摘要:在研究非(fei)滿管電磁流量(liàng)計 液位測:量所(suo)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(cè)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(wèi)流速和液位信(xin)号的測量電極(ji),在管壁底部設(she)置㊙️-對激勵電極(jí)。通過在♊激勵電(diàn)極上施加電壓(ya)幅值恒定的交(jiao)流信号,在測量(liang)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(chuán)感器對液位測(ce)量具有較高的(de)靈敏度且不受(shou)被測導電液體(ti)電導率變動的(de)影響,适用于對(duì)污水排放等場(chang)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(liú)體截面面積是(shì)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(su)度和流過傳感(gan)器的流體截面(miàn)積，也即非滿管(guǎn)流量測量需要(yao)測量管内流體(tǐ)流速和液位這(zhe)兩個參數”。非滿(mǎn)管電磁流量計(ji)液位測量服務(wu)于流量測量,實(shí)現傳感器液位(wei)測量需要解決(jue):一是液位和流(liu)速的同步測量(liang)的問題。滿管時(shí)傳感器電極上(shang)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(quan)重函數的影響(xiang)，非滿管狀态下(xia)，管内流體流速(su)分布不對稱，導(dao)緻權重函數分(fèn)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(gēn)據不同液位下(xià)的權重函數進(jin)行修正，因而液(ye)位和流速信号(hào)的同步測量是(shi)保證流速測量(liàng)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(shì)電極斷面内所(suǒ)有質點電位的(de)集合,但這些電(diàn)勢--定要處于電(dian)極的可測量範(fan)圍之内,故非滿(man)管測量電極必(bì)須浸入液體内(nèi)，否則電極不會(hui)得到感應信号(hao)”。因而，傳感器測(ce)量電極位置一(yi)-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(jiao)底,甚至無法測(cè)量;三是克服被(bei)測液體電導率(lǜ)的影響。非滿管(guǎn)流量計一般應(yīng)用于對大口徑(jing)給排水管道的(de)流量計量,如城(chéng)市排污量的測(ce)量”。管内被測液(ye)體的電導率随(sui)液體的成.分和(he)溫度變化而變(bian)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(qián)，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(lái)實現，如電容液(yè)位計法、磁緻伸(shen)縮液位計、微壓(ya)計等12.16。使用附加(jia)液位計使得流(liu)量傳感器結構(gou)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(dù)較低。文獻[1]采用(yong)多參數測量方(fāng)法，直接在傳感(gǎn)器流速測量電(dian)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(shi)，通過測量電極(jí)間的電導來實(shí)現液位的測量(liàng)。采用多電極方(fang)法5”,能夠實現傳(chuán)感器對流速和(he)液位的同步測(cè)量,但多電極對(duì)應的二次儀表(biao)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(fāng)便。通過對非滿(man)管不同液位測(cè)量方案的比較(jiao),提出了一種長(zhǎng)弧形電極液位(wei)測量方法”，即以(yi)長弧形電極作(zuò)爲測量電極,并(bing)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(qì)
1.1非滿管電磁流(liú)量傳感變送器(qì)結構.
圖1爲采用(yong)長弧形電極作(zuo)爲測量電極的(de)非滿管電磁❗流(liú)量🤩傳感變送器(qi)實驗樣機的基(jī)本結構。

　　測量(liàng)管壁上設置有(you)一對長弧形電(dian)極作爲流速和(he)液位⛹🏻‍♀️信🎯号的測(cè)量電極，傳感器(qì)底部設置有一(yī)對激勵電👄極,用(yòng)于施加液位測(cè)量的電壓激勵(li)信号。當非滿管(guǎn)電磁流量計進(jin)行液位測量時(shi)，關閉勵磁激勵(lì)，使管内磁場B=0在(zai)激勵💋電極.上施(shi)加電壓幅值恒(héng)定的交流信号(hào)，通過管内液體(tǐ)的耦合,在測量(liang)電極上得👉到反(fǎn)映液位高☔度變(bian)化的電壓信号(hao),此電壓信号與(yu)管内液體🔅液位(wei)成單值對應關(guān)系，經微機處理(li)後得💚到管内液(yè)位高度。
1.2實現流(liú)速與液位同步(bu)測量的工作機(ji)制
　　非滿管傳感(gǎn)變送器通過施(shī)加勵磁和電壓(yā)兩種激勵🍉來獲(huò)得管✂️内流體流(liú)速信号和液位(wei)信号,勵磁激勵(li)作🏃‍♂️用下進行流(liu)速的測💚量,電壓(ya)激勵作用下進(jìn)行液位的🍓測量(liang),由☎️勵磁激💛勵和(hé)電壓激勵構成(cheng)雙激勵工作周(zhōu)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(xiang)互之間電信号(hao)的影響,采用分(fèn)别🔞執行流速測(ce)量周期✊時序與(yu)液位測量周期(qī)時序的工作機(jī)制。設計的測量(liàng)周期時序工作(zuo)機💋制爲:
①勵磁激(ji)勵周期下，關閉(bi)電壓激勵。利用(yòng)電磁流量計勵(lì)磁周期完成一(yi)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(tǐ)液位的測量。一(yī)次完整的測量(liàng)周期🛀如圖2所示(shì)。

　　爲抑(yì)制極化電壓的(de)幹擾,變送器采(cǎi)用了正負雙脈(mò)沖交👌流電壓激(jī)勵方式。液位測(ce)量周期安排在(zai)每個勵磁周期(qi)完成💛流速測量(liang)之後。當管内速(su)度變化較快時(shí)，則在進行多次(ci)流速測量之後(hòu),進行一次液位(wei)測量。圖3爲當勵(lì)磁激💃🏻勵采用工(gong)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(liu)速測量周期相(xiang)隔時間短，遠遠(yuan)小于📐液位變化(huà)所需的時間,對(dui)管内液位和流(liú)速的測量💃🏻可以(yǐ)🌈認爲是同步進(jin)行的。.
2液位測量(liàng)特性分析
2.1傳感(gǎn)器輸入輸出特(tè)性分析
　　當傳感(gan)器電壓激勵電(dian)極上施加幅值(zhi)恒定的電壓時(shí)✂️,通過電極将在(zai)管道液體内建(jiàn)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(suo)示。

　　圖(tú)4所示的等效電(diàn)路以管内液體(tǐ)中心爲接地端(duān),故等效電路💃是(shì)✉️對稱的,其中E1E2表(biǎo)示電壓激勵電(dian)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(lì)電極的自阻㊙️抗(kàng),.Ze1、Ze2爲長弧形測量(liang)電極的自阻抗(kàng)，ZEe1、ZEe2爲電壓激勵電(dian)極與長弧形測(ce)量電極之間的(de)互阻抗，Ze1、Ze2爲前級(ji)儀表放大器的(de)輸入阻抗，A0爲放(fàng)大倍數,V0爲放👣大(da)器輸出端。
　　因所(suo)施加的電壓激(ji)勵信号爲交流(liú)信号,則可忽略(luè)雙電層電容👉的(de)影響，傳感器等(deng)效電路可近似(si)爲純🔞電阻電路(lù)。由于電壓激勵(lì)信号源内阻較(jiào)小，放大器的輸(shu)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(zhong),V,爲輸入電壓源(yuan)，Re爲長弧形測量(liàng)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(dian)阻。電極間💛的電(dian)阻由電極接觸(chu)電阻和液體電(dian)阻構成，其⁉️中電(diàn)極間液體💞電阻(zǔ)随管内液體液(yè)位變化而變化(hua)，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(xìn)号與管内液位(wèi)成單值對應關(guan)系，傳感器就是(shi)通過測量♌電極(ji)兩端電勢信号(hào)來得到管内液(ye)位信号。由于電(dian)極間的液體電(diàn)阻與🈲液位呈非(fei)線性關系♉,精确(què)求得傳感器輸(shu)📐出信号與液位(wei)的解🐅析關系比(bǐ)較🔞困難。因此,利(li)用有限元計算(suan)👅方法來求得傳(chuan)感器輸出與液(ye)位的數值🍉關系(xì)。爲便♉于計算作(zuò)以下不失一般(bān)性的假設:
①管内(nei)液體的電導率(lǜ)是均勻的，各向(xiang)同性，符
合歐姆(mǔ)定律,且電導率(lü)大于一定值;
②測(cè)量管爲絕緣管(guǎn)或内壁襯有絕(jue)緣襯裏,管壁無(wú)洩漏電流👣存在(zai)🍉;
③進行液位測量(liang)時，管内磁感應(yīng)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(jí)端🏃‍♂️電勢差♻️就是(shi)所要測量的液(yè)位電壓信号。通(tōng)過有限元計算(suàn)得到的傳感器(qi)液✔️位測量輸入(rù)輸出相對滿🧑🏽‍🤝‍🧑🏻管(guan)歸一🐉化特性曲(qǔ)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(qì)底部電極、中部(bù)電極和頂部電(diàn)極的液位測量(liàng)特性曲線

　　當(dang)液位充滿高度(dù)爲60%時，對應傳感(gǎn)器輸出相對值(zhí)爲2.30。多電極傳感(gǎn)🎯器對應60%高度時(shí)由頂部、中部、底(dǐ)部的電🐕極液位(wèi)測量輸出相✂️對(duì)值爲1.14.1.21、1.45。二者比較(jiao),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(chuan)感器輸出特性(xing)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(te)性優于多電極(ji)傳感器，且傳感(gǎn)器的結構以及(ji)傳感器的标定(dìng)也比多電極傳(chuan)感器簡單。
2.2被測(ce)液體電導率變(biàn)化對傳感器測(cè)量特性的影響(xiǎng)
　　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(jī)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(jiàn)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(ji)半徑,L爲電極之(zhi)間的距離，Vi爲激(ji)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(dian)勢💔差隻與傳感(gan)器結構☎️有關，而(er)與被測導電液(yè)體的電導率無(wu)關🌐。傳感器液位(wèi)測❓量不受被測(cè)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(yòng)于對溫度🔴及成(cheng)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(qie)兩端封閉,一端(duān)采用導電法蘭(lán)🈲與水接觸😄作爲(wei)♊接地點,如圖7所(suo)示。

　　實驗預先計(ji)算傳感器測量(liang)管内水的液位(wei)對應的水㊙️的體(tǐ)積重量，然後用(yòng)電子秤量的方(fang)法精确控制管(guan)内水的液位。實(shí)驗所用液體采(cai)用純水，自來水(shui)和✨鹽的電解質(zhi)溶液三種液體(ti)按一-定比例混(hun)合,得到不同電(dian)導率的導電🌈液(ye)體。從0.419~1.006mS/cm範圍内選(xuan)擇了7種不同㊙️電(diàn)導率液體,分别(bie)在不同液位下(xià)進行液體電導(dǎo)率變化對傳感(gan)器🐉測量特性的(de)影響實驗。實驗(yàn)結果如🔴圖8所示(shi)，這裏液位與電(diàn)壓測量值V。均取(qǔ)相對值。

　　實驗結果表(biǎo)明，電激勵液位(wèi)液位測量方法(fa)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。
根據(ju)式5)，可以将傳感(gan)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(liàng)爲傳感器信号(hao)測量值,因變量(liang)爲液位高度值(zhí),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(nǐ)合誤差

　　式(9)中Vi爲(wèi)電激勵輸入,D爲(wèi)管道圓管道直(zhi).徑。當管内液位(wèi)由🤟hu變爲🌏h時,電極(ji)測量信号由V。變(biàn)爲V1,K表征了傳感(gǎn)器對液位變化(hua)的靈敏度。将長(zhǎng)弧形電極傳感(gan)器與多電極傳(chuán)感器網👈進行比(bǐ)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(gao)充✌️滿度狀态下(xia)，液位相對高🏃‍♀️度(du)從0.6~0.9變化時，長弧(hu)形電極傳感器(qi)對液位的檢測(ce)靈敏度高于多(duō)電極傳感器。

4結(jie)論
　　分析和實驗(yàn)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(du)時的液位檢測(cè)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(ce)液體電導率變(biàn)化的影響,适用(yong)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(liang)的♈測量。存在的(de)問題是長弧形(xing)電極加工和安(ān)裝的工藝較高(gao)，電極易受污染(rǎn)，需要定期清洗(xǐ)

以上内容源于(yu)網絡，如有侵權(quán)聯系即删除!