摘要:在(zai)研究非(fei)滿管電(dian)磁流量(liang)計 液位(wei)測:量所(suo)要解決(jue)的技術(shu)問題基(ji)礎上,提(ti)出了一(yi)種長弧(hu)形電極(ji)液位測(ce)量方法(fa)。該方法(fa)是在測(ce)量管壁(bi)上設置(zhi)一對💚長(zhang)弧形電(dian)極作爲(wei)流速和(he)液位信(xin)号的測(ce)量電極(ji),在管壁(bi)底部設(she)置✂️-對激(ji)勵電極(ji)。通過在(zai)激勵電(dian)極上施(shi)加電壓(ya)幅值恒(heng)💃定的交(jiao)流信号(hao),在測🏃量(liang)電極.上(shang)得📞到反(fan)映液位(wei)‼️高度變(bian)化的電(dian)壓信号(hao)。理論分(fen)析和實(shi)驗結果(guo)表明傳(chuan)感器對(dui)液位測(ce)量具有(you)較高的(de)靈敏度(du)且不受(shou)被☁️測導(dao)電液💚體(ti)電導率(lü)變動的(de)✨影響,适(shi)用于對(dui)污🏃🏻水排(pai)放等場(chang)合的🌂非(fei)滿管流(liu)的測量(liang)。
　　對于非(fei)滿管流(liu)量測量(liang),由于管(guan)内的流(liu)體截面(mian)面積是(shi)變化的(de)，故流量(liang)的測量(liang)需要測(ce)量流過(guo)傳感器(qi)流體的(de)平均速(su)度和流(liu)過傳感(gan)器的流(liu)體截面(mian)積，也即(ji)非滿管(guan)流量測(ce)量需要(yao)測量管(guan)内流體(ti)流速和(he)液位這(zhe)兩個參(can)數”。非滿(man)管電磁(ci)流量計(ji)液位測(ce)量服務(wu)于流量(liang)測量,實(shi)現傳感(gan)器液位(wei)測量需(xu)要解決(jue):一是液(ye)位和流(liu)速的同(tong)步測量(liang)的問題(ti)。滿管時(shi)傳感器(qi)電極上(shang)産生的(de)感應電(dian)勢與被(bei)測液體(ti)的平均(jun)流速成(cheng)正比，而(er)不受權(quan)重函數(shu)的影響(xiang)，非滿管(guan)狀态下(xia)，管内流(liu)體流速(su)分布不(bu)對稱，導(dao)緻權重(zhong)函數分(fen)布和液(ye)位有關(guan)”。非滿管(guan)狀态下(xia),電極上(shang)測得的(de)感應電(dian)勢與流(liu)體流速(su)不再是(shi)線性關(guan)系需根(gen)據不同(tong)液位下(xia)的權重(zhong)函數進(jin)行修正(zheng)，因而液(ye)位和流(liu)速信号(hao)的同步(bu)測量是(shi)保證流(liu)速測量(liang)精度的(de)必要條(tiao)件;二是(shi)對高充(chong)滿度時(shi)的液位(wei)測量靈(ling)敏度問(wen)題。由權(quan)重函數(shu)理論可(ke)知，電極(ji)上感應(ying)信号是(shi)電極斷(duan)面内所(suo)有質點(dian)電位的(de)集合,但(dan)這些電(dian)勢--定要(yao)處于電(dian)極的可(ke)測量範(fan)圍之内(nei),故非滿(man)管測量(liang)電極必(bi)須浸入(ru)液體内(nei)，否則電(dian)極不會(hui)得到感(gan)應信号(hao)”。因而，傳(chuan)感器測(ce)量電極(ji)位置一(yi)-般都設(she)置在接(jie)近管道(dao)直徑10%的(de)位置”。如(ru)果測量(liang)流速的(de)電極也(ye)用于液(ye)位的測(ce)量,由于(yu)電極位(wei)置接近(jin)管道底(di)部,則對(dui)高充滿(man)度下的(de)液位測(ce)量靈敏(min)度比較(jiao)底,甚至(zhi)無法測(ce)量;三是(shi)克服被(bei)測液體(ti)電導率(lü)的影響(xiang)。非滿管(guan)流量計(ji)一般應(ying)用于對(dui)大口徑(jing)給排水(shui)管道的(de)流量計(ji)量,如城(cheng)市排污(wu)量的測(ce)量”。管内(nei)被測液(ye)體的電(dian)導率随(sui)液體的(de)成.分和(he)溫度變(bian)化而變(bian)化，故非(fei)滿管液(ye)位測量(liang)必須克(ke)服被測(ce)液體電(dian)導率變(bian)化的影(ying)響，以保(bao)證電磁(ci)流量計(ji)相應的(de)測量精(jing)度。目前(qian)，非滿管(guan)電磁流(liu)量計液(ye)位測量(liang)大多采(cai)用附加(jia)液位計(ji)方法來(lai)實現，如(ru)電容液(ye)位計法(fa)、磁緻伸(shen)縮液位(wei)計、微壓(ya)計等11.27。使(shi)用附加(jia)液位計(ji)使得流(liu)量傳感(gan)器結構(gou)複雜，且(qie)難以實(shi)現流速(su)和液位(wei)的同步(bu)測量,傳(chuan)感器測(ce)量精度(du)較低。文(wen)獻[1]采用(yong)多參數(shu)測量方(fang)法，直接(jie)在傳感(gan)器流速(su)測量電(dian)極上施(shi)加附加(jia)液位測(ce)量信号(hao),在假設(she)流體電(dian)導率不(bu)變化時(shi)，通過測(ce)量電極(ji)間的電(dian)導來實(shi)現液位(wei)的測量(liang)。采用多(duo)電極方(fang)法5”,能夠(gou)實現傳(chuan)感器對(dui)流速和(he)液位的(de)同步測(ce)量,但多(duo)電極對(dui)應的二(er)次儀表(biao)信号處(chu)理電路(lu)複雜，使(shi)得傳感(gan)器外接(jie)電纜多(duo)，實際使(shi)用不方(fang)便。通過(guo)對非滿(man)管不同(tong)液位測(ce)量方案(an)的比較(jiao),提出了(le)一種長(zhang)弧形電(dian)極液位(wei)測量方(fang)法”，即以(yi)長弧形(xing)電極作(zuo)爲測量(liang)電極,并(bing)設置一(yi)對電極(ji)作爲電(dian)壓激勵(li)電極,實(shi)現對非(fei)滿管流(liu)的液位(wei)以及流(liu)速測量(liang)。
非滿管(guan)電磁流(liu)量傳感(gan)變送器(qi)
1.1非滿管(guan)電磁流(liu)量傳感(gan)變送器(qi)結構.
圖(tu)1爲采用(yong)長弧形(xing)電極作(zuo)爲測量(liang)電極的(de)非滿管(guan)電磁流(liu)量傳感(gan)變送器(qi)實驗樣(yang)機的基(ji)本結構(gou)。

　　測量(liang)管壁上(shang)設置有(you)一對長(zhang)弧形電(dian)極作爲(wei)流速和(he)液位信(xin)号的測(ce)量電極(ji)，傳感器(qi)底部設(she)置有一(yi)對激勵(li)電極,用(yong)于施加(jia)液位測(ce)量的電(dian)壓激勵(li)信号。當(dang)非滿管(guan)電磁流(liu)量計進(jin)行液位(wei)測🏒量時(shi)，關✉️閉勵(li)磁激勵(li)，使管内(nei)磁場B=0在(zai)激勵㊙️電(dian)極.上施(shi)✏️加電壓(ya)幅值恒(heng)定的🚩交(jiao)流信号(hao)，通過管(guan)内液體(ti)的耦合(he),在測量(liang)電極上(shang)得到反(fan)映液位(wei)高♌度變(bian)化的電(dian)壓♉信号(hao),此電壓(ya)信🙇‍♀️号與(yu)管内液(ye)體液位(wei)成單值(zhi)對應關(guan)系，經💋微(wei)機處理(li)後得到(dao)🌈管内液(ye)位高度(du)。
1.2實現流(liu)速與液(ye)位同步(bu)測量的(de)工作機(ji)制
　　非滿(man)管傳感(gan)變送器(qi)通過施(shi)加勵磁(ci)和電壓(ya)兩種激(ji)勵✊來獲(huo)得管内(nei)流體流(liu)速信号(hao)和液位(wei)信号,勵(li)磁激勵(li)作用下(xia)進行流(liu)速的測(ce)量,電壓(ya)激勵作(zuo)用下進(jin)行液位(wei)的測量(liang),由勵磁(ci)激勵和(he)電壓激(ji)勵構成(cheng)雙激勵(li)工作周(zhou)期機制(zhi)”。雙激勵(li)機制下(xia)測量的(de)液🈲位信(xin)号與☁️流(liu)速信号(hao)使用相(xiang)同的信(xin)号處理(li)通道,爲(wei)避免相(xiang)互之間(jian)電信号(hao)✍️的影響(xiang),采用分(fen)别執行(hang)流速測(ce)量周期(qi)時序與(yu)液位測(ce)量周期(qi)時序的(de)工作機(ji)制。設計(ji)的測量(liang)🈲周期時(shi)序工作(zuo)機🍓制爲(wei):
①勵磁激(ji)勵周期(qi)下，關閉(bi)電壓激(ji)勵。利用(yong)電磁流(liu)量計勵(li)磁周期(qi)完成一(yi)次管内(nei)流體流(liu)速的測(ce)量,得到(dao)流速數(shu)據;
②電壓(ya)激勵周(zhou)期下,關(guan)閉勵磁(ci)激勵，使(shi)管内磁(ci)場B=0完成(cheng)一次⛹🏻‍♀️管(guan)👈内流體(ti)液位的(de)測量。一(yi)次完整(zheng)的測量(liang)周期如(ru)圖2所示(shi)。

　　爲抑(yi)制極化(hua)電壓的(de)幹擾,變(bian)送器采(cai)用了正(zheng)負雙脈(mo)沖⭐交流(liu)電㊙️壓♋激(ji)勵方式(shi)。液位測(ce)量周期(qi)安排在(zai)每個🔞勵(li)磁💰周期(qi)完成🐪流(liu)速測量(liang)之後。當(dang)管内速(su)度變化(hua)較快時(shi)，則在進(jin)行多次(ci)流速測(ce)量之後(hou),進♈行一(yi)次液位(wei)♈測量。圖(tu)3爲👅當勵(li)磁激勵(li)采用工(gong)頻二分(fen)頻🔅時的(de)實測信(xin)号波形(xing)

　　由(you)于液位(wei)測量周(zhou)期與流(liu)速測量(liang)周期相(xiang)隔時間(jian)短，遠遠(yuan)❤️小于‼️液(ye)位變化(hua)所需的(de)時間,對(dui)管内液(ye)位和流(liu)速的測(ce)量可以(yi)認爲是(shi)同步進(jin)行的。.
2液(ye)位測量(liang)特性分(fen)析
2.1傳感(gan)器輸入(ru)輸出特(te)性分析(xi)
　　當傳感(gan)器電壓(ya)激勵電(dian)極上施(shi)加幅值(zhi)恒定的(de)電壓🐆時(shi),通過電(dian)🌈極🌈将在(zai)管道液(ye)體内建(jian)立起電(dian)場。根據(ju)傳.感器(qi)液位🔞測(ce)量原理(li),建立的(de)傳感器(qi)液位測(ce)量等效(xiao)電路簡(jian)化模型(xing)如圖4所(suo)示。

　　圖(tu)4所示的(de)等效電(dian)路以管(guan)内液體(ti)中心爲(wei)接地端(duan),故等效(xiao)電路是(shi)💯對稱的(de),其中E1E2表(biao)示電壓(ya)激勵電(dian)極兩端(duan)🆚點,e1、e2表示(shi)長弧形(xing)測量電(dian)極㊙️兩端(duan)測量點(dian)。Vi1、Vi2爲兩反(fan)相的💋輸(shu)入激勵(li)電壓源(yuan)，Zi1、Zi2爲電壓(ya)源内阻(zu)抗,ZE1、ZE2爲電(dian)壓激勵(li)電極的(de)自阻抗(kang),.Ze1、Ze2爲長弧(hu)形測量(liang)電極的(de)自阻抗(kang)，ZEe1、ZEe2爲電壓(ya)激勵電(dian)極與長(zhang)弧形測(ce)量電極(ji)之間的(de)互阻抗(kang)，Ze1、Ze2爲前🌈級(ji)儀表放(fang)大器㊙️的(de)輸入阻(zu)抗，A0爲放(fang)大倍數(shu),V0爲放大(da)器輸出(chu)端。
　　因所(suo)施加的(de)電壓激(ji)勵信号(hao)爲交流(liu)信号,則(ze)可忽略(lue)✊雙電層(ceng)電容🛀🏻的(de)影響，傳(chuan)感器等(deng)效電路(lu)可近似(si)爲純電(dian)阻✂️電路(lu)。由于電(dian)壓🚶激勵(li)信号源(yuan)内阻較(jiao)小，放大(da)器的輸(shu)入電阻(zu)較⭐大,忽(hu)略二者(zhe)的影響(xiang),根據圖(tu)4等效電(dian)路可求(qiu)得:

　　式(1)中(zhong),V,爲輸入(ru)電壓源(yuan)，Re爲長弧(hu)形測量(liang)電極間(jian)的電阻(zu)，REe爲電壓(ya)激勵電(dian)極與長(zhang)弧形測(ce)量電極(ji)間的電(dian)阻。電極(ji)間的電(dian)阻由✨電(dian)極接觸(chu)電阻和(he)液體電(dian)阻構成(cheng)，其中電(dian)極間液(ye)體電阻(zu)随管内(nei)液💋體液(ye)位變化(hua)而變化(hua)，且與液(ye)位成單(dan)值對應(ying)函數關(guan)系，因而(er)根👌據式(shi)(1)可知傳(chuan)感器測(ce)量電極(ji)輸出信(xin)号與管(guan)内液位(wei)成單值(zhi)對應關(guan)系，傳感(gan)器🔱就是(shi)通過測(ce)量㊙️電極(ji)兩端電(dian)勢信号(hao)來得到(dao)管内液(ye)位信号(hao)。由于電(dian)極間的(de)液體電(dian)阻與液(ye)位呈非(fei)線性關(guan)系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,精确(que)求得傳(chuan)感器輸(shu)出信号(hao)與液位(wei)的解析(xi)關系比(bi)較困難(nan)。因此,利(li)用有限(xian)元計算(suan)方法來(lai)求得傳(chuan)感器輸(shu)出與液(ye)位的數(shu)值關系(xi)。爲便🚩于(yu)計算作(zuo)以下不(bu)失一般(ban)性的假(jia)設:
①管内(nei)液體的(de)電導率(lü)是均勻(yun)的，各向(xiang)同性，符(fu)
合歐姆(mu)定律,且(qie)電導率(lü)大于一(yi)定值;
②測(ce)量管爲(wei)絕緣管(guan)或内壁(bi)襯有絕(jue)緣襯裏(li),管壁無(wu)洩漏電(dian)流存在(zai);
③進行液(ye)位測量(liang)時，管内(nei)磁感應(ying)強度B=0。
由(you)以.上假(jia)設，對傳(chuan)感器内(nei)部任-一(yi)點電勢(shi)ψi，滿足Laplace方(fang)程，即:

　　法(fa)求解方(fang)程(2),得到(dao)測量電(dian)極上的(de)電勢,而(er)兩電極(ji)端電勢(shi)🔞差就是(shi)所要測(ce)量的液(ye)位電壓(ya)信号。通(tong)過有限(xian)元計算(suan)得到的(de)傳感器(qi)液位測(ce)量輸入(ru)輸出相(xiang)對滿管(guan)歸一化(hua)特性曲(qu)線如圖(tu)5曲線A所(suo)示。圖5中(zhong)1.23分别爲(wei)多電極(ji)傳感器(qi)底部電(dian)極、中部(bu)電極和(he)頂部電(dian)極的液(ye)位測量(liang)特性曲(qu)線

　　當(dang)液位充(chong)滿高度(du)爲60%時，對(dui)應傳感(gan)器輸出(chu)相對值(zhi)爲2.30。多電(dian)極傳感(gan)💚器對應(ying)60%高度時(shi)由頂部(bu)、中部、底(di)部的電(dian)極液位(wei)測📱量輸(shu)出相對(dui)值爲1.14.1.21、1.45。二(er)者比較(jiao),顯然所(suo)設計的(de)傳感器(qi)的輸出(chu)高于多(duo)電極✊。将(jiang)二種不(bu)同的傳(chuan)感💞器輸(shu)出特💘性(xing)進行比(bi)較，可以(yi)發現長(zhang)弧形電(dian)極傳感(gan)器對60%以(yi)上的高(gao)液位測(ce)量☔，其靈(ling)敏度特(te)性優于(yu)多電極(ji)傳感器(qi)，且傳感(gan)器的結(jie)構以及(ji)傳感器(qi)的标定(ding)也比多(duo)電極傳(chuan)感器簡(jian)單。
2.2被測(ce)液體電(dian)導率變(bian)化對傳(chuan)感器測(ce)量特性(xing)的影響(xiang)
　　根據以(yi)上假設(she)條件建(jian)立起的(de)管内穩(wen)恒電場(chang)，可以用(yong)靜電場(chang)進行比(bi)拟”。将激(ji)勵電極(ji)a、b看作爲(wei)線電極(ji)，其連線(xian)作爲🏃‍♂️x軸(zhou),連線的(de)中點作(zuo)爲y軸,建(jian)立x-y坐标(biao)軸,如圖(tu)6所示,右(you)圖爲坐(zuo)标原點(dian)的放大(da)圖。.

　　式中(zhong),R爲電極(ji)半徑,L爲(wei)電極之(zhi)間的距(ju)離，Vi爲激(ji)勵電壓(ya)♍。在電🔴壓(ya)Vi作用下(xia)，如果m,n爲(wei)測量點(dian),則兩測(ce)量點之(zhi)間的電(dian)勢差隻(zhi)與傳感(gan)器結構(gou)有關，而(er)與被測(ce)導電液(ye)體的電(dian)導率無(wu)關☀️。傳感(gan)器液位(wei)測量不(bu)受被測(ce)導電液(ye)體電導(dao)率影響(xiang)的特性(xing),使得液(ye)🈲位測量(liang)方👨‍❤️‍👨法可(ke)以應用(yong)于對溫(wen)度及成(cheng)分變化(hua)的流體(ti)進行液(ye)位測量(liang)。
3實驗結(jie)果
　　利用(yong)長弧形(xing)電極非(fei)滿管流(liu)量傳感(gan)變送器(qi)樣機,如(ru)下🥵實驗(yan):将傳感(gan)器水平(ping)放置且(qie)兩端封(feng)閉,一端(duan)采用導(dao)電法蘭(lan)與水接(jie)觸作爲(wei)接地點(dian),如圖7所(suo)示。

　　實驗(yan)預先計(ji)算傳感(gan)器測量(liang)管内水(shui)的液位(wei)對應的(de)水的體(ti)積重量(liang)，然後用(yong)電子秤(cheng)量的方(fang)法精确(que)控制管(guan)内水的(de)液位㊙️。實(shi)驗所用(yong)液體采(cai)用純水(shui)，自來水(shui)和鹽的(de)電解質(zhi)溶液三(san)種🏃‍♀️液體(ti)按一-定(ding)比例混(hun)合,得到(dao)不同電(dian)導率的(de)導電液(ye)體。從0.419~1.006mS/cm範(fan)圍内選(xuan)擇了7種(zhong)不同💘電(dian)導率液(ye)體,分别(bie)在不同(tong)液位下(xia)進行液(ye)體電導(dao)率🔞變化(hua)對傳感(gan)✏️器測量(liang)特性的(de)影響實(shi)驗。實驗(yan)結㊙️果如(ru)圖8所示(shi)，這裏液(ye)位與電(dian)壓測量(liang)值V。均取(qu)相對值(zhi)。

　　實驗(yan)結果表(biao)明，電激(ji)勵液位(wei)液位測(ce)量方法(fa)在一定(ding)範圍内(nei),基本不(bu)受被測(ce)液體電(dian)導率變(bian)化的影(ying)響。
根據(ju)式5)，可以(yi)将傳感(gan)器液位(wei)測量特(te)性關系(xi)式.表示(shi)爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中(zhong),H爲相對(dui)液位高(gao)度,V爲V。/V,A、B、k爲(wei)常數。取(qu)自變量(liang)爲傳感(gan)🏃‍♀️器㊙️信👨‍❤️‍👨号(hao)測量值(zhi),因變量(liang)爲液位(wei)高度值(zhi),對實驗(yan)數據進(jin)行拟合(he),得到🐕傳(chuan)感器液(ye)💋位測量(liang)特性關(guan)系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟(ni)合誤差(cha)

　　式(9)中Vi爲(wei)電激勵(li)輸入,D爲(wei)管道圓(yuan)管道直(zhi).徑。當管(guan)内液位(wei)🈲由hu變爲(wei)🌍h時🏃🏻‍♂️,電極(ji)測量信(xin)号由V。變(bian)爲V1,K表征(zheng)了傳感(gan)器對液(ye)✔️位變化(hua)的靈敏(min)度。将長(zhang)弧形電(dian)極傳感(gan)器與多(duo)電極傳(chuan)感器網(wang)進行比(bi)🈲較實驗(yan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。根據實(shi)驗測量(liang)數據🌏,按(an)式(9)計算(suan)得到的(de)靈敏度(du)K如表1數(shu)據所示(shi)。當在高(gao)充👣滿度(du)狀态下(xia)，液位相(xiang)對高度(du)從0.6~0.9變化(hua)時👄，長弧(hu)形電極(ji)🚶‍♀️傳感器(qi)對液位(wei)的檢測(ce)靈敏度(du)高于多(duo)電極傳(chuan)感器。

4結(jie)論
　　分析(xi)和實驗(yan)數據表(biao)明，采用(yong)長弧形(xing)電極進(jin)行非滿(man)管🌈液位(wei)測量是(shi)可行的(de)。傳感器(qi)具有對(dui)管内高(gao)充滿度(du)時的液(ye)位檢測(ce)靈🐆敏度(du)高、所需(xu)外接電(dian)纜少的(de)特點,且(qie)傳✊感器(qi)在一定(ding)範圍内(nei)基本不(bu)受被測(ce)液體電(dian)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻導率變(bian)化的影(ying)響,适用(yong)于對被(bei)測液體(ti)溫度和(he)成分不(bu)恒定的(de)場合的(de)液位測(ce)量,如城(cheng)市污水(shui)排放量(liang)的測量(liang)。存在的(de)問題是(shi)長弧形(xing)電極加(jia)工和安(an)裝😘的工(gong)🔅藝較高(gao)，電極易(yi)受污染(ran)，需要定(ding)期清洗(xi)

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