摘要(yào):在研究非(fēi)滿管電磁(cí)流量計 液(yè)位測:量所(suo)要解決的(de)技術問題(tí)基礎上,提(tí)出了一種(zhong)長弧形電(dian)極液位測(ce)量方法。該(gai)方法是在(zai)測量管壁(bi)上⭐設置一(yi)對長弧形(xíng)電極作爲(wei)流速和液(yè)位信号👌的(de)測量電極(ji),在管壁底(di)部設置-對(duì)激勵電極(jí)。通過在激(jī)勵電極上(shàng)施加電壓(yā)幅值恒定(dìng)的交流信(xin)号,在測量(liàng)電極.上得(de)到反映液(yè)位高度變(biàn)化的電壓(ya)信号。理🏃‍♀️論(lùn)分析和實(shi)🐇驗結果表(biao)明傳感器(qi)對液位測(cè)量具有較(jiao)高的靈敏(mǐn)度且不受(shou)被測導電(diàn)液🔴體電導(dǎo)率變動的(de)影響,适用(yòng)于對污水(shuǐ)排放等場(chǎng)合的非滿(man)管流的測(cè)量。
　　對于非(fei)滿管流量(liàng)測量,由于(yú)管内的流(liu)體截面面(mian)積是變化(huà)的，故流量(liang)的測量需(xū)要測量流(liú)過傳感器(qì)流體的平(píng)均速度和(he)流過傳感(gan)器的流體(tǐ)截面積，也(ye)即非滿管(guan)流量測量(liàng)需要測量(liang)管内流體(tǐ)流速和液(ye)位這兩個(ge)參數”。非滿(man)管電磁流(liu)量計液位(wei)測量服務(wù)于流量測(ce)量,實現傳(chuan)感器液位(wèi)測量需要(yao)解決:一是(shi)液位和流(liú)速的同步(bù)測量的問(wèn)題。滿管時(shí)傳感器電(diàn)極上産生(shēng)的感應電(diàn)勢與被測(ce)液體的平(píng)均流速成(cheng)正比，而不(bú)受權重函(hán)數的影響(xiǎng)，非滿管狀(zhuang)态下，管内(nei)流體流速(su)分布不對(dui)稱，導緻權(quan)重函數分(fen)布和液位(wèi)有關”。非滿(man)管狀态下(xia),電極上測(ce)得的感應(yīng)電勢與流(liu)體流速不(bu)再是線性(xing)關系需根(gen)據不同液(yè)位下的權(quan)重函數進(jin)行修正，因(yīn)而液位和(hé)流速信号(hao)的同步測(ce)量是保證(zhèng)流速測量(liàng)精度的必(bì)要條件;二(er)是對高充(chong)滿度時的(de)液位測量(liang)靈敏度問(wèn)題。由權重(zhòng)函數理論(lun)可知，電極(jí)上感應信(xin)号是電極(ji)斷面内所(suo)有質點電(diàn)位的集合(he),但這些電(diàn)勢--定要處(chu)于電極的(de)可測量範(fàn)圍之内,故(gù)非滿管測(ce)量電極必(bi)須浸入液(yè)體内，否則(ze)電極不會(hui)得到感應(ying)信号”。因而(ér)，傳感器測(cè)量電極位(wèi)置一-般都(dōu)設置在接(jie)近管道直(zhi)徑10%的位置(zhì)”。如果測量(liang)流速的電(diàn)極也用于(yú)液位的測(cè)量,由于電(dian)極位置接(jiē)近管道底(dǐ)部,則對高(gao)充滿度下(xia)的液位測(ce)量靈敏度(du)比較底,甚(shèn)至無法測(ce)量;三是克(kè)服被測液(ye)體電導率(lǜ)的影響。非(fēi)滿管流量(liang)計一般應(ying)用于對大(dà)口徑給排(pai)水管道的(de)流量計量(liang),如城市排(pai)污量的測(cè)量”。管内被(bèi)測液體的(de)電導率随(suí)液體的成(chéng).分和溫度(dù)變化而變(bian)化，故非滿(mǎn)管液位測(cè)量必須克(ke)服被測液(yè)體電導率(lü)變化的影(yǐng)響，以保證(zheng)電磁流量(liàng)計相應的(de)測量精度(dù)。目前，非滿(man)管電磁流(liu)量計液位(wei)測量大多(duo)采用附加(jiā)液位計方(fāng)法來實現(xian)，如電容液(yè)位計法、磁(ci)緻伸縮液(ye)位計、微壓(ya)計等12.16。使用(yòng)附加液位(wei)計使得流(liu)量傳感器(qi)結構複雜(za)，且難以實(shí)現流速和(he)液位的同(tong)步測量,傳(chuan)感器測量(liang)精度較低(di)。文獻[1]采用(yòng)多參數測(ce)量方法，直(zhi)接在傳感(gǎn)器流速測(ce)量電極上(shang)施加附加(jiā)液位測量(liàng)信号,在假(jia)設流體電(dian)導率不變(biàn)化時，通過(guò)測量電極(ji)間的電導(dǎo)來實現液(yè)位的測量(liàng)。采用多電(diàn)極方法5”,能(néng)夠實現傳(chuan)感器對流(liú)速和液位(wèi)的同步測(cè)量,但多電(diàn)極對應的(de)二次儀表(biǎo)信号處理(lǐ)電路複雜(zá)，使得傳感(gan)器外接電(dian)纜多，實際(ji)使用不方(fāng)便。通過對(duì)非滿管不(bu)同液位測(cè)量方案的(de)比較,提出(chū)了一種長(zhǎng)弧形電極(jí)液位測量(liàng)方法”，即以(yi)長弧形電(diàn)極作爲測(cè)量電極,并(bìng)設置一對(dui)電極作爲(wèi)電壓激勵(li)電極,實現(xiàn)對非滿管(guan)流的液位(wèi)以及流速(su)測量。
非滿(mǎn)管電磁流(liu)量傳感變(bian)送器
1.1非滿(mǎn)管電磁流(liu)量傳感變(biàn)送器結構(gòu).
圖1爲采用(yòng)長弧形電(dian)極作爲測(ce)量電極的(de)非滿管電(dian)磁流量傳(chuán)🥰感變送器(qì)實驗樣機(jī)的基本結(jie)構。

　　測量(liàng)管壁上設(she)置有一對(duì)長弧形電(dian)極作爲流(liu)速和液位(wèi)信号👄的測(ce)量電極，傳(chuán)感器底部(bu)設置有一(yi)對激勵電(dian)極,用于施(shī)加液位測(cè)量的電壓(yā)激勵信号(hào)。當非滿管(guǎn)電磁流量(liàng)計進行🐉液(yè)位測量時(shi)，關閉勵磁(cí)激勵，使管(guǎn)内磁場B=0在(zai)激勵電極(jí).上施加電(diàn)壓幅值恒(héng)定的交流(liú)信号，通🏃‍♀️過(guò)管内液體(ti)的耦合,在(zai)測量電極(jí)上得🛀🏻到反(fan)映液位高(gao)度變化的(de)電壓信号(hào),此電壓信(xin)号與管内(nei)液體🈲液位(wei)成單值對(dui)應關系，經(jīng)微機處理(lǐ)後得🆚到管(guǎn)内液位高(gāo)度。
1.2實現流(liú)速與液位(wèi)同步測量(liang)的工作機(jī)制
　　非滿管(guǎn)傳感變送(song)器通過施(shī)加勵磁和(hé)電壓兩種(zhǒng)激勵✌️來獲(huo)得👣管👅内流(liú)體流速信(xin)号和液位(wei)信号,勵磁(ci)激勵作用(yong)下進行流(liu)速的測量(liàng),電壓激勵(li)作用下進(jin)行液位的(de)測量,由勵(lì)磁激勵和(he)電壓激勵(li)構成雙激(jī)勵♋工作周(zhou)期機制”。雙(shuang)激勵機制(zhi)下🌈測量的(de)液位信号(hào)與✂️流速信(xìn)号使用相(xiàng)同的信号(hào)處理通道(dào),爲避免相(xiang)互之間電(dian)信号的📧影(ying)響,采用分(fèn)别執行流(liu)速測量周(zhou)期時序與(yu)液位測量(liàng)周期時序(xu)的工作機(ji)制。設計的(de)測量周期(qi)時序工作(zuò)機制爲:
①勵(lì)磁激勵周(zhōu)期下，關閉(bi)電壓激勵(lì)。利用電磁(ci)流量計勵(li)磁💰周期完(wan)成一次管(guan)内流體流(liú)速的測量(liang),得到流速(su)數據;
②電壓(ya)激勵周期(qī)下,關閉勵(lì)磁激勵，使(shi)管内磁場(chǎng)B=0完成一次(cì)管内☀️流體(tǐ)液位的測(cè)量。一次完(wán)整的測量(liàng)周期如圖(tú)2所示。

　　爲抑(yi)制極化電(dian)壓的幹擾(rao),變送器采(cǎi)用了正負(fu)雙脈沖交(jiao)流電🏃‍♂️壓激(ji)勵方式。液(ye)位測量周(zhōu)期安排在(zài)每個勵磁(ci)周期完成(cheng)流速測量(liang)之後。當管(guan)内速度變(biàn)化較🔞快時(shí)，則在進行(hang)多次流速(su)測量之後(hou),進行一次(cì)液位測量(liang)。圖3爲當勵(li)磁激勵采(cǎi)用工⭕頻二(èr)分頻🥰時的(de)實測信号(hao)波形

　　由于(yu)液位測量(liang)周期與流(liu)速測量周(zhou)期相隔時(shi)間短，遠遠(yuǎn)小🙇🏻于液位(wei)變化所需(xu)的時間,對(duì)管内液位(wei)和流🔞速的(de)測量可以(yǐ)認爲是同(tóng)步進行的(de)。.
2液位測量(liang)特性分析(xi)
2.1傳感器輸(shū)入輸出特(te)性分析
　　當(dāng)傳感器電(diàn)壓激勵電(dian)極上施加(jia)幅值恒定(ding)的電壓時(shí),通過💃🏻電極(ji)将在管道(dao)液體内建(jiàn)立起電場(chang)。根據傳💘.感(gan)器液位測(cè)量原理,建(jiàn)立的傳感(gan)器液位測(ce)量等效電(dian)路簡化模(mó)型💰如圖4所(suǒ)示。

　　圖(tú)4所示的等(deng)效電路以(yǐ)管内液體(ti)中心爲接(jiē)地端,故等(děng)效電路♍是(shì)對稱的,其(qí)中E1E2表示電(dian)壓激勵電(diàn)極兩端點(diǎn),e1、e2表示長💜弧(hu)形測量電(dian)極兩端測(cè)量點。Vi1、Vi2爲兩(liang)反相的輸(shū)入激勵電(dian)壓源，Zi1、Zi2爲電(dian)壓源内阻(zu)抗,ZE1、ZE2爲電壓(ya)激勵電極(ji)的自阻抗(kang),.Ze1、Ze2爲長弧🌈形(xing)測量電極(ji)的自阻抗(kang)，ZEe1、ZEe2爲電壓激(ji)勵電極與(yǔ)長弧形測(cè)量電極之(zhi)間的❌互阻(zǔ)抗，Ze1、Ze2爲前級(jí)儀表放大(dà)🌍器的輸入(ru)阻抗，A0爲🏃🏻放(fang)大倍數,V0爲(wèi)放♊大器輸(shū)出端。
　　因所(suo)施加的電(dian)壓激勵信(xin)号爲交流(liú)信号,則可(kě)忽略雙電(diàn)🐪層電容👈的(de)影響，傳感(gǎn)器等效電(diàn)路可近似(si)爲純💛電阻(zǔ)電路。由于(yú)電壓激勵(li)✉️信号源内(nei)阻較小，放(fàng)大器的輸(shu)入電阻較(jiao)大,忽略二(er)者的影響(xiǎng),根據圖4等(děng)效電🔴路可(kě)求得:

　　式(1)中(zhong),V,爲輸入電(diàn)壓源，Re爲長(zhang)弧形測量(liàng)電極間的(de)電阻，REe爲電(dian)💚壓激勵♋電(diàn)極與長弧(hú)形測量電(diàn)極間的電(diàn)阻。電極間(jian)♌的電阻由(you)電極接觸(chu)電阻和液(yè)體電阻構(gou)成，其中電(diàn)極間液體(ti)電阻随管(guan)内液體液(ye)位變化而(ér)變化，且與(yǔ)液位成單(dān)值對應函(han)數關💚系，因(yin)而根據式(shì)(1)可知🍓傳感(gan)器測量電(diàn)極輸出信(xìn)号與管内(nei)液位成單(dan)值對應關(guān)系，傳感器(qi)就是通過(guò)測量電極(jí)兩端電勢(shi)信号來得(de)到管内液(yè)位信号。由(you)于電極間(jiān)的液體電(diàn)阻與液位(wei)呈非線性(xing)關系♉,精确(què)求得傳感(gan)器輸出信(xin)号與液位(wei)的解析關(guān)系比較困(kun)難。因此,利(li)用有限元(yuan)計算♊方法(fǎ)來求得傳(chuan)感器輸出(chū)與液位的(de)數值關系(xì)。爲便于計(jì)算作以☀️下(xià)不失一般(ban)性的假設(shè):
①管内液體(ti)的電導率(lü)是均勻的(de)，各向同性(xing)，符
合歐姆(mǔ)定律,且電(dian)導率大于(yu)一定值;
②測(cè)量管爲絕(jué)緣管或内(nei)壁襯有絕(jue)緣襯裏,管(guan)壁無洩🌈漏(lou)電流存在(zài);
③進行液位(wèi)測量時，管(guǎn)内磁感應(yīng)強度B=0。
由以(yi).上假設，對(dui)傳感器内(nèi)部任-一點(dian)電勢ψi，滿足(zú)Laplace方程，即:

　　法(fa)求解方程(chéng)(2),得到測量(liang)電極上的(de)電勢,而兩(liǎng)電極端電(diàn)勢差就是(shì)所要測量(liang)的液位電(diàn)壓信号。通(tōng)過有限元(yuán)計算得⛱️到(dào)的傳感器(qi)液位測量(liang)輸入輸出(chu)相對滿管(guan)歸一化特(te)性🥰曲線如(ru)圖5曲線A所(suo)示。圖5中1.23分(fen)别爲多電(dian)極傳感器(qì)底部電極(jí)、中部電極(ji)和頂部電(diàn)極的液🐪位(wèi)測量特性(xìng)曲線

　　當(dang)液位充滿(mǎn)高度爲60%時(shí)，對應傳感(gan)器輸出相(xiang)對值爲2.30。多(duō)電極傳感(gǎn)器對應60%高(gāo)度時由頂(dǐng)部、中部、底(dǐ)部的電👅極(ji)液👣位測量(liàng)輸出相對(duì)值爲1.14.1.21、1.45。二者(zhe)比較,顯然(rán)所設計的(de)傳感器的(de)輸出高于(yú)多電極🐉。将(jiāng)二種不同(tong)的傳感器(qi)輸出特❗性(xing)進行比較(jiao)，可以發現(xian)長弧形電(diàn)極傳感器(qì)對60%以上的(de)高液位測(ce)量🌂，其靈敏(mǐn)度特🌈性優(you)于多電🔴極(jí)傳感器，且(qiě)傳感器的(de)結構以及(jí)傳感器的(de)标定也比(bǐ)多電極傳(chuan)感器簡單(dān)。
2.2被測液體(tǐ)電導率變(biàn)化對傳感(gan)器測量特(te)性的影響(xiang)
　　根據以上(shang)假設條件(jiàn)建立起的(de)管内穩恒(heng)電場，可以(yi)用靜🌏電場(chang)☎️進行比拟(ni)”。将激勵電(diàn)極a、b看作爲(wèi)線電極，其(qí)連線作爲(wèi)x軸,連線的(de)❌中點作爲(wei)y軸,建立x-y坐(zuò)标軸,如圖(tu)6所示,右圖(tu)爲坐标原(yuan)點的放大(da)圖。.

　　式中,R爲(wèi)電極半徑(jìng),L爲電極之(zhī)間的距離(lí)，Vi爲激勵電(diàn)壓。在電壓(ya)Vi作用☔下，如(rú)果m,n爲測量(liang)點,則兩測(cè)量點之間(jiān)的電勢差(chà)隻與傳感(gǎn)器結構有(you)關，而與被(bèi)測導電液(ye)體🔴的電導(dao)率無關。傳(chuán)感器液位(wèi)測量不受(shòu)⭐被測導電(dian)液體電導(dao)率影響的(de)特性,使得(dé)液位測量(liàng)方法可以(yi)應用于對(duì)溫度及成(cheng)分變化✌️的(de)流體進行(hang)液位測量(liàng)。
3實驗結果(guǒ)
　　利用長弧(hú)形電極非(fei)滿管流量(liang)傳感變送(sòng)器樣機,如(rú)🐆下實驗:将(jiang)⭐傳感器水(shui)平放置且(qie)兩端封閉(bi),一端采用(yòng)🙇‍♀️導電🥵法蘭(lan)與水接觸(chu)作爲💋接地(di)點,如圖7所(suǒ)示。

　　實驗預(yù)先計算傳(chuan)感器測量(liàng)管内水的(de)液位對應(yīng)的水的體(tǐ)積重量，然(ran)後用電子(zi)秤量的方(fang)法精确控(kòng)制管内水(shuǐ)的液位。實(shi)驗所用液(ye)體采用純(chún)水，自來水(shui)和鹽的電(diàn)解質溶液(yè)三種🧡液體(tǐ)按⛱️一-定比(bi)🐪例混合,得(de)到不同電(dian)導率的導(dǎo)電液體。從(cóng)0.419~1.006mS/cm範圍内選(xuǎn)擇❤️了7種不(bú)同電導率(lü)液體🙇‍♀️,分别(bie)在不同液(ye)位下進行(háng)液體電導(dao)率變化對(dui)傳感器測(cè)量特性的(de)影響實驗(yàn)。實驗結⁉️果(guǒ)如圖8所示(shì)，這✉️裏液位(wèi)與電壓測(ce)量值V。均取(qǔ)相對值。

　　實(shi)驗結果表(biǎo)明，電激勵(lì)液位液位(wei)測量方法(fa)在一定範(fàn)圍内🌈,基本(běn)不受被測(cè)液體電導(dao)率變化的(de)影響。
根據(jù)式5)，可以将(jiang)傳感器液(ye)位測量特(te)性關系式(shì).表示爲:
H=A+Be-kV(6)
式(shi)(6)中,H爲相對(dui)液位高度(dù),V爲V。/V,A、B、k爲常數(shu)。取自變量(liang)爲傳感器(qì)💜信号測量(liang)值,因變量(liàng)爲液位高(gao)度值,對實(shí)驗數據進(jin)行拟合,得(de)到傳感器(qì)液位測量(liang)特性關系(xì)式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟合誤(wu)差

　　式(9)中Vi爲(wei)電激勵輸(shū)入,D爲管道(dào)圓管道直(zhi).徑。當管内(nei)液位由hu變(bian)爲h時,電極(ji)測量信号(hao)由V。變爲V1,K表(biǎo)征了傳感(gǎn)器對液位(wèi)變化的🌈靈(líng)敏度。将長(zhǎng)弧形電極(ji)傳感器與(yu)多電極傳(chuan)感器網進(jin)行比較實(shi)驗💔。根據實(shi)驗測量數(shù)據,按式(9)計(jì)算得到的(de)靈敏度K如(rú)表1數據所(suo)示。當在高(gāo)充滿度狀(zhuang)态下，液位(wei)相對高度(dù)從0.6~0.9變化時(shí)，長弧形電(diàn)極㊙️傳感器(qi)對液♋位的(de)檢測靈敏(mǐn)度高于多(duō)電極傳👨‍❤️‍👨感(gǎn)器。

4結論
　　分(fèn)析和實驗(yàn)數據表明(míng)，采用長弧(hú)形電極進(jìn)行非滿管(guǎn)㊙️液位測量(liang)是可行的(de)。傳感器具(ju)有對管内(nèi)高充滿度(dù)時的液🈲位(wei)檢測靈敏(min)度高、所需(xū)外接電纜(lǎn)少的特點(dian),且傳感器(qi)在一定範(fan)圍内基本(běn)不受被測(cè)液體電導(dǎo)率變化的(de)影響,适用(yòng)于對被測(cè)液體溫度(du)和成分不(bú)恒定的場(chang)合的液位(wèi)測量,如城(chéng)市污水排(pái)放量的💞測(cè)量。存在的(de)問題是長(zhǎng)弧形電極(jí)加工和安(an)裝的工✔️藝(yi)較高，電極(ji)易受污染(ran)，需要定期(qī)清洗

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