摘要:在研究非滿(mǎn)管電磁流量計 液(ye)位測:量所要解決(jue)的技術問題基礎(chǔ)上,提出了一種長(zhǎng)💋弧形👅電極液位測(cè)量方法。該方法是(shì)在測量管✔️壁上設(she)置😍一對💞長弧形電(dian)極作爲流速和液(yè)位信号的測量電(dian)極,在管壁底部設(shè)置-對激勵電極。通(tōng)過在激勵電極上(shàng)施加電⁉️壓幅值恒(heng)定的交流信号,在(zài)測量電極.上得到(dao)反映液位高度變(biàn)化的電壓信号。理(lǐ)🧡論分析和實驗結(jie)果表明傳感器對(duì)液位測量👈具有較(jiao)高的靈敏度且不(bu)受被測導電液體(ti)電導率變動🤞的影(ying)響,适用于對污🌈水(shui)排放等場合的🛀非(fei)滿管流的測量。
　　對(dui)于非滿管流量測(cè)量,由于管内的流(liu)體截面面積是變(bian)化的，故流量的測(cè)量需要測量流過(guo)傳感器流體的平(ping)均速度和流過傳(chuán)感器的流體截面(miàn)積，也即非滿管流(liu)量測量需要測量(liang)管内流體流速和(he)液位這兩個參數(shu)”。非滿管電磁流量(liang)計液位測量服務(wù)于流量測量,實現(xiàn)傳感器液位測量(liang)需要解決:一是液(ye)位和流速的同步(bù)測量的問題。滿管(guan)時傳感器電極上(shàng)産生的感應電勢(shì)與被測液體的平(píng)均流速成正比，而(er)不受權重函數的(de)影響，非滿管狀态(tài)下，管内流體流速(su)分布不對稱，導緻(zhì)權重函數分布和(hé)液位有關”。非滿管(guan)狀态下,電極上測(ce)得的感應電勢與(yu)流體流速不再是(shi)線性關系需根據(ju)不同液位下的權(quán)重函數進行修正(zhèng)，因而液位和流速(sù)信号的同步測量(liang)是保證流速測量(liang)精度的必要條件(jian);二是對高充滿度(dù)時的液位測量靈(líng)敏度問題。由權重(zhòng)函數理論可知，電(diàn)極上感應信号是(shi)電極斷面内所有(yǒu)質點電位的集合(hé),但這些電勢--定要(yao)處于電極的可測(cè)量範圍之内,故非(fei)滿管測量電極必(bì)須浸入液體内，否(fǒu)則電極不會得到(dào)感應信号”。因而，傳(chuan)感器測量電極位(wei)置一-般都設置在(zai)接近管道直徑10%的(de)位置”。如果測量流(liú)速的電極也用于(yú)液位的測量,由于(yú)電極位置接近管(guǎn)道底部,則對高充(chōng)滿度下的液位測(cè)量靈敏度比較底(dǐ),甚至無法測量;三(san)是克服被測液體(ti)電導率的影響。非(fei)滿管流量計一般(ban)應用于對大口徑(jing)給排水管道的流(liú)量計量,如城市排(pái)污量的測量”。管内(nei)被測液體的電導(dǎo)率随液體的成.分(fen)和溫度變化而變(biàn)化，故非滿管液位(wei)測量必須克服被(bèi)測液體電導率變(biàn)化的影響，以保證(zheng)電磁流量計相應(ying)的測量精度。目前(qián)，非滿管電磁流量(liang)計液位測量大多(duo)采用附加液位計(ji)方法來實現，如電(diàn)容液位計法、磁緻(zhi)伸縮液位計、微壓(yā)計等12.15。使用附加液(ye)位計使得流量傳(chuan)感器結構複雜，且(qiě)難以實現流速和(he)液位的同步測量(liang),傳感器測量精度(dù)較低。文獻[1]采用多(duo)參數測量方法，直(zhi)接在傳感器流速(su)測量電極上施加(jia)附加液位測量信(xìn)号,在假設流體電(diàn)導率不變化時，通(tōng)過測量電極間的(de)電導來實現液位(wèi)的測量。采用多電(dian)極方法5”,能夠實現(xiàn)傳感器對流速和(he)液位的同步測量(liàng),但多電極對應的(de)二次儀表信号處(chù)理電路複雜，使得(de)傳感器外接電纜(lan)多，實際使用不方(fāng)便。通過對非滿管(guan)不同液位測量方(fāng)案的比較,提出了(le)一種長弧形電極(jí)液位測量方法”，即(jí)以長弧形電極作(zuò)爲測量電極,并設(she)置一對電極作爲(wèi)電壓激勵電極,實(shi)現對非滿管流的(de)液位以及流速測(cè)量。
非滿管電磁流(liu)量傳感變送器
1.1非(fēi)滿管電磁流量傳(chuán)感變送器結構.
圖(tu)1爲采用長弧形電(diàn)極作爲測量電極(jí)的非滿管電磁流(liu)量傳感變送器實(shi)驗樣機的基本結(jié)構。

　　測量管壁上設置(zhì)有一對長弧形電(dian)極作爲流速和液(yè)位信号的🈲測量電(dian)極，傳感器底部設(she)置有一對激勵電(diàn)極,用于施⛷️加液位(wèi)測✍️量的電壓激勵(li)信号。當非滿管電(dian)磁流量計進行液(ye)位測🤞量時，關閉勵(lì)磁激勵，使管内磁(ci)👣場B=0在激勵電極.上(shàng)施❤️加電壓幅值恒(héng)定的交流信号，通(tōng)過管内液體的耦(ǒu)合,在測量電極上(shàng)得到反映液位💃🏻高(gāo)度變化的電壓🏃🏻信(xin)号,此電壓信号與(yu)🔞管内液體液位成(chéng)單值對應關系，經(jīng)微機處理後得到(dào)管内液位高度。
1.2實(shi)現流速與液位同(tong)步測量的工作機(jī)制
　　非滿管傳感變(biàn)送器通過施加勵(lì)磁和電壓兩種激(jī)勵來獲🔱得管内流(liú)體流速信号和液(yè)位信号,勵磁激勵(li)作🈚用下進行流速(sù)的測量,電壓激勵(li)作用下進行液位(wèi)的🌈測量,由勵磁激(jī)勵和電壓激勵構(gou)成雙激勵工作周(zhou)期機制”。雙激勵機(jī)制下測量的液位(wèi)信号與流速信号(hao)使用相同的信号(hao)處理通道,爲避免(miǎn)相互之間電信号(hao)🐇的影響,采用分别(bié)執行流速測量周(zhou)期時序與液位測(ce)量周期時序的工(gong)作機制。設計的測(ce)👄量周期時序工作(zuo)機制爲:
①勵磁激勵(li)周期下，關閉電壓(yā)激勵。利用電磁流(liú)量計勵🈲磁周期完(wan)♊成一次管内流體(ti)流速的測量,得到(dao)流速數據;
②電壓激(jī)勵周期下,關閉勵(lì)磁激勵，使管内磁(cí)場B=0完成一次管内(nei)📞流🌈體液位的測量(liang)。一次完整的測量(liàng)周期如圖2所示✔️。

　　爲抑制極化電(dian)壓的幹擾,變送器(qi)采用了正負雙脈(mò)沖🈲交🌈流電壓激勵(lì)方式。液位測量周(zhou)期安排在每個勵(lì)磁周期完成流速(su)測量之後。當管内(nei)速度變化較快時(shi)，則在進行多次流(liu)速測量❤️之後,進行(hang)一次液位測量。圖(tú)3爲當勵磁激勵采(cǎi)用工頻二分頻時(shí)的實測🏃‍♂️信号波形(xing)

　　由(yóu)于液位測量周期(qi)與流速測量周期(qī)相隔時間短，遠遠(yuǎn)小于液位變化所(suǒ)需的時間,對管内(nei)液位和流速的☂️測(cè)量可以認爲是同(tóng)步進行的。.
2液位測(ce)量特性分析
2.1傳感(gan)器輸入輸出特性(xing)分析
　　當傳感器電(dian)壓激勵電極上施(shi)加幅值恒定的電(dian)壓🛀時,通過電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻極将(jiang)在管道液體内建(jiàn)立起電場。根據傳(chuán).感器❓液位測量原(yuan)理,建立的傳感器(qì)液位測量等效電(dian)路簡化模型👈如圖(tú)4所示。

　　圖4所示的(de)等效電路以管内(nei)液體中心爲接地(di)端,故等效電路是(shì)對稱的,其中E1E2表示(shì)電壓激勵電極兩(liang)端點,e1、e2表🚩示長弧形(xing)測量電極兩端測(cè)量點。Vi1、Vi2爲兩反相的(de)輸入激勵電壓源(yuán)，Zi1、Zi2爲電壓源内阻抗(kang),ZE1、ZE2爲電壓激勵電極(jí)的自阻抗,.Ze1、Ze2爲長弧(hu)形測量電極的自(zì)阻抗，ZEe1、ZEe2爲電壓㊙️激勵(li)電極與🏃‍♂️長弧形測(ce)量電極之間的互(hù)阻抗，Ze1、Ze2爲前🌈級儀表(biǎo)放大器的輸入阻(zu)抗，A0爲🌈放大倍數,V0爲(wei)放🛀大器輸出端。
　　因(yin)所施加的電壓激(jī)勵信号爲交流信(xìn)号,則可忽略雙👣電(diàn)層🈲電容的影響，傳(chuán)感器等效電路可(ke)近似爲純電阻電(dian)路。由于電壓📱激勵(lì)信号源内阻較小(xiao)，放大器的輸入電(dian)阻較大,忽略二者(zhě)的影響,根據圖4等(deng)效電路可求得:

　　式(shì)(1)中,V,爲輸入電壓源(yuan)，Re爲長弧形測量電(diàn)極間的電阻🤟，REe爲電(dian)壓激勵電極與長(zhang)弧形測量電極間(jian)的電阻。電極間的(de)電阻由🌈電極接觸(chu)💚電阻和液體電阻(zu)構成，其中電極間(jian)液體🚶‍♀️電阻随管内(nei)液體液位㊙️變化而(ér)變化，且與液位📧成(chéng)單值對應函數關(guān)系，因而根⚽據式(1)可(kě)知傳感器測量電(diàn)極輸出信号與管(guǎn)内液位成單值對(duì)應關系，傳感器就(jiù)是通過測量電極(ji)兩端電勢信号來(lai)得到管✌️内液位信(xìn)号。由于電極間的(de)液體電阻與液位(wèi)呈非線性關系,精(jīng)确求得傳感器輸(shu)出信号與🐆液位的(de)解析關系比較困(kun)難。因此,利用有限(xiàn)元計算方法來求(qiu)得傳感器輸出與(yu)液位的數值♊關系(xì)。爲便于計算作以(yǐ)下不失一般性🙇🏻的(de)假設:
①管内液體的(de)電導率是均勻的(de)，各向同性，符
合歐(ōu)姆定律,且電導率(lü)大于一定值;
②測量(liang)管爲絕緣管或内(nei)壁襯有絕緣襯裏(li),管壁無洩漏電流(liú)存在;
③進行液位測(cè)量時，管内磁感應(ying)強度B=0。
由以.上假設(shè)，對傳感器内部任(rèn)-一點電勢ψi，滿足Laplace方(fang)程🐉，即:

　　法求解方程(cheng)(2),得到測量電極上(shàng)的電勢,而兩電極(ji)端電勢🧑🏽‍🤝‍🧑🏻差就是所(suǒ)要測量的液位電(dian)壓信号。通過有限(xian)元計算得到的傳(chuan)感器液位測量輸(shu)入輸出相對滿管(guǎn)歸一化特性🌏曲線(xian)如圖5曲線🌈A所示。圖(tu)5中1.23分别爲多電極(ji)傳感器底部電極(ji)、中部電極和頂部(bu)電極的液位測量(liàng)特性曲線

　　當液位充滿高(gāo)度爲60%時，對應傳感(gǎn)器輸出相對值爲(wèi)2.30。多電極傳㊙️感器對(dui)應60%高度時由頂部(bù)、中部、底部的電🏃🏻‍♂️極(jí)液位測量輸🙇‍♀️出相(xiàng)對值爲1.14.1.21、1.45。二者比較(jiao),顯然所設計的傳(chuán)感器的輸出高于(yu)多電極。将二種不(bú)同的傳感🏃🏻‍♂️器輸出(chu)特👌性進行比較，可(ke)以發現長弧形電(diàn)極傳感器對60%以上(shàng)的高液位測量，其(qí)靈敏度特性優于(yú)多電極傳感器，且(qie)傳感器的結構以(yǐ)及傳感器的标定(ding)也比多電極傳感(gan)器簡單。
2.2被測液體(ti)電導率變化對傳(chuan)感器測量特性的(de)影響
　　根據以上假(jia)設條件建立起的(de)管内穩恒電場，可(kě)以用❄️靜🚶‍♀️電✂️場進行(hang)比拟”。将激勵電極(jí)a、b看作爲線電極，其(qí)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼連線作爲x軸,連線(xiàn)的中點作爲y軸,建(jiàn)立x-y坐标軸,如圖💘6所(suǒ)示,右圖爲坐标原(yuan)點的放大圖。.

　　式中(zhōng),R爲電極半徑,L爲電(dian)極之間的距離，Vi爲(wei)激勵電壓。在電💋壓(ya)Vi作✨用下，如果m,n爲測(cè)量點,則兩測量點(diǎn)之間的電勢差隻(zhi)與傳感器結構📧有(you)關，而與被測導電(dian)液體的電導率無(wú)關。傳感器液位測(ce)量不受被測導電(diàn)液⛷️體電導率影響(xiǎng)的特性,使得液位(wei)測量方法可以應(ying)用于對溫度及成(cheng)分變化的流體進(jin)行液位測量。
3實驗(yan)結果
　　利用長弧形(xíng)電極非滿管流量(liang)傳感變送器樣機(jī),如下實驗:将傳🔴感(gǎn)器水平放置且兩(liang)端封閉,一端采用(yòng)🚶導電法蘭與水接(jiē)觸作爲接地點,如(ru)圖7所示。

　　實驗預先(xian)計算傳感器測量(liàng)管内水的液位對(dui)應的水的體積重(zhong)量，然後用電子秤(chèng)量的方法精确控(kòng)制管内水的液位(wèi)。實驗所用液體采(cǎi)用純水，自來水和(hé)鹽的電💔解質溶液(yè)三種液體按‼️一-定(ding)比例混合,得到不(bú)同電導率的導電(diàn)液體。從0.419~1.006mS/cm範✍️圍内選(xuǎn)擇了7種不同♋電導(dao)率液體,分别在不(bu)同🐅液位下進行液(yè)體電導率變化對(dui)傳感器測量特性(xìng)的影響實驗。實驗(yan)結🚶‍♀️果如圖8所示，這(zhe)裏液位❤️與電壓測(ce)量值V。均✨取相對值(zhí)。

　　實驗結果表明，電(dian)激勵液位液位測(ce)量方法在一定🏃🏻‍♂️範(fan)圍内,基本不受被(bei)測液體電導率變(biàn)化的影響。
根據式(shi)5)，可以将傳感器液(yè)位測量特性關系(xì)式.表示爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H爲(wèi)相對液位高度,V爲(wei)V。/V,A、B、k爲常數。取自變量(liàng)爲傳感器💔信号測(cè)量值,因變量爲液(ye)位高度值,對實驗(yàn)數據進行拟合,得(dé)到傳感器液位測(cè)量特性關系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟(ni)合誤差

　　式(9)中Vi爲電(diàn)激勵輸入,D爲管道(dào)圓管道直.徑。當管(guan)内液位由hu變爲h時(shí)♋,電極測量信号由(you)V。變爲V1,K表征了傳感(gan)器對液位變化的(de)靈敏度。将長弧形(xíng)電極傳感器與多(duo)電極傳💃🏻感器網進(jin)行比較實驗。根據(ju)實驗測量數據,按(àn)式(9)計算得到的靈(líng)敏度K如表🔞1數據所(suo)示。當在高充滿度(du)狀态下😍，液位相對(duì)高度從0.6~0.9變化時，長(zhang)弧形電極傳感器(qì)對液位的檢測靈(ling)敏度高于多電極(jí)傳感器。

4結論
　　分析(xi)和實驗數據表明(míng)，采用長弧形電極(ji)進行非滿管液位(wèi)🈲測🍓量是可行的。傳(chuán)感器具有對管内(nèi)高充滿度時的液(ye)位檢測靈👅敏度高(gao)、所需外接電纜少(shao)的特點,且傳🍓感器(qi)在一定範圍内基(ji)㊙️本不受🚶被測液體(ti)電導率變化的影(ying)響,适用于對被測(cè)液體溫度和成分(fen)不恒定的場合的(de)液位測量,如城市(shi)污水排放量的測(cè)量。存在的問題是(shì)長弧形電極加工(gōng)和安裝的工藝較(jiao)高，電極易受污染(rǎn)，需要定期清洗

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