摘要:在研究非滿管電磁流量計(jì)液位測(cè):量所要解決的技術(shù)問(wèn)題基礎(chǔ)上,提出了一種長(zhǎng)弧形電極液位測(cè)量方法。該方法是在測(cè)量管壁上設(shè)置一對(duì)長(zhǎng)弧形電極作為流速和液位信號(hào)的測(cè)量電極,在管壁底部設(shè)置-對(duì)激勵(lì)電極。通過(guò)在激勵(lì)電極上施加電壓幅值恒定的交流信號(hào),在測(cè)量電極.上得到反映液位高度變化的電壓信號(hào)。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器對(duì)液位測(cè)量具有較高的靈敏度且不受被測(cè)導(dǎo)電液體電導(dǎo)率變動(dòng)的影響,適用于對(duì)污水排放等場(chǎng)合的非滿管流的測(cè)量。
對(duì)于非滿管流量測(cè)量,由于管內(nèi)的流體截面面積是變化的，故流量的測(cè)量需要測(cè)量流過(guò)傳感器流體的平均速度和流過(guò)傳感器的流體截面積，也即非滿管流量測(cè)量需要測(cè)量管內(nèi)流體流速和液位這兩個(gè)參數(shù)”。非滿管電磁流量計(jì)液位測(cè)量服務(wù)于流量測(cè)量,實(shí)現(xiàn)傳感器液位測(cè)量需要解決:一是液位和流速的同步測(cè)量的問(wèn)題。滿管時(shí)傳感器電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)液體的平均流速成正比，而不受權(quán)重函數(shù)的影響，非滿管狀態(tài)下，管內(nèi)流體流速分布不對(duì)稱，導(dǎo)致權(quán)重函數(shù)分布和液位有關(guān)”。非滿管狀態(tài)下,電極上測(cè)得的感應(yīng)電勢(shì)與流體流速不再是線性關(guān)系需根據(jù)不同液位下的權(quán)重函數(shù)進(jìn)行修正，因而液位和流速信號(hào)的同步測(cè)量是保證流速測(cè)量精度的必要條件;二是對(duì)高充滿度時(shí)的液位測(cè)量靈敏度問(wèn)題。由權(quán)重函數(shù)理論可知，電極上感應(yīng)信號(hào)是電極斷面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合,但這些電勢(shì)--定要處于電極的可測(cè)量范圍之內(nèi),故非滿管測(cè)量電極必須浸入液體內(nèi)，否則電極不會(huì)得到感應(yīng)信號(hào)”。因而，傳感器測(cè)量電極位置一-般都設(shè)置在接近管道直徑10%的位置”。如果測(cè)量流速的電極也用于液位的測(cè)量,由于電極位置接近管道底部,則對(duì)高充滿度下的液位測(cè)量靈敏度比較底,甚至無(wú)法測(cè)量;三是克服被測(cè)液體電導(dǎo)率的影響。非滿管流量計(jì)一般應(yīng)用于對(duì)大口徑給排水管道的流量計(jì)量,如城市排污量的測(cè)量”。管內(nèi)被測(cè)液體的電導(dǎo)率隨液體的成.分和溫度變化而變化，故非滿管液位測(cè)量必須克服被測(cè)液體電導(dǎo)率變化的影響，以保證電磁流量計(jì)相應(yīng)的測(cè)量精度。目前，非滿管電磁流量計(jì)液位測(cè)量大多采用附加液位計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如電容液位計(jì)法、磁致伸縮液位計(jì)、微壓計(jì)等01.10。使用附加液位計(jì)使得流量傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且難以實(shí)現(xiàn)流速和液位的同步測(cè)量,傳感器測(cè)量精度較低。文獻(xiàn)[1]采用多參數(shù)測(cè)量方法，直接在傳感器流速測(cè)量電極上施加附加液位測(cè)量信號(hào),在假設(shè)流體電導(dǎo)率不變化時(shí)，通過(guò)測(cè)量電極間的電導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。采用多電極方法5”,能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器對(duì)流速和液位的同步測(cè)量,但多電極對(duì)應(yīng)的二次儀表信號(hào)處理電路復(fù)雜，使得傳感器外接電纜多，實(shí)際使用不方便。通過(guò)對(duì)非滿管不同液位測(cè)量方案的比較,提出了一種長(zhǎng)弧形電極液位測(cè)量方法”，即以長(zhǎng)弧形電極作為測(cè)量電極,并設(shè)置一對(duì)電極作為電壓激勵(lì)電極,實(shí)現(xiàn)對(duì)非滿管流的液位以及流速測(cè)量。
非滿管電磁流量傳感變送器
1.1非滿管電磁流量傳感變送器結(jié)構(gòu).
圖1為采用長(zhǎng)弧形電極作為測(cè)量電極的非滿管電磁流量傳感變送器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。
測(cè)量管壁上設(shè)置有一對(duì)長(zhǎng)弧形電極作為流速和液位信號(hào)的測(cè)量電極，傳感器底部設(shè)置有一對(duì)激勵(lì)電極,用于施加液位測(cè)量的電壓激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)非滿管電磁流量計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，關(guān)閉勵(lì)磁激勵(lì)，使管內(nèi)磁場(chǎng)B=0在激勵(lì)電極.上施加電壓幅值恒定的交流信號(hào)，通過(guò)管內(nèi)液體的耦合,在測(cè)量電極上得到反映液位高度變化的電壓信號(hào),此電壓信號(hào)與管內(nèi)液體液位成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)微機(jī)處理后得到管內(nèi)液位高度。
1.2實(shí)現(xiàn)流速與液位同步測(cè)量的工作機(jī)制
非滿管傳感變送器通過(guò)施加勵(lì)磁和電壓兩種激勵(lì)來(lái)獲得管內(nèi)流體流速信號(hào)和液位信號(hào),勵(lì)磁激勵(lì)作用下進(jìn)行流速的測(cè)量,電壓激勵(lì)作用下進(jìn)行液位的測(cè)量,由勵(lì)磁激勵(lì)和電壓激勵(lì)構(gòu)成雙激勵(lì)工作周期機(jī)制”。雙激勵(lì)機(jī)制下測(cè)量的液位信號(hào)與流速信號(hào)使用相同的信號(hào)處理通道,為避免相互之間電信號(hào)的影響,采用分別執(zhí)行流速測(cè)量周期時(shí)序與液位測(cè)量周期時(shí)序的工作機(jī)制。設(shè)計(jì)的測(cè)量周期時(shí)序工作機(jī)制為:
①勵(lì)磁激勵(lì)周期下，關(guān)閉電壓激勵(lì)。利用電磁流量計(jì)勵(lì)磁周期完成一次管內(nèi)流體流速的測(cè)量,得到流速數(shù)據(jù);
②電壓激勵(lì)周期下,關(guān)閉勵(lì)磁激勵(lì)，使管內(nèi)磁場(chǎng)B=0完成一次管內(nèi)流體液位的測(cè)量。一次完整的測(cè)量周期如圖2所示。
為抑制極化電壓的干擾,變送器采用了正負(fù)雙脈沖交流電壓激勵(lì)方式。液位測(cè)量周期安排在每個(gè)勵(lì)磁周期完成流速測(cè)量之后。當(dāng)管內(nèi)速度變化較快時(shí)，則在進(jìn)行多次流速測(cè)量之后,進(jìn)行一次液位測(cè)量。圖3為當(dāng)勵(lì)磁激勵(lì)采用工頻二分頻時(shí)的實(shí)測(cè)信號(hào)波形
由于液位測(cè)量周期與流速測(cè)量周期相隔時(shí)間短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液位變化所需的時(shí)間,對(duì)管內(nèi)液位和流速的測(cè)量可以認(rèn)為是同步進(jìn)行的。.
2液位測(cè)量特性分析
2.1傳感器輸入輸出特性分析
當(dāng)傳感器電壓激勵(lì)電極上施加幅值恒定的電壓時(shí),通過(guò)電極將在管道液體內(nèi)建立起電場(chǎng)。根據(jù)傳.感器液位測(cè)量原理,建立的傳感器液位測(cè)量等效電路簡(jiǎn)化模型如圖4所示。
圖4所示的等效電路以管內(nèi)液體中心為接地端,故等效電路是對(duì)稱的,其中E1E2表示電壓激勵(lì)電極兩端點(diǎn),e1、e2表示長(zhǎng)弧形測(cè)量電極兩端測(cè)量點(diǎn)。Vi1、Vi2為兩反相的輸入激勵(lì)電壓源，Zi1、Zi2為電壓源內(nèi)阻抗,ZE1、ZE2為電壓激勵(lì)電極的自阻抗,.Ze1、Ze2為長(zhǎng)弧形測(cè)量電極的自阻抗，ZEe1、ZEe2為電壓激勵(lì)電極與長(zhǎng)弧形測(cè)量電極之間的互阻抗，Ze1、Ze2為前級(jí)儀表放大器的輸入阻抗，A0為放大倍數(shù),V0為放大器輸出端。
因所施加的電壓激勵(lì)信號(hào)為交流信號(hào),則可忽略雙電層電容的影響，傳感器等效電路可近似為純電阻電路。由于電壓激勵(lì)信號(hào)源內(nèi)阻較小，放大器的輸入電阻較大,忽略二者的影響,根據(jù)圖4等效電路可求得:
式(1)中,V,為輸入電壓源，Re為長(zhǎng)弧形測(cè)量電極間的電阻，REe為電壓激勵(lì)電極與長(zhǎng)弧形測(cè)量電極間的電阻。電極間的電阻由電極接觸電阻和液體電阻構(gòu)成，其中電極間液體電阻隨管內(nèi)液體液位變化而變化，且與液位成單值對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，因而根據(jù)式(1)可知傳感器測(cè)量電極輸出信號(hào)與管內(nèi)液位成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，傳感器就是通過(guò)測(cè)量電極兩端電勢(shì)信號(hào)來(lái)得到管內(nèi)液位信號(hào)。由于電極間的液體電阻與液位呈非線性關(guān)系,精確求得傳感器輸出信號(hào)與液位的解析關(guān)系比較困難。因此,利用有限元計(jì)算方法來(lái)求得傳感器輸出與液位的數(shù)值關(guān)系。為便于計(jì)算作以下不失一般性的假設(shè):
①管內(nèi)液體的電導(dǎo)率是均勻的，各向同性，符
合歐姆定律,且電導(dǎo)率大于一定值;
②測(cè)量管為絕緣管或內(nèi)壁襯有絕緣襯里,管壁無(wú)泄漏電流存在;
③進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0。
由以.上假設(shè)，對(duì)傳感器內(nèi)部任-一點(diǎn)電勢(shì)ψi，滿足Laplace方程，即:
法求解方程(2),得到測(cè)量電極上的電勢(shì),而兩電極端電勢(shì)差就是所要測(cè)量的液位電壓信號(hào)。通過(guò)有限元計(jì)算得到的傳感器液位測(cè)量輸入輸出相對(duì)滿管歸一化特性曲線如圖5曲線A所示。圖5中1.23分別為多電極傳感器底部電極、中部電極和頂部電極的液位測(cè)量特性曲線
當(dāng)液位充滿高度為60%時(shí)，對(duì)應(yīng)傳感器輸出相對(duì)值為2.30。多電極傳感器對(duì)應(yīng)60%高度時(shí)由頂部、中部、底部的電極液位測(cè)量輸出相對(duì)值為1.14.1.21、1.45。二者比較,顯然所設(shè)計(jì)的傳感器的輸出高于多電極。將二種不同的傳感器輸出特性進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)弧形電極傳感器對(duì)60%以上的高液位測(cè)量，其靈敏度特性優(yōu)于多電極傳感器，且傳感器的結(jié)構(gòu)以及傳感器的標(biāo)定也比多電極傳感器簡(jiǎn)單。
2.2被測(cè)液體電導(dǎo)率變化對(duì)傳感器測(cè)量特性的影響
根據(jù)以上假設(shè)條件建立起的管內(nèi)穩(wěn)恒電場(chǎng)，可以用靜電場(chǎng)進(jìn)行比擬”。將激勵(lì)電極a、b看作為線電極，其連線作為x軸,連線的中點(diǎn)作為y軸,建立x-y坐標(biāo)軸,如圖6所示,右圖為坐標(biāo)原點(diǎn)的放大圖。.
式中,R為電極半徑,L為電極之間的距離，Vi為激勵(lì)電壓。在電壓Vi作用下，如果m,n為測(cè)量點(diǎn),則兩測(cè)量點(diǎn)之間的電勢(shì)差只與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與被測(cè)導(dǎo)電液體的電導(dǎo)率無(wú)關(guān)。傳感器液位測(cè)量不受被測(cè)導(dǎo)電液體電導(dǎo)率影響的特性,使得液位測(cè)量方法可以應(yīng)用于對(duì)溫度及成分變化的流體進(jìn)行液位測(cè)量。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用長(zhǎng)弧形電極非滿管流量傳感變送器樣機(jī),如下實(shí)驗(yàn):將傳感器水平放置且兩端封閉,一端采用導(dǎo)電法蘭與水接觸作為接地點(diǎn),如圖7所示。
實(shí)驗(yàn)預(yù)先計(jì)算傳感器測(cè)量管內(nèi)水的液位對(duì)應(yīng)的水的體積重量，然后用電子秤量的方法精確控制管內(nèi)水的液位。實(shí)驗(yàn)所用液體采用純水，自來(lái)水和鹽的電解質(zhì)溶液三種液體按一-定比例混合,得到不同電導(dǎo)率的導(dǎo)電液體。從0.419~1.006mS/cm范圍內(nèi)選擇了7種不同電導(dǎo)率液體,分別在不同液位下進(jìn)行液體電導(dǎo)率變化對(duì)傳感器測(cè)量特性的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，這里液位與電壓測(cè)量值V。均取相對(duì)值。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電激勵(lì)液位液位測(cè)量方法在一定范圍內(nèi),基本不受被測(cè)液體電導(dǎo)率變化的影響。
根據(jù)式5)，可以將傳感器液位測(cè)量特性關(guān)系式.表示為:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H為相對(duì)液位高度,V為V。/V,A、B、k為常數(shù)。取自變量為傳感器信號(hào)測(cè)量值,因變量為液位高度值,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到傳感器液位測(cè)量特性關(guān)系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
擬合誤差
式(9)中Vi為電激勵(lì)輸入,D為管道圓管道直.徑。當(dāng)管內(nèi)液位由hu變?yōu)閔時(shí),電極測(cè)量信號(hào)由V。變?yōu)閂1,K表征了傳感器對(duì)液位變化的靈敏度。將長(zhǎng)弧形電極傳感器與多電極傳感器網(wǎng)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),按式(9)計(jì)算得到的靈敏度K如表1數(shù)據(jù)所示。當(dāng)在高充滿度狀態(tài)下，液位相對(duì)高度從0.6~0.9變化時(shí)，長(zhǎng)弧形電極傳感器對(duì)液位的檢測(cè)靈敏度高于多電極傳感器。
4結(jié)論
分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用長(zhǎng)弧形電極進(jìn)行非滿管液位測(cè)量是可行的。傳感器具有對(duì)管內(nèi)高充滿度時(shí)的液位檢測(cè)靈敏度高、所需外接電纜少的特點(diǎn),且傳感器在一定范圍內(nèi)基本不受被測(cè)液體電導(dǎo)率變化的影響,適用于對(duì)被測(cè)液體溫度和成分不恒定的場(chǎng)合的液位測(cè)量,如城市污水排放量的測(cè)量。存在的問(wèn)題是長(zhǎng)弧形電極加工和安裝的工藝較高，電極易受污染，需要定期清洗
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