非滿管電磁流量計(jì)液位測(cè)量方法研究

非滿管電磁流量計(jì)液位測(cè)量方法研究
   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)置一對(duì)激勵(lì)電極。通過在激勵(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。
   關(guān)鍵詞: 流量測(cè)量; 非滿管液位測(cè)量; 弧形測(cè)量電極
   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)量流過傳感器流體的平均速度和流過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)[ 1] 。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)[ 7] 。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[ 6, 1] , 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)一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)[ 1, 6] 。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[ 1] 。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[ 1] 。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[ 2, 1, 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)[ 11] 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), 通過測(cè)量電極間的電導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。采用多電極方法[ 3..5, 9] , 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。本文通過對(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[ 12] , 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。
   1 .. 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)。1..絕緣管壁, 2..長(zhǎng)弧形測(cè)量電極, 3..電壓激勵(lì)電極, 4..勵(lì)磁線圈圖1 .. 非常管電磁流量傳感變送器結(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施加勵(lì)磁和電壓兩種激勵(lì)來獲得管內(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[ 11] 。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:
    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);
   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。圖2.. 非滿管流量測(cè)量時(shí)序?yàn)橐种茦O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。圖3 .. 電激勵(lì)的信號(hào)實(shí)測(cè)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.. 傳感器液位測(cè)量等效電路模型
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E1 , E2 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)。V i1 、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, Zo1、Zo2 為前級(jí)儀表放大器的輸入阻抗, A 0 為放大倍數(shù), Vo 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: Vo = A o Vi 1+ 2REe R e ( 1) 式( 1) 中, Vi 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, 傳感器就是通過測(cè)量電極兩端電勢(shì)信號(hào)來得到管內(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, 我們利用有限元計(jì)算方法來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): .. 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; .. 測(cè)量管為絕緣管或內(nèi)壁襯有絕緣襯里, 管壁無泄漏電流存在; .. 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)..i , 滿足Laplace 方程, 即: .. 2 .. i = 0 ( 2) 邊界條件滿足: .... ..n | .. k = 0, 在管內(nèi)液體與管壁及空氣的邊界面.. | .. a = + us , 電流注入電極表面.. | .. b = - us , 電流流出電極表面在上述給定的邊值條件下, 采用有限元計(jì)算方法求解方程( 2) , 得到測(cè)量電極上的電勢(shì), 而兩電電勢(shì)差就是所要測(cè)量的液位電壓信號(hào)。通過有限元計(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、2、3 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[ 3] 。圖5 .. 長(zhǎng)弧形電極傳感器與多電極傳感器當(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[ 3] 。二者比較, 顯然本文所設(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[ 8] 。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。圖6 .. 理論分析模型若設(shè)管內(nèi)液體導(dǎo)體的電導(dǎo)率為.., 根據(jù)歐姆定律有:j = ..E ( 3) 式中, j 為電流密度矢量, E 為電場(chǎng)強(qiáng)度。E = - .. .. ( 4) 在管壁兩側(cè)取接液點(diǎn)m, n, 電極a 至m, n 的距離分別為R am , Ran , 電極b 至m, n 的距離分別為R bm , Rbn 。可求得m, n 兩點(diǎn)間的電勢(shì)差函數(shù)為Vm n = ..m - ..n = Vi ln L - R R ln RbmR an R amR bn ( 5) 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), 設(shè)計(jì)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。圖7 .. 液位測(cè)量傳感變送器實(shí)驗(yàn)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. 006 mS/ 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Vo 均取相對(duì)值。圖8 .. 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)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 + B e- kV ( 6) 式( 6) 中, H 為相對(duì)液位高度, V 為Vo / Vi , 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. 86e- 4. 46V ( 7) 擬合誤差..k = .. n i= 1 ..H 2i n = 0. 016 ( 8) 其擬合曲線如圖9 所示。圖9.. 傳感器輸入.. 輸出特性擬合曲線定義K 為傳感器液位檢測(cè)靈敏度K = | V1 - V0 | Vi | h1 - h0 | D ( 9) 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h0 變?yōu)閔1 時(shí), 電極測(cè)量信號(hào)由V0 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[ 3] 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。表1.. 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和多電極傳感器[ 3] 液位測(cè)量靈敏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)液位( h/ D) 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1. 0 兩種傳感器液位測(cè)量靈敏度K 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)( 長(zhǎng)弧電極) 6. 9 1. 10 0. 96 0. 69 0. 37 0. 46 0. 33 0. 30 0. 24 0. 06 多電極傳感器7. 1 1. 38 1. 13 0. 75 0. 42 0. 36 0. 21 0. 11 0. 05 0. 02
   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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