摘(zhāi)要:在研究非(fēi)滿(mǎn)管電(diàn)磁流量計(jì) 液位測:量所要(yào)解決(jué)的技術問(wèn)題基(jī)礎上,提出(chū)了一種(zhǒng)長弧(hú)形(xíng)電極(jí)液位(wèi)測量方法。該(gāi)方法是(shì)在測(cè)量管壁上(shàng)設置一對長弧(hú)形電(diàn)極(jí)作爲流(liú)速和液位(wèi)信号(hào)的測量電極,在(zài)管壁底部設置(zhì)-對激(jī)勵(lì)電極。通(tōng)過在激勵電極(jí)上施(shī)加電(diàn)壓幅(fú)值恒定的交流信号(hào),在測量電(diàn)極(jí).上(shàng)得到(dào)反映(yìng)液位(wèi)高度(dù)變化的電壓信号。理(lǐ)論分析(xī)和(hé)實驗(yàn)結果(guǒ)表明傳感(gǎn)器對(duì)液(yè)位測量(liàng)具有較高的(de)靈(líng)敏度(dù)且不(bú)受被(bèi)測導(dǎo)電(diàn)液體電(diàn)導率變動的影(yǐng)響,适用于對污水排(pái)放等場合(hé)的非滿管(guǎn)流的測量(liàng)。
　　對(duì)于(yú)非滿(mǎn)管流量測量,由于管(guǎn)内的(de)流體(tǐ)截面面積是(shì)變(biàn)化的，故流量的(de)測量需要測量(liàng)流過傳感器流(liú)體的(de)平(píng)均(jun1)速度(dù)和流過傳感器(qì)的流(liú)體截(jié)面積(jī)，也即(jí)非(fēi)滿管流(liú)量測(cè)量(liàng)需要測(cè)量管(guǎn)内流體流(liú)速和液位這兩(liǎng)個參(cān)數”。非滿管(guǎn)電磁流量計液(yè)位測(cè)量服務于(yú)流(liú)量測量,實現傳感(gǎn)器液位測量需要解決:一(yī)是液(yè)位和流速(sù)的同(tóng)步測量的問題。滿管時傳(chuán)感器電(diàn)極(jí)上産(chǎn)生的(de)感應電勢(shì)與被測液(yè)體的(de)平均流速成正(zhèng)比，而不受權重函數的影(yǐng)響，非(fēi)滿管狀(zhuàng)态(tài)下，管内流體(tǐ)流速分(fèn)布不(bú)對稱(chēng)，導緻(zhì)權重函數分布(bù)和液位(wèi)有關”。非(fēi)滿管狀态下,電(diàn)極上測(cè)得的感(gǎn)應電勢與流體(tǐ)流速(sù)不再是線性關系需根據(jù)不同液位(wèi)下的(de)權重函數進行修正，因而(ér)液位和(hé)流速信号的(de)同步測量(liàng)是保(bǎo)證流(liú)速測量精(jīng)度的必要條件;二是對高(gāo)充滿度(dù)時的液位測(cè)量靈(líng)敏度問題(tí)。由權重函(hán)數理(lǐ)論可(kě)知(zhī)，電極上(shàng)感應(yīng)信号是電極(jí)斷(duàn)面内所有(yǒu)質點電位的集(jí)合,但(dàn)這(zhè)些(xiē)電勢(shì)--定要(yào)處(chù)于(yú)電極(jí)的可(kě)測量範圍(wéi)之内,故非(fēi)滿管(guǎn)測量(liàng)電極必須(xū)浸入(rù)液體(tǐ)内，否則電(diàn)極(jí)不會得(dé)到感應信号”。因而(ér)，傳(chuán)感器測量(liàng)電極位置(zhì)一-般(bān)都設置在接近(jìn)管道直徑(jìng)10%的位置”。如(rú)果測量流(liú)速的電極也用于液位的測量(liàng),由于電(diàn)極(jí)位置(zhì)接近管道底部(bù),則對高充滿度下的液位測量(liàng)靈敏度比較底,甚至無法測量(liàng);三是克服(fú)被測(cè)液體電(diàn)導率的(de)影響。非滿管流(liú)量計一般應用(yòng)于對(duì)大(dà)口徑給排水(shuǐ)管道的流量計量,如城市(shì)排污量的測量(liàng)”。管内被測液體的電(diàn)導率(lǜ)随液(yè)體的成(chéng).分和溫度變化而(ér)變化(huà)，故非滿管液位測量必須克(kè)服被測(cè)液體(tǐ)電導率變(biàn)化的影響，以保證電磁流(liú)量(liàng)計(jì)相應的測(cè)量精度。目前，非滿管電磁流量(liàng)計液位測量大(dà)多采(cǎi)用附加液(yè)位計方(fāng)法來實(shí)現，如電容液位(wèi)計法、磁緻伸縮液位計、微壓計(jì)等01.10。使用附加液(yè)位計(jì)使(shǐ)得流量(liàng)傳感器結構複(fú)雜，且(qiě)難以實現(xiàn)流速和(hé)液位的(de)同步(bù)測量(liàng),傳感(gǎn)器測量(liàng)精(jīng)度較低。文獻(xiàn)[1]采用多(duō)參數(shù)測量(liàng)方法，直接在(zài)傳感器(qì)流速測量(liàng)電極上施加附加液(yè)位測量信(xìn)号(hào),在假設流體電導率不變化時，通(tōng)過測量電(diàn)極間(jiān)的(de)電導來(lái)實現(xiàn)液位的(de)測(cè)量(liàng)。采(cǎi)用多電極方法(fǎ)5”,能夠(gòu)實現傳感(gǎn)器對流速(sù)和液位的同步測量(liàng),但多電極對應(yīng)的二(èr)次儀表信号處(chù)理(lǐ)電(diàn)路複雜，使得(dé)傳感器(qì)外(wài)接電(diàn)纜多，實(shí)際使用不方(fāng)便。通過對非(fēi)滿管(guǎn)不同(tóng)液位(wèi)測量方案(àn)的比較,提(tí)出了(le)一種長弧(hú)形電(diàn)極(jí)液位測(cè)量方法”，即(jí)以長弧形(xíng)電(diàn)極作爲(wèi)測量電極(jí),并設置一對(duì)電(diàn)極作爲電壓激(jī)勵電(diàn)極,實現對非滿(mǎn)管流的液位以及流速測(cè)量。
非滿管電磁(cí)流量(liàng)傳感變(biàn)送器
1.1非(fēi)滿管(guǎn)電(diàn)磁(cí)流量(liàng)傳感變送器結(jié)構.
圖(tú)1爲采用長(zhǎng)弧形電極作爲(wèi)測量電極的(de)非(fēi)滿管電磁流量(liàng)傳感變(biàn)送(sòng)器實(shí)驗樣(yàng)機(jī)的(de)基本(běn)結構。

　　測(cè)量管壁上(shàng)設(shè)置有一對長(zhǎng)弧(hú)形電極作(zuò)爲(wèi)流速和液(yè)位信(xìn)号的測量(liàng)電極，傳感器底(dǐ)部設置有(yǒu)一對(duì)激勵(lì)電極,用于(yú)施(shī)加(jiā)液(yè)位(wèi)測量(liàng)的電(diàn)壓激勵信(xìn)号。當(dāng)非滿管電(diàn)磁流量計進行(háng)液位(wèi)測量時，關(guān)閉勵磁激(jī)勵，使(shǐ)管内(nèi)磁場b=0在激(jī)勵電極.上施加電壓幅值恒定(dìng)的交(jiāo)流(liú)信号，通過管内液體的(de)耦合,在(zài)測量電極上(shàng)得(dé)到(dào)反映液位高度變化(huà)的電(diàn)壓信号,此(cǐ)電壓信号與管内液體液位(wèi)成(chéng)單值對應(yīng)關系(xì)，經微機處理後(hòu)得到管(guǎn)内液位(wèi)高度(dù)。
1.2實現流速(sù)與液位同(tóng)步測量的(de)工作機制(zhì)
　　非滿管傳(chuán)感變(biàn)送器通過施加(jiā)勵磁和電壓兩(liǎng)種激(jī)勵來獲得(dé)管内流體(tǐ)流速(sù)信号和液位信(xìn)号,勵磁激勵作用下進(jìn)行流速(sù)的測量(liàng),電壓(yā)激勵作用(yòng)下進行(háng)液位的測(cè)量,由(yóu)勵磁(cí)激勵(lì)和電壓(yā)激勵構成雙(shuāng)激勵工作周期(qī)機制”。雙(shuāng)激(jī)勵機制下(xià)測(cè)量的液(yè)位信号(hào)與(yǔ)流速信号(hào)使用相同(tóng)的信号處理(lǐ)通道,爲避免相互之間電信号的(de)影響,采用分别(bié)執行(háng)流(liú)速測量(liàng)周期時序與液位測(cè)量周(zhōu)期時(shí)序的(de)工作機制(zhì)。設計的(de)測量周(zhōu)期時序工作機(jī)制爲:
①勵磁激勵(lì)周期(qī)下(xià)，關閉電(diàn)壓激勵。利(lì)用電(diàn)磁流量計勵磁(cí)周期完(wán)成一次(cì)管内流體流速(sù)的測量,得(dé)到流速數據;
②電壓激(jī)勵周期下,關閉勵磁(cí)激勵，使管(guǎn)内磁場(chǎng)b=0完成(chéng)一(yī)次管(guǎn)内流(liú)體液(yè)位的測(cè)量。一次(cì)完整(zhěng)的測量周(zhōu)期如圖2所示。

　　爲抑制(zhì)極化電(diàn)壓的幹擾,變送(sòng)器(qì)采用(yòng)了正負雙(shuāng)脈沖(chòng)交流電壓(yā)激勵(lì)方式(shì)。液位測量(liàng)周期(qī)安排在每(měi)個勵磁周期完成流(liú)速測量之(zhī)後。當管内(nèi)速度(dù)變化較快時，則(zé)在進行多(duō)次流(liú)速測(cè)量(liàng)之後,進(jìn)行一次液位測(cè)量。圖(tú)3爲當勵磁(cí)激勵采(cǎi)用工頻(pín)二分(fèn)頻時的實(shí)測信号波(bō)形

　　由于(yú)液(yè)位測量周期與流速(sù)測量周期相隔時間(jiān)短(duǎn)，遠遠小(xiǎo)于液位(wèi)變(biàn)化所(suǒ)需的時(shí)間,對管(guǎn)内液位和流速(sù)的測量可(kě)以認(rèn)爲是同步進行(háng)的。.
2液位測量特(tè)性分析
2.1傳感器(qì)輸(shū)入(rù)輸出特性(xìng)分析
　　當傳感(gǎn)器電壓激勵(lì)電極(jí)上施加幅值恒定的(de)電壓時,通(tōng)過電極将在管(guǎn)道液(yè)體内建立(lì)起電場。根(gēn)據傳(chuán).感器液(yè)位測量(liàng)原理,建(jiàn)立(lì)的傳(chuán)感器(qì)液位測量(liàng)等效電路簡化(huà)模型(xíng)如(rú)圖(tú)4所示(shì)。

　　圖4所示的等(děng)效(xiào)電路以管内液(yè)體中(zhōng)心爲接(jiē)地(dì)端,故(gù)等效(xiào)電(diàn)路是對(duì)稱的,其中e1e2表示(shì)電壓(yā)激勵電極(jí)兩端(duān)點,e1、e2表示長弧形(xíng)測(cè)量電極(jí)兩端測量(liàng)點。vi1、vi2爲(wèi)兩反相(xiàng)的輸入(rù)激勵電壓源，zi1、zi2爲(wèi)電壓(yā)源内阻抗(kàng),ze1、ze2爲電壓(yā)激(jī)勵電極的自阻抗,.ze1、ze2爲(wèi)長弧(hú)形(xíng)測量電(diàn)極的自(zì)阻抗，zee1、zee2爲(wèi)電壓激(jī)勵電極與長(zhǎng)弧形測量電極之間的互阻抗，ze1、ze2爲前級儀(yí)表放大(dà)器(qì)的輸(shū)入阻(zǔ)抗(kàng)，a0爲放大(dà)倍數,v0爲放(fàng)大器(qì)輸出端。
　　因所施(shī)加的電壓激(jī)勵(lì)信号爲交流信(xìn)号,則可忽略雙(shuāng)電層(céng)電容(róng)的影(yǐng)響，傳感器(qì)等效(xiào)電路(lù)可近似爲(wèi)純電阻電(diàn)路。由于電(diàn)壓激勵信(xìn)号源(yuán)内(nèi)阻較小(xiǎo)，放大(dà)器的(de)輸入(rù)電阻較大,忽略二者的影響,根(gēn)據圖4等(děng)效電路(lù)可求(qiú)得:

　　式(1)中,v,爲(wèi)輸入電壓(yā)源，re爲(wèi)長弧(hú)形測量電極間的電阻，ree爲(wèi)電壓(yā)激勵電極(jí)與長弧形測量電極間的電阻(zǔ)。電極(jí)間的(de)電阻(zǔ)由電(diàn)極接觸電(diàn)阻和液(yè)體電阻構成，其(qí)中電極(jí)間(jiān)液(yè)體電阻随(suí)管内(nèi)液(yè)體液位(wèi)變化而(ér)變(biàn)化，且(qiě)與液位(wèi)成單值(zhí)對應(yīng)函數關系，因而根據式(1)可(kě)知傳(chuán)感器(qì)測(cè)量(liàng)電極輸出(chū)信号(hào)與管内(nèi)液(yè)位成(chéng)單值對應關系(xì)，傳感器就是通(tōng)過測量(liàng)電極兩(liǎng)端電勢信(xìn)号來(lái)得到管(guǎn)内液位(wèi)信号(hào)。由(yóu)于(yú)電極(jí)間的液體電阻(zǔ)與液位呈(chéng)非線(xiàn)性關(guān)系,精确求(qiú)得傳(chuán)感(gǎn)器輸出(chū)信号與液位的(de)解(jiě)析關系(xì)比較困難。因(yīn)此,利(lì)用有限元計(jì)算方法來求得傳感(gǎn)器輸出(chū)與液位的(de)數(shù)值關系。爲(wèi)便于計算(suàn)作以下不(bú)失(shī)一(yī)般性(xìng)的假設:
①管内液(yè)體的(de)電導(dǎo)率是(shì)均勻的(de)，各(gè)向同(tóng)性，符(fú)
合歐姆定(dìng)律,且(qiě)電(diàn)導(dǎo)率大于一(yī)定值;
②測量(liàng)管爲絕緣(yuán)管或(huò)内(nèi)壁(bì)襯有絕緣(yuán)襯裏,管壁無洩漏電流存在;
③進(jìn)行液位(wèi)測量時(shí)，管内(nèi)磁(cí)感應強度b=0。
由以(yǐ).上(shàng)假設(shè)，對傳(chuán)感(gǎn)器(qì)内部任-一點(diǎn)電勢ψi，滿(mǎn)足laplace方程，即:

　　法求(qiú)解方程(2),得(dé)到測(cè)量電極上的電(diàn)勢,而兩電(diàn)極端(duān)電勢差就是所要測(cè)量的液位(wèi)電壓(yā)信号(hào)。通過(guò)有限元計算得到的傳感器液(yè)位測量(liàng)輸(shū)入輸(shū)出相對(duì)滿管歸一化(huà)特(tè)性曲線如圖5曲線a所示(shì)。圖5中1.23分别爲多(duō)電極傳感器底部電極、中部電極和(hé)頂部(bù)電極(jí)的(de)液(yè)位測(cè)量特(tè)性曲線

　　當液(yè)位充(chōng)滿高(gāo)度爲(wèi)60%時，對應傳(chuán)感器(qì)輸出相(xiàng)對(duì)值爲(wèi)2.30。多電(diàn)極傳感器(qì)對應(yīng)60%高(gāo)度時由(yóu)頂部、中(zhōng)部(bù)、底部(bù)的電極(jí)液(yè)位測(cè)量輸出(chū)相(xiàng)對值(zhí)爲1.14.1.21、1.45。二者(zhě)比較,顯(xiǎn)然(rán)所(suǒ)設計(jì)的傳(chuán)感器(qì)的輸出高于多電極。将二(èr)種不同的(de)傳感器輸(shū)出特(tè)性進(jìn)行比較，可(kě)以發(fā)現長弧形電極(jí)傳感器對(duì)60%以上的高液位測量(liàng)，其靈敏度(dù)特性優于(yú)多電極傳(chuán)感器(qì)，且傳感器的結(jié)構以及傳(chuán)感器的标定也比多(duō)電極傳感(gǎn)器簡單。
2.2被測液(yè)體電(diàn)導(dǎo)率變化(huà)對傳感器(qì)測量(liàng)特性的(de)影響
　　根(gēn)據以上假設條(tiáo)件(jiàn)建立起(qǐ)的管(guǎn)内穩恒電(diàn)場，可(kě)以用(yòng)靜電(diàn)場進(jìn)行比拟(nǐ)”。将(jiāng)激勵(lì)電極(jí)a、b看作爲線電極，其連(lián)線作(zuò)爲x軸,連線的中(zhōng)點作爲y軸,建立(lì)x-y坐标(biāo)軸(zhóu),如(rú)圖6所示,右(yòu)圖爲(wèi)坐标原點(diǎn)的(de)放大圖(tú)。.

　　式中,r爲電極半(bàn)徑,l爲電(diàn)極之間(jiān)的距離，vi爲激勵(lì)電壓。在(zài)電壓vi作用下(xià)，如(rú)果m,n爲測(cè)量點,則兩測(cè)量(liàng)點之間的(de)電勢(shì)差隻(zhī)與傳感器(qì)結構(gòu)有關(guān)，而與被(bèi)測(cè)導電(diàn)液體(tǐ)的電導(dǎo)率無(wú)關(guān)。傳感器(qì)液位測(cè)量不受(shòu)被測導電液(yè)體電導率(lǜ)影響的特性,使得液位測量方(fāng)法可以應(yīng)用于(yú)對溫(wēn)度(dù)及成分(fèn)變化的流(liú)體進(jìn)行液位(wèi)測量。
3實(shí)驗結果
　　利(lì)用長弧形電極非滿(mǎn)管流量傳感變(biàn)送器(qì)樣機(jī),如下(xià)實驗:将傳(chuán)感器(qì)水平放置且兩(liǎng)端封閉(bì),一(yī)端采用導電法蘭與(yǔ)水接觸作(zuò)爲接(jiē)地點,如圖7所示(shì)。

　　實驗預(yù)先(xiān)計算傳感(gǎn)器測量管(guǎn)内水的(de)液(yè)位對應的(de)水的體積(jī)重(zhòng)量，然後用電(diàn)子秤(chèng)量的方法(fǎ)精确(què)控制(zhì)管内(nèi)水的(de)液位。實驗(yàn)所用(yòng)液(yè)體采用(yòng)純水，自(zì)來(lái)水和(hé)鹽的電(diàn)解質溶液三種液(yè)體按一-定比(bǐ)例混合(hé),得到(dào)不同電導(dǎo)率(lǜ)的導電液體(tǐ)。從0.419~1.006ms/cm範圍内選擇(zé)了7種不同(tóng)電導(dǎo)率液(yè)體,分别在不同液位(wèi)下進行液體電(diàn)導率(lǜ)變化對(duì)傳感器(qì)測量(liàng)特(tè)性的影(yǐng)響實驗。實驗結果如(rú)圖8所示，這(zhè)裏液(yè)位與(yǔ)電壓(yā)測量值v。均取(qǔ)相(xiàng)對值(zhí)。

　　實驗結果表明(míng)，電激勵液位液位測(cè)量方法在一定範圍(wéi)内,基本不(bú)受被測液體電導率(lǜ)變化(huà)的影響。
根(gēn)據式(shì)5)，可以将(jiāng)傳感器(qì)液位(wèi)測量特性(xìng)關系(xì)式.表示爲(wèi):
h=a+be-kv(6)
式(6)中,h爲相(xiàng)對液(yè)位高(gāo)度,v爲v。/v,a、b、k爲常(cháng)數。取自變量爲傳感器信号測(cè)量值,因(yīn)變量爲(wèi)液位(wèi)高度值,對實驗(yàn)數(shù)據進行拟合,得到(dào)傳感(gǎn)器液位測量特(tè)性關系式:
h=-0.03+2.8e-4.46v(7)
拟合(hé)誤差

　　式(9)中vi爲電(diàn)激勵輸入,d爲管(guǎn)道圓(yuán)管道直.徑(jìng)。當管(guǎn)内液位由(yóu)hu變爲h時,電極測(cè)量信号由(yóu)v。變爲v1,k表征(zhēng)了(le)傳感器(qì)對液位(wèi)變(biàn)化的(de)靈敏度。将長弧(hú)形電(diàn)極傳感器(qì)與多電極傳感(gǎn)器網進行比較實驗(yàn)。根據實驗(yàn)測量數據(jù),按式(shì)(9)計算得到的(de)靈(líng)敏度k如表(biǎo)1數據(jù)所示。當在高充(chōng)滿度狀态(tài)下，液位相(xiàng)對高度從(cóng)0.6~0.9變化(huà)時，長弧(hú)形電極(jí)傳感器對(duì)液位的檢(jiǎn)測靈敏度(dù)高于多電極傳感器(qì)。

4結論(lùn)
　　分析和(hé)實驗數(shù)據表明，采用長弧形電極進行(háng)非滿管液位測量是可行(háng)的。傳(chuán)感器具有(yǒu)對管(guǎn)内高充(chōng)滿(mǎn)度時(shí)的液位檢測靈(líng)敏度(dù)高(gāo)、所需外(wài)接電纜少的特(tè)點,且傳(chuán)感器(qì)在一定範圍(wéi)内基(jī)本不(bú)受被測液(yè)體電導率變化(huà)的影響,适(shì)用于(yú)對被測(cè)液(yè)體(tǐ)溫(wēn)度和(hé)成分(fèn)不恒(héng)定的場合(hé)的液(yè)位測量,如城市污水排放量的(de)測量(liàng)。存在的問(wèn)題是長弧形電(diàn)極加工和(hé)安裝(zhuāng)的工藝較高，電(diàn)極易受污(wū)染，需(xū)要定期(qī)清洗

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