摘(zhai)要:在研究非(fei)滿管電磁流(liú)量計 液位測(ce):量所要解決(jue)的技術問題(ti)基礎上,提出(chū)了一⛱️種長🌐弧(hu)形電極液位(wèi)測量方法。該(gāi)方法是在測(ce)量管壁上設(she)置一對長弧(hú)形電極作爲(wei)流速和液位(wei)信号的測量(liang)電極,在管壁(bi)底部設置-對(duì)激勵電極。通(tōng)過在激勵電(dian)極上施加電(diàn)㊙️壓幅值恒定(dìng)的交流信号(hào),在測量電極(ji).上得到反映(yìng)液位高度變(biàn)化的電壓信(xìn)号。理⭐論分析(xi)和實驗🈲結果(guo)表明傳感器(qi)對液位測量(liang)具有較高的(de)靈敏度且不(bú)受被測導電(diàn)液體電導率(lǜ)變動的影響(xiǎng),适用于對污(wū)水排放等場(chang)合的非🈲滿管(guan)流的測量。
　　對(dui)于非滿管流(liu)量測量,由于(yu)管内的流體(tǐ)截面面積是(shi)變化的，故流(liú)量的測量需(xu)要測量流過(guo)傳感器流體(tǐ)的平均速度(du)和流過傳感(gan)器的流體截(jie)面積，也即非(fēi)滿管流量測(cè)量需要測量(liang)管内流體流(liú)速和液位這(zhe)兩個參數”。非(fei)滿管電磁流(liu)量計液位測(ce)量服務于流(liú)量測量,實現(xian)傳感器液位(wèi)測量需要解(jie)決:一是液位(wei)和流速的同(tong)步測量的問(wen)題。滿管時傳(chuan)感器電極上(shàng)産生的感應(yīng)電勢與被測(ce)液體的平均(jun)流速成正比(bǐ)，而不受權重(zhòng)函數的影響(xiǎng)，非滿管狀态(tài)下，管内流體(ti)流速分布不(bu)對稱，導緻權(quan)重函數分布(bu)和液位有關(guan)”。非滿管狀态(tai)下,電極上測(cè)得的感應電(diàn)勢與流體流(liú)速不再是線(xiàn)性關系需根(gēn)據不同液位(wèi)下的權重函(hán)數進行修正(zhèng)，因而液位和(hé)流速信号的(de)同步測量是(shì)保證流速測(cè)量精度的必(bì)要條件;二是(shi)對高充滿度(du)時的液位測(ce)量靈敏度問(wèn)題。由權重函(hán)數理論可知(zhī)，電極上感應(ying)信号是電極(ji)斷面内所有(you)質點電位的(de)集合,但這些(xie)電勢--定要處(chù)于電極的可(ke)測量範圍之(zhī)内,故非滿管(guǎn)測量電極必(bì)須浸入液體(tǐ)内，否則電極(ji)不會得到感(gǎn)應信号”。因而(ér)，傳感器測量(liang)電極位置一(yī)-般都設置在(zài)接近管道直(zhí)徑10%的位置”。如(ru)果測量流速(su)的電極也用(yòng)于液位的測(cè)量,由于電極(jí)位置接近管(guǎn)道底部,則對(duì)高充滿度下(xià)的液位測量(liàng)靈敏度比較(jiao)底,甚至無法(fǎ)測量;三是克(ke)服被測液體(tǐ)電導率的影(yǐng)響。非滿管流(liú)量計一般應(ying)用于對大口(kou)徑給排水管(guǎn)道的流量計(jì)量,如城市排(pai)污量的測量(liang)”。管内被測液(ye)體的電導率(lǜ)随液體的成(cheng).分和溫度變(bian)化而變化，故(gù)非滿管液位(wèi)測量必須克(kè)服被測液體(ti)電導率變化(hua)的影響，以保(bǎo)證電磁流量(liang)計相應的測(cè)量精度。目前(qian)，非滿管電磁(cí)流量計液位(wei)測量大多采(cǎi)用附加液位(wèi)計方法來實(shí)現，如電容液(ye)位計法、磁緻(zhi)伸縮液位計(ji)、微壓計等12.15。使(shǐ)用附加液位(wèi)計使得流量(liàng)傳感器結構(gou)複雜，且難以(yi)實現流速和(he)液位的同步(bu)測量,傳感器(qì)測量精度較(jiào)低。文獻[1]采用(yòng)多參數測量(liàng)方法，直接在(zài)傳感器流速(sù)測量電極上(shang)施加附加液(yè)位測量信号(hao),在假設流體(ti)電導率不變(bian)化時，通過測(ce)量電極間的(de)電導來實現(xian)液位的測量(liang)。采用多電極(jí)方法5”,能夠實(shi)現傳感器對(duì)流速和液位(wei)的同步測量(liàng),但多電極對(duì)應的二次儀(yi)表信号處理(li)電路複雜，使(shǐ)得傳感器外(wai)接電纜多，實(shi)際使用不方(fang)便。通過對非(fēi)滿管不同液(yè)位測量方案(àn)的比較,提出(chu)了一種長弧(hú)形電極液位(wei)測量方法”，即(jí)以長弧形電(diàn)極作爲測量(liang)電極,并設置(zhi)一對電極作(zuò)爲電壓激勵(lì)電極,實現對(dui)非滿管流的(de)液位以及流(liú)速測量。
非滿(mǎn)管電磁流量(liàng)傳感變送器(qì)
1.1非滿管電磁(ci)流量傳感變(biàn)送器結構.
圖(tu)1爲采用長弧(hu)形電極作爲(wei)測量電極的(de)非滿管電磁(cí)流量傳感變(bian)送器實驗樣(yang)機的基本結(jie)構。

　　測(cè)量管壁上設(shè)置有一對長(zhang)弧形電極作(zuo)爲流速和液(ye)位信🈲号♋的😍測(cè)量電極，傳感(gǎn)器底部設置(zhi)有一對激勵(li)電極,用于施(shi)🤞加液位測☀️量(liàng)的電壓激勵(li)信号。當非滿(mǎn)管電🚩磁流量(liang)計進行液位(wei)測量時，關閉(bi)勵磁激勵🐉，使(shi)管内磁場B=0在(zài)激勵🙇‍♀️電極.上(shang)施加電壓幅(fú)值恒定的交(jiāo)流信号，通過(guò)管内液體的(de)耦合,在測量(liang)電極上得到(dao)反映液位高(gao)度變化的電(diàn)壓❄️信号,此電(diàn)壓信号與🎯管(guǎn)内液體液位(wèi)成單值對應(yīng)關系，經微機(ji)處理後得到(dao)管内液位高(gāo)度。
1.2實現流速(sù)與液位同步(bu)測量的工作(zuò)機制
　　非滿管(guan)傳感變送器(qi)通過施加勵(li)磁和電壓兩(liang)種激勵🏃‍♂️來獲(huò)得管内流體(ti)流速信号和(he)液位信号,勵(lì)磁激勵作用(yòng)下進行流速(sù)☁️的測量,電壓(yā)激勵作用下(xia)進行液位的(de)測量,由勵磁(cí)激💜勵和電壓(yā)激勵構成雙(shuang)激勵工作周(zhou)期機制”。雙激(ji)勵機制下測(ce)量的液㊙️位信(xin)号與㊙️流速信(xin)号使用相同(tóng)的信号處理(li)通道,爲避免(mian)相互之間電(dian)信号🛀的❗影響(xiang),采用分别執(zhí)行流速測量(liàng)周期⚽時序與(yǔ)液位測量周(zhōu)期時序的工(gōng)作機制。設計(jì)的測量周期(qī)時序工作機(jī)制爲:
①勵磁激(ji)勵周期下，關(guān)閉電壓激勵(lì)。利用電磁流(liu)量計勵磁周(zhōu)期完成一次(cì)管内流體流(liú)速的測量,得(dé)到流速數據(jù);
②電壓激勵周(zhōu)期下,關閉勵(li)磁激勵，使管(guǎn)内磁場B=0完成(chéng)一次管内流(liu)體液位的測(cè)量。一次完整(zhěng)的測量周期(qī)如圖2所示。

　　爲抑制極化(huà)電壓的幹擾(rǎo),變送器采用(yòng)了正負雙脈(mò)沖交流🛀🏻電💃🏻壓(ya)激勵方式。液(yè)位測量周期(qi)安排在每個(ge)勵磁周期完(wán)成流速測量(liang)之後。當管内(nèi)速度變化較(jiào)🌈快時，則在進(jin)行🔅多次流速(sù)測量之後,進(jìn)行一次液位(wèi)測量。圖3爲當(dāng)勵磁激勵采(cǎi)用工頻二分(fèn)頻時的實測(cè)信号波形

　　由(yóu)于液位測量(liang)周期與流速(su)測量周期相(xiang)隔時間短，遠(yuǎn)遠小于液位(wèi)變化所需的(de)時間,對管内(nei)液位和流速(su)的測量可以(yi)認爲是同步(bù)進行的。.
2液位(wei)測量特性分(fen)析
2.1傳感器輸(shu)入輸出特性(xing)分析
　　當傳感(gǎn)器電壓激勵(li)電極上施加(jiā)幅值恒定的(de)電壓👣時🛀,通過(guo)電極🌍将在管(guǎn)道液體内建(jian)立起電場。根(gēn)據傳☎️.感器液(ye)位✉️測量原理(li),建立的傳感(gan)器液位測量(liang)等效電路簡(jian)化模型❓如圖(tu)4所示。

　　圖(tu)4所示的等效(xiào)電路以管内(nèi)液體中心爲(wei)接地端,故等(děng)效電🔅路是對(dui)稱的,其中E1E2表(biao)示電壓激勵(lì)電極兩端點(dian),e1、e2表示長💯弧形(xing)測量電極兩(liǎng)端測量點。Vi1、Vi2爲(wei)兩反相的輸(shū)入激💯勵電壓(ya)源，Zi1、Zi2爲電壓源(yuán)内阻抗,ZE1、ZE2爲電(diàn)壓激勵電極(jí)的自阻抗,.Ze1、Ze2爲(wèi)長弧形測量(liàng)電極的自阻(zǔ)抗，ZEe1、ZEe2爲電壓🔅激(jī)勵電極與長(zhang)弧形測量電(diàn)極之間的互(hu)阻抗，Ze1、Ze2爲前級(jí)儀表放大🌈器(qì)💃🏻的輸入阻抗(kang)，A0爲放大倍數(shù),V0爲放大器✂️輸(shu)出端。
　　因所施(shi)加的電壓激(ji)勵信号爲交(jiao)流信号,則可(kě)忽略雙電📐層(ceng)📱電容♍的影響(xiang)，傳感器等效(xiào)電路可近似(sì)爲純電阻電(diàn)路。由于電壓(ya)激勵🔴信号源(yuán)内阻較小，放(fàng)大器的輸入(ru)電阻較大,忽(hu)略二者的影(yǐng)響,根據圖4等(deng)效電路可求(qiú)得:

　　式(1)中,V,爲輸(shu)入電壓源，Re爲(wèi)長弧形測量(liàng)電極間的電(dian)阻，REe爲電🈲壓激(jī)勵🌍電極與長(zhang)弧形測量電(diàn)極間的電阻(zǔ)。電極間的電(dian)♍阻由電極接(jiē)觸🔅電阻和液(ye)體電阻構成(cheng)，其中電極間(jian)液體電阻随(sui)管内液⭐體液(yè)位變化而變(biàn)化，且與液位(wei)成單值對應(yīng)函數關🥰系，因(yin)而根據式(1)可(ke)知傳感器測(cè)量電極輸出(chū)信号與管内(nèi)液位成單值(zhi)對應關系，傳(chuán)感🏃🏻‍♂️器⚽就是通(tōng)過測量電極(jí)兩端電勢信(xìn)号來得到管(guan)内液位📞信号(hao)。由于電極間(jian)的液體電阻(zǔ)與液位呈非(fei)線性關系,精(jing)确求得傳感(gan)器輸出信号(hao)與液位的解(jiě)㊙️析關系比較(jiào)困難。因此,利(lì)用有限元計(jì)算方法來求(qiu)得傳感器輸(shu)出🌈與液位的(de)數值關系。爲(wèi)便🧑🏽‍🤝‍🧑🏻于計算作(zuo)以下不失一(yi)般性的假設(she):
①管内液體的(de)電導率是均(jun1)勻的，各向同(tong)性，符
合歐姆(mu)定律,且電導(dao)率大于一定(ding)值;
②測量管爲(wei)絕緣管或内(nei)壁襯有絕緣(yuan)襯裏,管壁無(wu)洩漏🏃‍♀️電流存(cun)在☔;
③進行液位(wèi)測量時，管内(nèi)磁感應強度(dù)B=0。
由以.上假設(she)，對傳感器内(nèi)部任-一點電(dian)勢ψi，滿足Laplace方程(cheng)㊙️，即☎️:

　　法求解方(fang)程(2),得到測量(liàng)電極上的電(diàn)勢,而兩電極(jí)端電勢差就(jiù)是所要測量(liàng)的液位電壓(yā)信号。通過有(yǒu)限元計算得(de)到的傳感器(qi)液位測量輸(shu)入輸出相對(duì)滿管歸一化(hua)特性曲線如(ru)圖5曲線A所示(shi)。圖5中1.23分别爲(wèi)多電極傳感(gǎn)器底部電極(ji)、中部電極和(hé)頂部電極的(de)液☁️位測量特(tè)性曲線

　　當液(yè)位充滿高度(du)爲60%時，對應傳(chuan)感器輸出相(xiang)對值爲2.30。多電(dian)極傳感器對(dui)應60%高度時由(yóu)頂部、中部、底(di)部的電極液(yè)㊙️位測量輸🏃🏻出(chu)相對值🛀爲1.14.1.21、1.45。二(èr)者比較,顯然(ran)所設計☀️的傳(chuan)感器的輸🔞出(chu)高于多電極(jí)。将二種不同(tong)的傳感器輸(shu)出特性進行(háng)比較，可以發(fā)✉️現長弧形電(dian)極傳感器對(duì)60%以上的高液(ye)位測量，其靈(líng)敏度特性優(yōu)于多電極傳(chuan)感器，且傳感(gan)器的結構以(yǐ)❤️及傳感器的(de)标定也比多(duo)電極傳感器(qi)簡單。
2.2被測液(ye)體電導率變(biàn)化對傳感器(qi)測量特性的(de)影響
　　根據以(yǐ)上假設條件(jian)建立起的管(guǎn)内穩恒電場(chang)，可以用靜💔電(diàn)場進行比拟(nǐ)”。将激勵電極(ji)a、b看作爲線電(dian)極，其連線作(zuo)爲📐x軸,連線的(de)中點作爲y軸(zhóu),建立x-y坐标軸(zhóu),如圖6所示,右(yòu)圖爲坐标原(yuan)點的放大✊圖(tu)。.

　　式中,R爲電極(ji)半徑,L爲電極(ji)之間的距離(lí)，Vi爲激勵電壓(ya)。在電☎️壓Vi作用(yòng)下，如果m,n爲測(ce)量點,則兩測(cè)量點之間的(de)電勢差隻與(yu)傳感器🈲結構(gou)💞有關，而與被(bèi)測導電液體(ti)的電導率無(wú)關。傳感器液(ye)位測量不受(shou)被測導電液(yè)體電導率影(yǐng)響的特性,使(shi)得液🐇位測量(liàng)方法可以應(ying)用于對溫度(du)🔞及成分變化(hua)❗的流體進行(háng)液位測量。
3實(shi)驗結果
　　利用(yòng)長弧形電極(ji)非滿管流量(liang)傳感變送器(qì)樣機,如下🈲實(shi)驗:将傳感器(qi)水平放置且(qiě)兩端封閉,一(yī)端采用導電(dian)法蘭與水接(jiē)觸作爲接地(di)點,如圖7所示(shì)。

　　實驗預先計(ji)算傳感器測(ce)量管内水的(de)液位對應的(de)水的體積🙇🏻重(zhong)💋量，然後用電(dian)子秤量的方(fang)法精确控制(zhì)管内水的液(yè)位。實驗所用(yòng)液體采用純(chun)水，自來水和(hé)📱鹽的電解質(zhi)溶液三種液(ye)體按一-定比(bǐ)例混合,得到(dào)不同電導率(lü)的導電😘液體(ti)。從0.419~1.006mS/cm範圍内選(xuǎn)擇了7種不同(tong)電導率液體(ti),分别在不同(tóng)液位下進行(háng)液體電導率(lü)🈚變化對傳感(gǎn)器測量特性(xing)的影響實驗(yan)。實驗結☎️果如(ru)圖8所示，這裏(li)液位與電壓(yā)測量值V。均🔞取(qu)相對值。

　　實驗結果(guo)表明，電激勵(lì)液位液位測(cè)量方法在一(yi)定範圍内🏒,基(jī)🐪本不受被測(cè)液體電導率(lü)變化的影響(xiǎng)。
根據式5)，可以(yi)将傳感器液(ye)位測量特性(xing)關系式.表示(shì)爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H爲相(xiang)對液位高度(du),V爲V。/V,A、B、k爲常數。取(qǔ)自變量爲傳(chuan)感器⛱️信号測(cè)量值,因變量(liàng)爲液位高度(dù)值,對實驗數(shu)據進行拟合(he)👨‍❤️‍👨,得到傳感🈚器(qi)液位測量特(tè)性關系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟(ni)合誤差

　　式(9)中(zhong)Vi爲電激勵輸(shū)入,D爲管道圓(yuan)管道直.徑。當(dāng)管内液位由(you)hu變爲🈲h時,電極(ji)測量信号由(you)V。變爲V1,K表征了(le)傳感器對液(yè)位變化的靈(líng)敏度。将長弧(hú)形電極傳感(gǎn)器與多電極(jí)傳感器網🚶進(jìn)行比較實驗(yan)。根據實驗測(cè)量數據🔆,按式(shi)(9)計算得到的(de)靈敏度K如表(biǎo)🏃‍♀️1數據所示。當(dāng)在高充⁉️滿度(dù)狀态下，液位(wèi)相對高度從(cong)0.6~0.9變化時🔞，長弧(hú)形電極🈲傳感(gan)器對液🚶‍♀️位的(de)檢測靈敏度(du)高于多電極(ji)傳感器❤️。

4結論(lùn)
　　分析和實驗(yan)數據表明，采(cai)用長弧形電(diàn)極進行非滿(man)管液位測量(liàng)是可行的。傳(chuan)感器具有對(duì)管内高充滿(man)度時⚽的液位(wèi)檢測靈敏度(du)高、所需外接(jiē)電纜少的特(tè)點,且傳感器(qì)在一定範圍(wei)内基本不受(shòu)被測液體電(diàn)導率變化的(de)影響,适用于(yu)對被測液體(ti)溫度和成分(fen)📐不恒定的場(chang)合的液位測(cè)🌈量,如城市污(wū)水排放量的(de)📧測量。存在的(de)問題是長弧(hu)形電💞極加工(gong)和安裝的工(gōng)藝較高，電💞極(ji)易受污染，需(xu)要定期清洗(xǐ)

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