的成.分和(he)溫度變化而變(biàn)化，故非滿管液(ye)位測量必須克(ke)服被測液體電(diàn)導率變化的影(yǐng)響，以保證電磁(cí)流量計相應的(de)測量精度。目前(qian)，非滿管電磁流(liu)量計液位測量(liang)大多采用附加(jiā)液位計方法來(lai)實現，如電容液(ye)位計法、磁緻伸(shēn)縮液位計、微壓(ya)計等12.15。使用附加(jiā)液位計使得流(liú)量傳感器結構(gòu)複雜，且難以實(shi)現流速和液位(wèi)的同步測量,傳(chuán)感器測量精度(du)較低。文獻[1]采用(yòng)多參數測量方(fang)法，直接在傳感(gǎn)器流速測量電(diàn)極上施加附加(jia)液位測量信号(hao),在假設流體電(diàn)導率不變化時(shí)，通過測量電極(jí)間的電導來實(shi)現液位的測量(liang)。采用多電極方(fāng)法5”,能夠實現傳(chuán)感器對流速和(he)液位的同步測(ce)量,但多電極對(dui)應的二次儀表(biǎo)信号處理電路(lù)複雜，使得傳感(gan)器外接電纜多(duo)，實際使用不方(fang)便。通過對非滿(man)管不同液位測(ce)量方案的比較(jiào),提出了一種長(zhǎng)弧形電極液位(wèi)測量方法”，即以(yǐ)長弧形電極作(zuò)爲測量電極,并(bìng)設置一對電極(jí)作爲電壓激勵(lì)電極,實現對非(fēi)滿管流的液位(wèi)以及流速測量(liang)。
非滿管電磁流(liú)量傳感變送器(qi)
1.1非滿管電磁流(liu)量傳感變送器(qì)結構.
圖1爲采用(yong)長弧形電極作(zuò)爲測量電極的(de)非滿管電磁流(liu)量傳感♋變送器(qi)實驗樣機的基(jī)本結構。

　　測量(liang)管壁上設置有(yǒu)一對長弧形電(dian)極作爲流速和(hé)液位😄信号的測(ce)量電極，傳感器(qì)底部設置有一(yi)對激勵電極,用(yòng)于施加液🍓位測(ce)量的電壓激勵(li)信号。當非滿管(guan)電💁磁流量計進(jin)行🔞液位測量時(shi)，關閉勵磁激勵(li)☂️，使管内磁🐆場B=0在(zài)激勵電極.上施(shī)🏃🏻加電壓幅值恒(heng)定的交流信号(hào)，通過管内液體(ti)的耦合,在測量(liang)電極上得🔞到反(fǎn)映液位高度變(biàn)化的電壓信号(hào),此電壓信号與(yu)管内液體液位(wèi)成單值對應關(guan)系，經🈲微機處理(li)後得到管内液(ye)位高度。
1.2實現流(liú)速與液位同步(bù)測量的工作機(ji)制
　　非滿管傳感(gǎn)變送器通過施(shi)加勵磁和電壓(yā)兩種激勵來獲(huo)得🍓管内流體流(liú)速信号和液位(wèi)信号,勵磁激勵(li)作✔️用下進行流(liu)速的測量,電壓(yā)激勵作用下進(jìn)行液位的♻️測量(liàng),由勵磁激勵和(he)電壓激勵構成(chéng)雙激勵工作周(zhou)期機制”。雙激勵(li)機制下測量的(de)液位信号與⭐流(liú)速信号使用相(xiang)同的信号處理(li)通道,爲避免相(xiàng)互💘之間電信号(hao)的影響,采用分(fèn)别執行流速測(cè)量周期🐆時序與(yǔ)液位測量周期(qi)時序的工作機(ji)制。設計的測量(liang)👌周期時序工作(zuò)機制爲:
①勵磁激(ji)勵周期下，關閉(bì)電壓激勵。利用(yong)電磁流量計勵(li)磁周期⚽完成一(yī)次管内流體流(liu)速的測量,得到(dao)流速數據;
②電壓(ya)激勵周期下,關(guān)閉勵磁激勵，使(shǐ)管内磁場B=0完成(chéng)一次管内流體(ti)液位的測量。一(yi)次完整的測量(liàng)周期如圖2所示(shì)。

　　爲抑(yi)制極化電壓的(de)幹擾,變送器采(cǎi)用了正負雙脈(mo)🈲沖交流電壓激(jī)勵方式。液位測(cè)量周期安排在(zai)每個勵磁周期(qī)完成流速測量(liang)之後。當管内速(sù)度變化較快時(shi)，則在進行👣多次(cì)流❄️速測量之後(hou),進行一次液位(wèi)測量。圖3爲當勵(li)磁激勵采用工(gōng)頻二分頻時的(de)實測✂️信号波形(xíng)

　　由于液位(wei)測量周期與流(liú)速測量周期相(xiàng)隔時間短，遠遠(yuan)小于✍️液位變化(huà)所需的時間,對(duì)管内液位和流(liú)速的測量可以(yi)認爲是同步進(jin)行的。.
2液位測量(liang)特性分析
2.1傳感(gǎn)器輸入輸出特(tè)性分析
　　當傳感(gǎn)器電壓激勵電(dian)極上施加幅值(zhi)恒定的電壓時(shi),通過💋電極将在(zài)管道液體内建(jian)立起電場。根據(ju)傳.感器液位測(cè)量原理,建立的(de)傳感器液位測(ce)量等效電路簡(jian)化模型👅如圖4所(suǒ)示。

　　圖(tu)4所示的等效電(diàn)路以管内液體(ti)中心爲接地端(duan),故等效電路是(shi)對稱的,其中E1E2表(biǎo)示電壓激勵電(diàn)極兩端點,e1、e2表示(shi)長🛀🏻弧形測量電(diàn)極兩端測量點(diǎn)。Vi1、Vi2爲兩反相的輸(shū)入激勵電壓源(yuán)，Zi1、Zi2爲電壓源内阻(zu)抗,ZE1、ZE2爲電壓激勵(li)電極的自阻抗(kang),.Ze1、Ze2爲長弧形測量(liàng)電極的自阻抗(kang)，ZEe1、ZEe2爲電壓㊙️激勵電(diàn)極與長弧形測(cè)量電極之間的(de)🎯互阻抗，Ze1、Ze2爲前級(jí)儀表放大器❌的(de)輸入阻抗，A0爲放(fàng)大倍數,V0爲放大(dà)器輸出端。
　　因所(suǒ)施加的電壓激(ji)勵信号爲交流(liu)信号,則可忽略(lue)⭕雙電層電容的(de)影響，傳感器等(děng)效電路可近似(sì)爲純電阻電路(lu)。由于電壓激勵(lì)信号源内阻較(jiào)小，放大器的輸(shū)入電阻較大,忽(hū)略二者的影響(xiang),根🛀🏻據圖4等效電(dian)路可求得:

　　式(1)中(zhōng),V,爲輸入電壓源(yuán)，Re爲長弧形測量(liang)電極間的電阻(zu)，REe爲電壓激勵電(diàn)極與長弧形測(cè)量電極間的電(diàn)阻。電極間的電(dian)阻由電極🛀接觸(chù)電阻和液體電(dian)阻構成，其🌈中電(dian)極間液體電阻(zǔ)随管内液體液(ye)位變化而變化(huà)，且與液位成單(dān)值對🙇‍♀️應函數關(guān)系，因而根📐據式(shì)(1)可知🧑🏾‍🤝‍🧑🏼傳感器測(ce)量電極輸出信(xin)号與管内液位(wei)成單值對應關(guan)系，傳感器就是(shì)通過測量✉️電極(ji)兩端電勢信号(hao)來得到管内液(ye)位😘信号。由于電(diàn)極間🈲的液體電(dian)阻與液位呈非(fēi)線性關系👄,精确(que)求得傳感器輸(shu)出信号與液位(wei)的解📐析關系比(bi)較💋困難。因❄️此,利(lì)用有限元計算(suan)方法來求得傳(chuan)感器輸出🐕與液(yè)位的數值關系(xì)。爲便♈于計算作(zuò)以下不失一般(ban)性⛹🏻‍♀️的假設:
①管内(nei)液體的電導率(lǜ)是均勻的，各向(xiàng)同性，符
合歐姆(mu)定律,且電導率(lü)大于一定值;
②測(ce)量管爲絕緣管(guan)或内壁襯有絕(jue)緣襯裏,管壁無(wú)洩漏電流存在(zài);
③進行液位測量(liàng)時，管内磁感應(ying)強度B=0。
由以.上假(jia)設，對傳感器内(nèi)部任-一點電勢(shì)ψi，滿足Laplace方程，即💘:

　　法(fa)求解方程(2),得到(dào)測量電極上的(de)電勢,而兩電極(ji)端電勢差就是(shì)🌂所要測量的液(yè)位電壓信号。通(tong)過有限📞元計💁算(suàn)得👣到的✨傳感器(qì)液位測量輸入(rù)輸出相對滿管(guǎn)歸一化特性曲(qu)線如💰圖5曲線A所(suo)示。圖5中1.23分别爲(wèi)多✌️電極傳感器(qi)底部電極、中部(bu)電🔴極和頂部電(dian)極的液🈚位測量(liang)特性曲線

　　當(dang)液位充滿高度(du)爲60%時，對應傳感(gǎn)器輸出相對值(zhi)爲2.30。多💚電極傳感(gan)器對應60%高度時(shí)由頂部、中部、底(di)部的電極液♻️位(wei)測量輸出相對(duì)值爲1.14.1.21、1.45。二者比較(jiào),顯然所設計的(de)傳感器的輸出(chū)高于多電極。将(jiāng)二種✌️不同的傳(chuán)感‼️器輸出特性(xìng)進行比較，可以(yǐ)發現長弧形電(dian)極傳感器對60%以(yi)上的高液位測(ce)量，其靈敏度特(tè)性優于多電🔆極(jí)傳感器，且🌂傳感(gan)器的結構以及(jí)傳感器的标🔞定(dìng)也比多電極傳(chuán)感器簡單。
2.2被測(cè)液體電導率變(biàn)化對傳感器測(cè)量特性的影響(xiang)
　　根據以上假設(she)條件建立起的(de)管内穩恒電場(chǎng)，可以用靜電🐆場(chang)㊙️進行比拟”。将激(ji)勵電極a、b看作爲(wei)線電極，其✍️連線(xian)作爲x軸,連線的(de)中點作爲y軸,建(jian)立x-y坐标軸,如圖(tú)6所示,右👄圖爲坐(zuo)标原點的放大(da)圖。.

　　式中,R爲電極(jí)半徑,L爲電極之(zhī)間的距離，Vi爲激(jī)勵電壓。在電壓(ya)Vi作🏃🏻用🚶下，如果m,n爲(wèi)測量點,則兩測(ce)量點之間的電(diàn)勢差隻與傳感(gǎn)器結構有關，而(ér)與被測導電液(ye)體的電導率無(wú)關❗。傳感器液位(wei)測量不受🈲被測(ce)導電液體電導(dǎo)率影響的特性(xìng),使得液位測量(liang)方法可以應用(yong)于對溫度🐕及成(chéng)分變化的流體(tǐ)進行液位測量(liang)。
3實驗結果
　　利用(yòng)長弧形電極非(fēi)滿管流量傳感(gan)變送器樣機,如(rú)下😍實驗:将傳感(gǎn)器水平放置且(qiě)兩端封閉,一端(duān)采用導電法蘭(lan)🥰與水接觸作爲(wei)接地點,如圖7所(suo)示。

　　實驗預先計(jì)算傳感器測量(liàng)管内水的液位(wei)對應的水的🏃體(tǐ)積重量，然後用(yong)電子秤量的方(fāng)法精确控制管(guǎn)内💛水的液位。實(shi)驗所用液體采(cǎi)用純水，自來水(shuǐ)和鹽的電解質(zhì)溶液三種🔞液體(tǐ)按👅一-定比例混(hun)合,得到不同電(dian)導率的導電♋液(yè)體。從0.419~1.006mS/cm範圍内選(xuǎn)擇了7種不同✌️電(dian)導率液體,分别(bié)在不同液位下(xia)進行液體電導(dǎo)率📐變化對傳感(gǎn)器🈲測量特性的(de)影響實驗。實驗(yàn)結果如圖8所示(shì)，這裏液位與電(diàn)壓🌈測量值V。均取(qu)相對值。

　　實驗結果表(biao)明，電激勵液位(wèi)液位測量方法(fǎ)在一定範🆚圍内(nei),基本不受被測(ce)液體電導率變(biàn)化的影響。
根據(jù)式5)，可以将傳感(gǎn)器液位測量特(te)性關系式.表示(shì)🈲爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H爲相對(dui)液位高度,V爲V。/V,A、B、k爲(wei)常數。取自變量(liang)爲傳感🛀🏻器信号(hào)🤩測量值,因變量(liang)爲液位高度值(zhi),對實驗數據進(jin)行拟合,得到傳(chuán)感器液❄️位測量(liang)特性關系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟(ni)合誤差

　　式(9)中Vi爲(wèi)電激勵輸入,D爲(wei)管道圓管道直(zhi).徑。當管内液位(wèi)🔆由hu變爲h時,電極(jí)測量信号由V。變(biàn)爲V1,K表征了傳感(gan)器對液位變化(huà)的靈敏✌️度。将長(zhang)弧形電極傳感(gǎn)器與多電極傳(chuán)感器網進行比(bi)較實驗。根據實(shi)驗測量數據,按(àn)式(9)計算得到的(de)靈敏度K如表1數(shu)據所示。當在高(gāo)充滿度狀态下(xià)，液位相對高🔅度(dù)從0.6~0.9變化時，長弧(hu)形電極傳感器(qì)對液🥵位的檢測(cè)靈敏度高于多(duo)電極傳感器。

4結(jié)論
　　分析和實驗(yan)數據表明，采用(yong)長弧形電極進(jìn)行非滿管液位(wèi)測👉量是可行的(de)。傳感器具有對(duì)管内高充滿度(dù)時的液位檢測(ce)靈敏度高、所需(xū)外接電纜少的(de)特點,且傳感器(qi)在❓一定範圍内(nei)基本不受被測(cè)液體電導率變(bian)化💚的影響,适用(yòng)于對被測液體(tǐ)溫度和成分不(bu)恒定的場合的(de)液位測量,如城(cheng)市污水排放量(liàng)的測量。存在的(de)問題是長弧形(xíng)電極加工和安(an)裝🌍的工藝較高(gāo)，電極易受污染(rǎn)，需要定期清🌂洗(xi)

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