摘要:在研(yan)究非滿管(guan)電磁流量(liang)計
液位測(ce):量所要解(jie)決的技術(shu)問題基礎(chu)上,提出了(le)一種長弧(hu)形㊙️電極液(ye)位測量方(fang)法。該方法(fa)是在測量(liang)管壁上設(she)置💜一對長(zhang)弧形電⛱️極(ji)作爲流速(su)和液位信(xin)号⛹🏻♀️的測量(liang)電極,在管(guan)壁底部設(she)置-對激勵(li)電極。通過(guo)在激勵電(dian)極上施加(jia)電壓幅值(zhi)恒定的交(jiao)流信号,在(zai)測量電極(ji).上得到反(fan)映液位高(gao)度變化的(de)電壓信号(hao)。理💞論分析(xi)和實驗結(jie)果表明傳(chuan)感👅器對液(ye)位測量具(ju)有較高的(de)靈敏度且(qie)不受被測(ce)導電液🐕體(ti)電導率變(bian)動的影響(xiang),适用于對(dui)污🙇♀️水排放(fang)等場合的(de)非🔴滿管流(liu)的測量。
對(dui)于非滿管(guan)流量測量(liang),由于管内(nei)的流體截(jie)面面積是(shi)變化的，故(gu)流量的測(ce)量需要測(ce)量流過傳(chuan)感器流體(ti)的平均速(su)度和流過(guo)傳感器的(de)流體截面(mian)積，也即非(fei)滿管流量(liang)測量需要(yao)測量管内(nei)流體流速(su)和液位這(zhe)兩個參數(shu)”。非滿管電(dian)磁流量計(ji)液位測量(liang)服務于流(liu)量測量,實(shi)現傳感器(qi)液位測量(liang)需要解決(jue):一是液位(wei)和流速的(de)同步測量(liang)的問題。滿(man)管時傳感(gan)器電極上(shang)産生的感(gan)應電勢與(yu)被測液體(ti)的平均流(liu)速成正比(bi)，而不受權(quan)重函數的(de)影響，非滿(man)管狀态下(xia)，管内流體(ti)流速分布(bu)不對稱，導(dao)緻權重函(han)數分布和(he)液位有關(guan)”。非滿管狀(zhuang)态下,電極(ji)上測得的(de)感應電勢(shi)與流體流(liu)速不再是(shi)線性關系(xi)需根據不(bu)同液位下(xia)的權重函(han)數進行修(xiu)正，因而液(ye)位和流速(su)信号的同(tong)步測量是(shi)保證流速(su)測量精度(du)的必要條(tiao)件;二是對(dui)高充滿度(du)時的液位(wei)測量靈敏(min)度問題。由(you)權重函數(shu)理論可知(zhi)，電極上感(gan)應信号是(shi)電極斷面(mian)内所有質(zhi)點電位的(de)集合,但這(zhe)些電勢--定(ding)要處于電(dian)極的可測(ce)量範圍之(zhi)内,故非滿(man)管測量電(dian)極必須浸(jin)入液體内(nei)，否則電極(ji)不會得到(dao)感應信号(hao)”。因而，傳感(gan)器測量電(dian)極位置一(yi)-般都設置(zhi)在接近管(guan)道直徑10%的(de)位置”。如果(guo)測量流速(su)的電極也(ye)用于液位(wei)的測量,由(you)于電極位(wei)置接近管(guan)道底部,則(ze)對高充滿(man)度下的液(ye)位測量靈(ling)敏度比較(jiao)底,甚至無(wu)法測量;三(san)是克服被(bei)測液體電(dian)導率的影(ying)響。非滿管(guan)流量計一(yi)般應用于(yu)對大口徑(jing)給排水管(guan)道的流量(liang)計量,如城(cheng)市排污量(liang)的測量”。管(guan)内被測液(ye)體的電導(dao)率随液體(ti)的成.分和(he)溫度變化(hua)而變化，故(gu)非滿管液(ye)位測量必(bi)須克服被(bei)測液體電(dian)導率變化(hua)的影響，以(yi)保證電磁(ci)流量計相(xiang)應的測量(liang)精度。目前(qian)，非滿管電(dian)磁流量計(ji)液位測量(liang)大多采用(yong)附加液位(wei)計方法來(lai)實現，如電(dian)容液位計(ji)法、磁緻伸(shen)縮液位計(ji)、微壓計等(deng)11.26。使用附加(jia)液位計使(shi)得流量傳(chuan)感器結構(gou)複雜，且難(nan)以實現流(liu)速和液位(wei)的同步測(ce)量,傳感器(qi)測量精度(du)較低。文獻(xian)[1]采用多參(can)數測量方(fang)法，直接在(zai)傳感器流(liu)速測量電(dian)極上施加(jia)附加液位(wei)測量信号(hao),在假設流(liu)體電導率(lü)不變化時(shi)，通過測量(liang)電極間的(de)電導來實(shi)現液位的(de)測量。采用(yong)多電極方(fang)法5”,能夠實(shi)現傳感器(qi)對流速和(he)液位的同(tong)步測量,但(dan)多電極對(dui)應的二次(ci)儀表信号(hao)處理電路(lu)複雜，使得(de)傳感器外(wai)接電纜多(duo)，實際使用(yong)不方便。通(tong)過對非滿(man)管不同液(ye)位測量方(fang)案的比較(jiao),提出了一(yi)種長弧形(xing)電極液位(wei)測量方法(fa)”，即以長弧(hu)形電極作(zuo)爲測量電(dian)極,并設置(zhi)一對電極(ji)作爲電壓(ya)激勵電極(ji),實現對非(fei)滿管流的(de)液位以及(ji)流速測量(liang)。
非滿管電(dian)磁流量傳(chuan)感變送器(qi)
1.1非滿管電(dian)磁流量傳(chuan)感變送器(qi)結構.
圖1爲(wei)采用長弧(hu)形電極作(zuo)爲測量電(dian)極的非滿(man)管電磁流(liu)量👌傳感🐪變(bian)送器實驗(yan)樣機的基(ji)本結構。
測量管壁(bi)上設置有(you)一對長弧(hu)形電極作(zuo)爲流速和(he)液✍️位信🚶号(hao)的測量電(dian)極，傳感器(qi)底部設置(zhi)有一對激(ji)勵電極,用(yong)于施加液(ye)位測量的(de)電壓激勵(li)信号。當非(fei)滿管電磁(ci)流量計進(jin)行液位測(ce)量時，關閉(bi)勵磁激勵(li)，使管内磁(ci)場B=0在激勵(li)電極.上施(shi)🧡加電壓幅(fu)值恒定的(de)交流信号(hao)，通過管内(nei)液體的耦(ou)合,在測🌐量(liang)電極上得(de)到反映液(ye)位高✌️度變(bian)化的電壓(ya)信号,此電(dian)壓信号與(yu)管内液體(ti)⛷️液位成單(dan)值對應關(guan)系，經⚽微機(ji)處理後得(de)到✊管内液(ye)位高度。
1.2實(shi)現流速與(yu)液位同步(bu)測量的工(gong)作機制
非(fei)滿管傳感(gan)變送器通(tong)過施加勵(li)磁和電壓(ya)兩種激勵(li)來獲😄得管(guan)内流體流(liu)速信号和(he)液位信号(hao),勵磁激😄勵(li)作用下進(jin)行流速的(de)測量,電壓(ya)激勵作用(yong)下進行液(ye)位的測量(liang),由勵磁激(ji)勵和電📧壓(ya)激勵🈲構成(cheng)雙激勵工(gong)作周期機(ji)制”。雙激勵(li)機制下測(ce)量的液位(wei)信号與流(liu)速信号使(shi)🈲用相同的(de)信🔆号處理(li)通道,爲避(bi)免相互之(zhi)間電信号(hao)的影響,采(cai)用分别執(zhi)行流速測(ce)量周期時(shi)序與液🌐位(wei)測量周期(qi)時序的工(gong)作機制。設(she)計的測量(liang)🤩周期時序(xu)工作機制(zhi)爲:
①勵磁激(ji)勵周期下(xia)，關閉電壓(ya)激勵。利用(yong)電磁流量(liang)計勵磁周(zhou)期完成一(yi)次管内流(liu)體流速的(de)測量,得到(dao)流速數據(ju);
②電壓激勵(li)周期下,關(guan)閉勵磁激(ji)勵，使管内(nei)磁場B=0完成(cheng)一🐕次管🏒内(nei)流體液位(wei)的測量。一(yi)次完整的(de)測量周期(qi)🔞如圖2所示(shi)。
爲抑制極(ji)化電壓的(de)幹擾,變送(song)器采用了(le)正負雙脈(mo)沖🔴交流🧡電(dian)壓激勵方(fang)式。液位測(ce)量周期安(an)排在每個(ge)勵磁周期(qi)🌍完成流速(su)測量⛹🏻♀️之後(hou)。當管内速(su)度變化較(jiao)快時，則在(zai)進行多次(ci)流💃🏻速測量(liang)之後,進行(hang)一次液位(wei)測量。圖3爲(wei)當勵磁激(ji)勵采用工(gong)頻二分頻(pin)時的實測(ce)信号波形(xing)
由于液位(wei)測量周期(qi)與流速測(ce)量周期相(xiang)隔時間短(duan)，遠遠小于(yu)液位變化(hua)所需的時(shi)間,對管内(nei)液位和流(liu)🔞速的測量(liang)可以認爲(wei)是同步進(jin)行的。.
2液位(wei)測量特性(xing)分析
2.1傳感(gan)器輸入輸(shu)出特性分(fen)析
當傳感(gan)器電壓激(ji)勵電極上(shang)施加幅值(zhi)恒定的電(dian)壓時,通🌂過(guo)電極将在(zai)管道液體(ti)内建立起(qi)電場。根據(ju)傳.感器液(ye)位測量原(yuan)理🈲,建立的(de)傳感器液(ye)位測量等(deng)效電路簡(jian)📱化模型如(ru)圖4所示。
圖4所示(shi)的等效電(dian)路以管内(nei)液體中心(xin)爲接地端(duan),故等㊙️效電(dian)路是對稱(cheng)的,其中E1E2表(biao)示電壓激(ji)勵電極兩(liang)端⭐點,e1、e2表㊙️示(shi)長弧形♍測(ce)量電極兩(liang)端測量點(dian)。Vi1、Vi2爲兩反相(xiang)的輸入激(ji)勵電壓源(yuan)，Zi1、Zi2爲電👄壓源(yuan)内阻抗,ZE1、ZE2爲(wei)電壓激勵(li)電極的自(zi)阻抗,.Ze1、Ze2爲長(zhang)弧形測量(liang)電極的自(zi)阻抗，ZEe1、ZEe2爲電(dian)壓激勵電(dian)極與長弧(hu)形測量電(dian)極之間的(de)互阻抗，Ze1、Ze2爲(wei)前級儀表(biao)放大器的(de)輸入阻抗(kang)，A0爲放大倍(bei)數,V0爲放大(da)器💞輸出端(duan)。
因所施加(jia)的電壓激(ji)勵信号爲(wei)交流信号(hao),則可忽略(lue)雙電層電(dian)容的影響(xiang)，傳感器等(deng)效電路可(ke)近似爲純(chun)電阻電路(lu)。由于㊙️電壓(ya)激勵信号(hao)源内阻較(jiao)小，放大器(qi)的輸入電(dian)阻較💘大,忽(hu)略二者的(de)影響,根據(ju)圖4等效電(dian)路可求得(de)🐅:
式(1)中,V,爲輸(shu)入電壓源(yuan)，Re爲長弧形(xing)測量電極(ji)間的電阻(zu)🈲，REe爲🏃🏻♂️電壓激(ji)🔞勵電極與(yu)長弧形測(ce)量電極間(jian)的電阻。電(dian)極間的電(dian)阻由電極(ji)接觸✊電阻(zu)和液體電(dian)阻構成，其(qi)中電極間(jian)液體電阻(zu)随管内液(ye)體液位變(bian)化而變化(hua)，且與液位(wei)成單值對(dui)應函數關(guan)系，因而根(gen)據式(1)可知(zhi)🐕傳感器測(ce)量電極輸(shu)出信🥰号與(yu)管内液💞位(wei)成單值對(dui)應關系，傳(chuan)感器就是(shi)通過測量(liang)⛹🏻♀️電極兩端(duan)電勢信号(hao)來得到管(guan)内液位信(xin)号。由于電(dian)極間的液(ye)體電阻與(yu)液位呈非(fei)線性關系(xi)👈,精确求得(de)傳感器輸(shu)出信号與(yu)液位的解(jie)析關系比(bi)較困難。因(yin)此,利用有(you)限元計算(suan)方法來求(qiu)得傳感器(qi)輸出與液(ye)位的數值(zhi)關系。爲便(bian)于計算作(zuo)以下不失(shi)一般性的(de)假設:
①管内(nei)液體的電(dian)導率是均(jun)勻的，各向(xiang)同性，符
合(he)歐姆定律(lü),且電導率(lü)大于一定(ding)值;
②測量管(guan)爲絕緣管(guan)或内壁襯(chen)有絕緣襯(chen)裏,管壁無(wu)洩漏電流(liu)存在;
③進行(hang)液位測量(liang)時，管内磁(ci)感應強度(du)B=0。
由以.上假(jia)設，對傳感(gan)器内部任(ren)-一點電勢(shi)ψi，滿足Laplace方程(cheng)，即:
法求解(jie)方程(2),得到(dao)測量電極(ji)上的電勢(shi),而兩電極(ji)端電勢差(cha)就是所要(yao)測量的液(ye)位電壓信(xin)号。通過有(you)限元計算(suan)得到的傳(chuan)感器液位(wei)測量輸入(ru)輸出相對(dui)滿管歸一(yi)☂️化特性🐇曲(qu)線如圖5曲(qu)線A所示。圖(tu)5中1.23分别爲(wei)多電極傳(chuan)感⛹🏻♀️器底部(bu)電極、中部(bu)電極和頂(ding)部電極的(de)液位測量(liang)特性曲線(xian)
當液位(wei)充滿高度(du)爲60%時，對應(ying)傳感器輸(shu)出相對值(zhi)爲2.30。多電⭐極(ji)😄傳感🈲器對(dui)應60%高度時(shi)由頂部、中(zhong)部、底部的(de)電極液位(wei)測量輸出(chu)相對值爲(wei)1.14.1.21、1.45。二者比較(jiao),顯然所設(she)計的傳感(gan)器的輸♻️出(chu)高于多電(dian)極。将二種(zhong)不同的傳(chuan)感器輸出(chu)特性進行(hang)比較，可以(yi)發現長弧(hu)形電極傳(chuan)感器對60%以(yi)上的高液(ye)位測量💰，其(qi)靈敏度特(te)性優于多(duo)電極傳感(gan)器，且傳✔️感(gan)器的結構(gou)以及傳感(gan)器的标定(ding)也比多電(dian)極傳感器(qi)簡單。
2.2被測(ce)液體電導(dao)率變化對(dui)傳感器測(ce)量特性的(de)影響
根據(ju)以上假設(she)條件建立(li)起的管内(nei)穩恒電場(chang)，可以用靜(jing)電場進行(hang)比拟”。将激(ji)勵電極a、b看(kan)作爲線電(dian)極，其連線(xian)☀️作爲x軸,連(lian)線的中點(dian)作爲y軸,建(jian)立x-y坐标軸(zhou),如圖6所示(shi),右🈲圖爲坐(zuo)标原點的(de)放大圖。.
式(shi)中,R爲電極(ji)半徑,L爲電(dian)極之間的(de)距離，Vi爲激(ji)勵電壓。在(zai)電壓Vi作用(yong)下，如果m,n爲(wei)測量點,則(ze)兩測量點(dian)之間的電(dian)勢差隻與(yu)傳感器💁結(jie)構有關，而(er)與被測導(dao)電液體的(de)電導率無(wu)關。傳感器(qi)😍液位測量(liang)不受被測(ce)導電液體(ti)電導率影(ying)響的特性(xing),使得液位(wei)測量方法(fa)可以應㊙️用(yong)于對溫度(du)及成分變(bian)化的流體(ti)進行液位(wei)測量。
3實驗(yan)結果
利用(yong)長弧形電(dian)極非滿管(guan)流量傳感(gan)變送器樣(yang)機,如下實(shi)驗🚩:将傳感(gan)器水平放(fang)置且兩端(duan)封閉,一端(duan)采用導電(dian)😘法蘭與水(shui)🔅接觸作爲(wei)接地點,如(ru)圖7所示。
實(shi)驗預先計(ji)算傳感器(qi)測量管内(nei)水的液位(wei)對應的水(shui)的❄️體⚽積重(zhong)量，然後用(yong)電子秤量(liang)的方法精(jing)确控制💃🏻管(guan)内水的㊙️液(ye)位。實驗💘所(suo)用液體采(cai)用純水，自(zi)來水和鹽(yan)的電解質(zhi)溶液三種(zhong)液體按一(yi)-定比例混(hun)合,得到不(bu)同電導率(lü)的導電液(ye)體。從0.419~1.006mS/cm範圍(wei)内選擇了(le)7種不同‼️電(dian)導率液體(ti)❌,分别在不(bu)同液位下(xia)進行液體(ti)電導率變(bian)化對傳感(gan)器測量特(te)性的影響(xiang)實驗。實驗(yan)結果如圖(tu)8所示，這裏(li)液位與電(dian)壓測量值(zhi)V。均👣取相對(dui)值。
實驗結(jie)果表明，電(dian)激勵液位(wei)液位測量(liang)方法在一(yi)定範🎯圍内(nei),基本不受(shou)被測液體(ti)電導率變(bian)化的影響(xiang)。
根據式5)，可(ke)以将傳感(gan)器液位測(ce)量特性關(guan)系式.表示(shi)爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H爲(wei)相對液位(wei)高度,V爲V。/V,A、B、k爲(wei)常數。取自(zi)變量爲傳(chuan)感器🌍信号(hao)🙇♀️測量值,因(yin)變量爲液(ye)位高度值(zhi),對實驗數(shu)據進行拟(ni)合,得到傳(chuan)感器液位(wei)測量特性(xing)關系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟(ni)合誤差
式(shi)(9)中Vi爲電激(ji)勵輸入,D爲(wei)管道圓管(guan)道直.徑。當(dang)管内液位(wei)☔由hu變爲h時(shi)🈲,電極測量(liang)信号由V。變(bian)爲V1,K表征了(le)傳感器🤟對(dui)液位變化(hua)的靈敏度(du)。将😘長弧形(xing)電極傳感(gan)器與多電(dian)極傳感器(qi)網🏃🏻♂️進行比(bi)較實驗。根(gen)據實驗測(ce)量數據,按(an)式(9)計算得(de)到的靈敏(min)度K如表✨1數(shu)據所示💞。當(dang)在高充滿(man)度狀态下(xia)，液位相對(dui)高度從0.6~0.9變(bian)化時，長弧(hu)形電極🐕傳(chuan)感器對液(ye)位的檢測(ce)靈敏度☂️高(gao)于多電極(ji)傳感器。
4結(jie)論
分析和(he)實驗數據(ju)表明，采用(yong)長弧形電(dian)極進行非(fei)滿⁉️管🈚液位(wei)測⭕量是可(ke)行的。傳感(gan)器具有對(dui)管内高充(chong)滿度時🚩的(de)液位檢測(ce)靈敏度高(gao)、所需外接(jie)電纜少的(de)特點,且傳(chuan)感器在一(yi)定範圍内(nei)基本不受(shou)💛被測液體(ti)電導率變(bian)化的影響(xiang),适用于對(dui)被🍉測液體(ti)溫度和成(cheng)分不恒定(ding)的場合的(de)液位測量(liang),如城市污(wu)水排放量(liang)的測量。存(cun)在的問題(ti)是長弧形(xing)電極加工(gong)和安裝的(de)工藝較高(gao)，電極易受(shou)污染，需要(yao)定期清洗(xi)
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