摘要:在研究非滿(mǎn)管電磁流量計 液(ye)位測:量所要解決(jué)的技術問題基礎(chu)上,提出了一🔆種🍓長(zhang)弧👨‍❤️‍👨形電極液位測(ce)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(ye)位信号的測量電(dian)極,在管壁底部設(she)置-對激勵電極。通(tong)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(jiào)高的靈敏度且不(bú)受被測導電液體(ti)電導率變動的影(ying)響,适用于對污🈲水(shuǐ)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(liú)體截面面積是變(biàn)化的，故流量的測(ce)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(mian)積，也即非滿管流(liú)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(xian)傳感器液位測量(liàng)需要解決:一是液(ye)位和流速的同步(bu)測量的問題。滿管(guǎn)時傳感器電極上(shang)産生的感應電勢(shi)與被測液體的平(ping)均流速成正比，而(ér)不受權重函數的(de)影響，非滿管狀态(tai)下，管内流體流速(sù)分布不對稱，導緻(zhì)權重函數分布和(hé)液位有關”。非滿管(guǎn)狀态下,電極上測(ce)得的感應電勢與(yǔ)流體流速不再是(shi)線性關系需根據(jù)不同液位下的權(quán)重函數進行修正(zheng)，因而液位和流速(su)信号的同步測量(liang)是保證流速測量(liàng)精度的必要條件(jian);二是對高充滿度(du)時的液位測量靈(ling)敏度問題。由權重(zhong)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(yào)處于電極的可測(ce)量範圍之内,故非(fei)滿管測量電極必(bi)須浸入液體内，否(fǒu)則電極不會得到(dào)感應信号”。因而，傳(chuán)感器測量電極位(wei)置一-般都設置在(zài)接近管道直徑10%的(de)位置”。如果測量流(liú)速的電極也用于(yu)液位的測量,由于(yu)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(di),甚至無法測量;三(sān)是克服被測液體(tǐ)電導率的影響。非(fēi)滿管流量計一般(bān)應用于對大口徑(jing)給排水管道的流(liu)量計量,如城市排(pái)污量的測量”。管内(nei)被測液體的電導(dao)率随液體的成.分(fen)和溫度變化而變(bian)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(qian)，非滿管電磁流量(liàng)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(zhì)伸縮液位計、微壓(yā)計等12.13。使用附加液(ye)位計使得流量傳(chuán)感器結構複雜，且(qie)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(zhí)接在傳感器流速(su)測量電極上施加(jia)附加液位測量信(xin)号,在假設流體電(dian)導率不變化時，通(tong)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(xian)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(chu)理電路複雜，使得(de)傳感器外接電纜(lǎn)多，實際使用不方(fang)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(liú)量傳感變送器
1.1非(fei)滿管電磁流量傳(chuan)感變送器結構.
圖(tú)1爲采用長弧形電(dian)極作爲測量電極(ji)的非滿管電磁流(liú)量傳感變送器實(shí)驗樣機的基本結(jie)構。

　　測量管壁上設置(zhi)有一對長弧形電(dian)極作爲流速和液(yè)位信号的測量電(diàn)極，傳感器底部設(shè)置有一對激🌈勵電(dian)極,用于施加液位(wèi)測量的電壓激勵(li)信号。當非滿管電(diàn)磁流量計進行液(yè)位測💔量時，關閉勵(li)磁激勵🥵，使管内磁(cí)💘場B=0在激勵電極.上(shang)施加電壓幅值恒(heng)定的交流信号，通(tōng)過管内液體的耦(ǒu)合,在測🌈量電極上(shang)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(jing)㊙️微機處理後得到(dào)管内液位高度。
1.2實(shí)現流速與液位同(tóng)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(ye)位信号,勵磁激勵(lì)作用下🏒進行流速(sù)的測量,電壓激勵(lì)作用下進行液位(wei)的測量,由勵磁激(jī)勵和電壓激勵構(gou)成雙激勵工作周(zhōu)期機制”。雙激勵機(ji)制下測量的液位(wei)信号與🍉流速信号(hào)使用相同的信号(hào)處理通道❗,爲避免(miǎn)相互🛀之間電信号(hào)的影響,采用分别(bie)執行流速測量周(zhou)期☔時序與液位測(cè)量周期時序的工(gōng)作機制。設計的測(ce)量周期時序工作(zuò)機🏃🏻‍♂️制爲:
①勵磁激勵(li)周期下，關閉電壓(ya)激勵。利用電磁流(liú)量計勵磁周期完(wán)成一次管内流體(ti)流速的測量,得到(dào)流🈲速數據;
②電壓激(jī)勵周期下,關閉勵(li)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(liang)周期如圖2所示🤟。

　　爲抑制極化電(diàn)壓的幹擾,變送器(qì)采用了正負雙脈(mo)沖交流電🐕壓激勵(li)方式。液位測量周(zhou)期安排在每個勵(lì)磁周期完成流速(sù)測量🍉之後。當管内(nei)速度變化較👨‍❤️‍👨快時(shí)，則🌍在進行💋多次流(liu)速測量之後,進行(háng)一次液位測量。圖(tu)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(you)于液位測量周期(qi)與流速測量周期(qi)相隔時間短✉️，遠遠(yuǎn)小于液🐕位變化所(suo)需的時間,對管内(nei)液位和流速的測(ce)量可以♈認爲是同(tóng)步進行的。.
2液位測(cè)量特性分析
2.1傳感(gǎn)器輸入輸出特性(xing)分析
　　當傳感器電(diàn)壓激勵電極上施(shi)加幅值恒定的電(dian)壓時,通❤️過電👨‍❤️‍👨極将(jiāng)在管道液體内建(jian)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(nèi)液體中心爲接地(dì)端,故等效電路是(shì)對稱的,其中E1E2表示(shi)電壓激勵電極兩(liang)端點,e1、e2表示長弧形(xíng)測量👄電極兩端測(ce)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(kàng),ZE1、ZE2爲電壓激勵電極(ji)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(biao)放大器📞的輸入阻(zu)抗，A0爲放大倍數,V0爲(wèi)放大器輸出端。
　　因(yin)所施加的電壓激(jī)勵信号爲交流信(xin)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(diàn)阻較大,忽略二者(zhě)的影響,根❄️據圖4等(deng)效電路可求得:

　　式(shi)(1)中,V,爲輸入電壓源(yuán)，Re爲長弧形測量電(dian)極間的電阻，REe爲電(diàn)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(jiān)液體電阻随管内(nei)液體液位變化而(ér)變化，且與液位成(cheng)單值對應函數關(guan)系，因而根據式(1)可(ke)知傳感器測量電(dian)極輸出信🥵号與管(guan)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(wei)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(kùn)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(xi)。爲便于計算作以(yi)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(liàng)管爲絕緣管或内(nèi)壁襯有絕緣襯裏(lǐ),管壁無洩漏♍電流(liú)存在;
③進行液位測(ce)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(ren)-一點電勢ψi，滿足Laplace方(fāng)程，即:

　　法求解方程(chéng)(2),得到測量電極上(shang)的電勢,而兩電極(ji)端電勢差就🤩是所(suo)要測量的液位電(diàn)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(bù)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(gan)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(xiang)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(chū)特性進行比🤞較，可(ke)以發現長弧形電(dian)極傳感器對60%以上(shang)的高液位測量，其(qí)靈敏度特性優于(yu)多電極傳感器，且(qie)💯傳感器的結構以(yi)及傳感器的标定(dìng)也比多電極傳感(gǎn)器☁️簡單。
2.2被測液體(ti)電導率變化對傳(chuán)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(ji)a、b看作爲線電極，其(qi)連線作爲x軸,連線(xian)的中點作爲y軸,建(jian)立x-y坐标軸,如圖6所(suo)示,右圖爲坐标原(yuán)點的放大圖。.

　　式中(zhong),R爲電極半徑,L爲電(dian)極之間的距離，Vi爲(wèi)激勵電壓。在電🌂壓(yā)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(zhī)與傳感器結構💛有(yǒu)關，而與被測導電(dian)液體的電導率無(wu)關。傳感器液位測(ce)量不受被測導電(dian)液😄體電導率影響(xiang)的特性,使得液位(wèi)測量方法可以應(yīng)💰用于對溫度及成(chéng)分變化的流體進(jìn)行❓液位測量。
3實驗(yàn)結果
　　利用長弧形(xíng)電極非滿管流量(liàng)傳感變送器樣機(ji),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(duì)應的水的體積🏃‍♀️重(zhong)量，然後用電子秤(cheng)量的方法精确控(kong)制👨‍❤️‍👨管内水的液位(wèi)。實驗所用液體采(cai)用純水，自來水和(hé)鹽的電解質溶😘液(ye)三種液體按💜一-定(dìng)比例混合,得到不(bu)同電導率的導電(dian)☀️液體。從0.419~1.006mS/cm範圍内選(xuǎn)擇🆚了7種不同電導(dǎo)率液體,分别在不(bu)同❗液位下進行液(yè)體電導率變化對(duì)傳感器測量特性(xìng)的影✔️響實驗。實驗(yàn)結果如圖8所示，這(zhè)❌裏液位與電壓測(cè)量值V。均取相對值(zhi)。

　　實驗結果表明，電(diàn)激勵液位液位測(cè)量方法在一定範(fàn)圍内,基本☁️不受被(bèi)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(xi)式.表示爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H爲(wei)相對液位高度,V爲(wèi)V。/V,A、B、k爲常數。取自變量(liang)爲傳感器信号測(ce)量值,因變量爲液(ye)位高度值,對實驗(yan)數據💋進行拟合💯,得(de)到傳感💘器液位測(ce)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(dian)激勵輸入,D爲管道(dao)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(yóu)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(xing)電極傳感器與多(duō)電極傳感器網進(jìn)行比較實驗🐕。根據(ju)實驗測量數據,按(àn)式(9)計算得到的靈(ling)敏度K如表🌈1數據所(suǒ)示。當在高充♻️滿度(dù)狀态下，液位相對(dui)高度從0.6~0.9變化時，長(zhǎng)弧形電極💋傳感器(qì)對液🥰位的檢測靈(ling)敏度高于多電極(ji)傳感器🤞。

4結論
　　分析(xī)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(chuan)感器具有對管内(nei)高充滿度時🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的液(yè)位檢測靈敏度高(gāo)、所需外接電纜少(shao)的特點,且傳感器(qì)在一定範圍内基(jī)本不受被測液體(tǐ)電導率變化🐪的影(yǐng)響,适✉️用于對被測(ce)液體溫度和成分(fèn)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(shi)長弧形電🌈極加工(gong)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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