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(jué)的技術問題(tí)基礎上,提出(chū)了一種長弧(hu)形👈電極液位(wei)測量方法。該(gai)方法是在測(ce)量管壁上設(shè)置一對長弧(hú)形電極作爲(wei)流速和液位(wèi)信号的測量(liang)電極,在管壁(bì)底部設置-對(dui)激勵電極。通(tong)過在🙇‍♀️激勵電(dian)極上施加電(dian)🏒壓幅值恒定(dìng)的交流信号(hào),在測量電極(ji).上得到反映(ying)液位🏃‍♂️高度變(bian)化的👅電壓信(xin)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(bu)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(guǎn)流的測量。
　　對(dui)于非滿管流(liu)量測量,由于(yú)管内的流體(ti)截面面積是(shi)變化的，故流(liu)量的測量需(xū)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(jié)面積，也即非(fēi)滿管流量測(cè)量需要測量(liàng)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(liu)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(chuán)感器電極上(shàng)産生的感應(ying)電勢與被測(cè)液體的平均(jun1)流速成正比(bi)，而不受權重(zhòng)函數的影響(xiang)，非滿管狀态(tai)下，管内流體(tǐ)流速分布不(bú)對稱，導緻權(quán)重函數分布(bu)和液位有關(guan)”。非滿管狀态(tai)下,電極上測(ce)得的感應電(diàn)勢與流體流(liu)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(zheng)，因而液位和(hé)流速信号的(de)同步測量是(shi)保證流速測(cè)量精度的必(bi)要條件;二是(shi)對高充滿度(du)時的液位測(cè)量靈敏度問(wen)題。由權重函(han)數理論可知(zhī)，電極上感應(ying)信号是電極(ji)斷面内所有(yǒu)質點電位的(de)集合,但這些(xiē)電勢--定要處(chù)于電極的可(kě)測量範圍之(zhi)内,故非滿管(guan)測量電極必(bi)須浸入液體(tǐ)内，否則電極(jí)不會得到感(gan)應信号”。因而(ér)，傳感器測量(liàng)電極位置一(yi)-般都設置在(zài)接近管道直(zhí)徑10%的位置”。如(ru)果測量流速(sù)的電極也用(yòng)于液位的測(cè)量,由于電極(ji)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(kè)服被測液體(tǐ)電導率的影(ying)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(ji)量,如城市排(pái)污量的測量(liàng)”。管内被測液(yè)體的電導率(lǜ)随液體的成(cheng).分和溫度變(bian)化而變化，故(gu)非滿管液位(wei)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(ce)量精度。目前(qian)，非滿管電磁(cí)流量計液位(wei)測量大多采(cai)用附加液位(wei)計方法來實(shi)現，如電容液(yè)位計法、磁緻(zhì)伸縮液位計(ji)、微壓計等12.15。使(shi)用附加液位(wèi)計使得流量(liang)傳感器結構(gou)複雜，且難以(yi)實現流速和(hé)液位的同步(bu)測量,傳感器(qi)測量精度較(jiao)低。文獻[1]采用(yong)多參數測量(liang)方法，直接在(zai)傳感器流速(su)測量電極上(shang)施加附加液(yè)位測量信号(hao),在假設流體(tǐ)電導率不變(biàn)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(ji)方法5”,能夠實(shi)現傳感器對(dui)流速和液位(wei)的同步測量(liang),但多電極對(duì)應的二次儀(yí)表信号處理(lǐ)電路複雜，使(shi)得傳感器外(wai)接電纜多，實(shi)際使用不方(fāng)便。通過對非(fei)滿管不同液(ye)位測量方案(an)的比較,提出(chū)了一種長弧(hu)形電極液位(wèi)測量方法”，即(ji)以長弧形電(dian)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(liu)速測量。
非滿(mǎn)管電磁流量(liang)傳感變送器(qì)
1.1非滿管電磁(ci)流量傳感變(bian)送器結構.
圖(tu)1爲采用長弧(hu)形電極作爲(wèi)測量電極的(de)非滿管電磁(cí)流🌈量傳感變(bian)送器實驗樣(yàng)機的基本結(jie)構。

　　測(cè)量管壁上設(she)置有一對長(zhǎng)弧形電極作(zuo)爲流速和液(ye)位信号☀️的測(cè)量電極，傳感(gan)器底部設置(zhì)有一對激勵(li)電極,用于施(shī)☎️加液位測量(liang)的電壓激勵(li)信号。當非滿(man)管電磁流量(liang)計進行液位(wei)測量時，關💞閉(bi)勵磁激勵，使(shǐ)管内磁場B=0在(zài)激勵💋電極.上(shang)施加電壓幅(fu)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(gāo)度變化的電(dian)壓信号,此電(diàn)壓信号與管(guan)内液體液位(wèi)成單值對應(yīng)關系，經微機(jī)處理後得👄到(dào)管内液位高(gao)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(guǎn)傳感變送器(qi)通過施加勵(lì)磁和電壓兩(liang)種激勵來獲(huo)❗得管内流體(ti)流速信号和(hé)液位信号,勵(li)磁激☁️勵作🌍用(yòng)下進行流速(su)🌏的測量,電壓(yā)激勵作用下(xià)進行液位的(de)測量,由勵磁(ci)激勵和電🏃壓(yā)激勵構成雙(shuang)激勵工作周(zhou)期機制”。雙激(jī)勵機制下測(cè)量的液位信(xin)号與🐆流速信(xìn)号使✍️用相同(tong)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(zhou)期時序的工(gōng)作機制。設計(jì)的測量周期(qi)時序工作機(ji)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(de)到流速數據(ju);
②電壓激勵周(zhōu)期下,關閉勵(li)磁激勵，使管(guan)内磁場B=0完成(cheng)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(gè)勵磁周期完(wán)成流速測量(liàng)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(jin)行一次液位(wei)測量。圖3爲當(dāng)勵磁激勵采(cai)用工🔱頻二分(fen)頻時的實測(ce)信号波形

　　由(you)于液位測量(liàng)周期與流速(sù)測量周期相(xiàng)隔時間短，遠(yuǎn)遠小于🐇液位(wèi)變化所需的(de)時間,對管内(nèi)液位和流🏒速(sù)的測量可以(yǐ)認爲是同步(bu)進行的。.
2液位(wei)測量特性分(fen)析
2.1傳感器輸(shū)入輸出特性(xìng)分析
　　當傳感(gǎn)器電壓激勵(lì)電極上施加(jia)幅值恒定的(de)電壓時,通⁉️過(guò)電極将在管(guǎn)道液體内建(jian)立起電場。根(gēn)據傳.感器液(yè)位測量原理(lǐ),建立的傳感(gan)器液位測量(liàng)等效電路簡(jiǎn)❌化模型如圖(tu)4所示。

　　圖(tu)4所示的等效(xiao)電路以管内(nei)液體中心爲(wei)接地端,故✊等(děng)效電路是對(dui)稱的,其中E1E2表(biǎo)示電壓激勵(li)電極兩端點(diǎn),e1、e2表示長🧡弧形(xing)測量電極兩(liǎng)端測量點。Vi1、Vi2爲(wèi)兩反相的👄輸(shu)入激勵電壓(yā)源，Zi1、Zi2爲電壓源(yuán)内阻抗,ZE1、ZE2爲電(diàn)壓激勵電極(ji)的自阻抗,.Ze1、Ze2爲(wei)長弧形測量(liàng)電極的自阻(zu)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(hù)阻抗，Ze1、Ze2爲前級(jí)儀表放大器(qi)的輸入阻抗(kang)，A0爲放大倍數(shu),V0爲放大器輸(shu)出端。
　　因所施(shī)加的電壓激(jī)勵信号爲交(jiao)流信号,則可(kě)忽略🥰雙電層(céng)電容的影響(xiang)，傳感器等效(xiao)電路可近似(sì)爲純電阻電(dian)路。由于電壓(yā)🈲激勵信号源(yuan)内阻較小，放(fang)大器的輸入(ru)電阻較大,忽(hū)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(wei)長弧形測量(liàng)電極間的電(diàn)阻，REe爲電壓激(ji)勵🏃電極與長(zhǎng)弧形測量電(dian)極間的電阻(zǔ)。電極間💘的電(dian)🌈阻由㊙️電極接(jie)觸🔱電阻和液(yè)體電阻構成(cheng)，其中電極間(jiān)液體電阻随(suí)管内液體液(ye)位變化而變(bian)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(ce)量電極輸出(chu)信号與管内(nei)液位成單值(zhí)對✂️應關系，傳(chuán)感器♈就是通(tōng)過測量電極(ji)兩端電勢信(xìn)号來得到管(guǎn)内液位信号(hao)。由🈲于電極間(jiān)的液體電阻(zu)與液位呈非(fēi)線性關系🛀,精(jīng)确求得傳感(gan)器輸出信号(hao)與液位的解(jie)🐅析關系比較(jiao)困難。因此,利(li)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(wei)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(tóng)性，符
合歐姆(mǔ)定律,且電導(dao)率大于一定(ding)值;
②測量管爲(wèi)絕緣管或内(nei)壁襯有絕緣(yuan)襯裏,管壁無(wú)洩漏㊙️電流存(cun)在;
③進行液位(wei)測量時，管内(nei)磁感應強度(dù)B=0。
由以.上假設(shè)，對傳感器内(nèi)部任-一點電(diàn)勢ψi，滿足Laplace方程(chéng)，即:

　　法求解方(fang)程(2),得到測量(liang)電極上的電(diàn)勢,而兩電極(ji)端電🥰勢差就(jiu)🏃‍♂️是所要測量(liàng)的液位電壓(yā)信号。通過有(you)限元計算得(dé)到的傳感器(qì)液位測量輸(shū)入輸出相對(dui)滿管歸一化(huà)特性曲線如(ru)圖5曲線A所示(shi)。圖5中1.23分别爲(wei)多電極傳感(gan)❗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(duì)應60%高度時由(you)頂部、中部、底(di)部的電極液(ye)位測量輸出(chū)相⛱️對值爲1.14.1.21、1.45。二(er)者比較,顯然(rán)所設計♉的傳(chuan)感💁器的輸出(chu)高于多電極(jí)。将二種不同(tóng)的傳感器輸(shū)出特性進行(hang)比較，可以發(fā)🚶現長弧形電(diàn)極傳感器對(duì)60%以上的🏃‍♂️高液(yè)位測量，其靈(líng)敏度特性優(yōu)于多電極傳(chuán)感器，且♈傳感(gan)器的結構以(yi)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(guan)内穩恒電場(chǎng)，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(diàn)極，其⭕連線作(zuo)爲x軸,連線的(de)中點作爲y軸(zhou),建立x-y坐标軸(zhóu),如圖6所示,右(yòu)圖爲坐标原(yuán)點的放大圖(tú)。.

　　式中,R爲電極(jí)半徑,L爲電極(jí)之間的距離(li)，Vi爲激勵電壓(yā)。在電壓Vi作用(yong)下，如果m,n爲測(cè)量點,則兩測(cè)量點之間的(de)電勢差隻✨與(yu)傳⛹🏻‍♀️感器結構(gòu)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(shòu)被測導電液(yè)體電導率影(ying)響的特性,使(shǐ)得液位測量(liang)方法可以應(yīng)用于對溫度(du)😘及成分變化(huà)的流體進行(hang)液位測量。
3實(shí)驗結果
　　利用(yong)長弧形電極(ji)非滿管流量(liang)傳感變送器(qi)樣機,如下實(shi)驗:将🥰傳感器(qi)水平放置且(qiě)兩端封閉,一(yi)端采用導電(dian)法蘭🌐與水👄接(jie)觸作爲接地(dì)點,如圖7所示(shì)。

　　實驗預先計(jì)算傳感器測(cè)量管内水的(de)液位對應的(de)🐕水的體積重(zhòng)量，然後用電(dian)子秤量的方(fāng)法精确控制(zhì)管内⭕水的液(ye)位。實驗所用(yòng)🐆液體采用純(chun)水，自來水和(he)鹽的電解質(zhì)溶液三種液(ye)體按一-定比(bǐ)例混合,得到(dao)不同電導率(lü)的導電液體(ti)。從0.419~1.006mS/cm範圍内選(xuan)擇了7種不同(tong)🔞電導率液體(tǐ),分别在不同(tong)液位下進行(háng)液體電導率(lü)變化對傳感(gan)器測量特性(xìng)的影響實驗(yan)。實驗結果如(ru)圖8所示，這裏(li)液位與電壓(ya)測量值V。均取(qu)相對值。

　　實驗結果(guǒ)表明，電激勵(li)液位液位測(cè)量方法在一(yi)定⛷️範圍内,基(jī)本不受被測(ce)液體電導率(lǜ)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(xiàng)對液位高度(dù),V爲V。/V,A、B、k爲常數。取(qu)自變量爲傳(chuán)感器信号測(ce)量值,因變量(liàng)爲液位高度(du)值,對實驗數(shu)據進行拟合(hé),得到🛀🏻傳感器(qì)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(zhōng)Vi爲電激勵輸(shu)入,D爲管道圓(yuán)管道直.徑。當(dang)管内液位由(yóu)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(ye)位變化的靈(líng)敏度。将長弧(hú)形電極傳感(gǎn)器與多電極(ji)傳感器網進(jin)行比較實驗(yàn)。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(biao)1數據所示♌。當(dang)在高充滿度(dù)狀态下，液位(wèi)相對高㊙️度從(cóng)0.6~0.9變化時，長弧(hu)形電極㊙️傳感(gan)器對液位💛的(de)檢測靈敏度(dù)高于多電極(jí)傳🌈感器。

4結論(lun)
　　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(liang)是可行的。傳(chuan)感器具有對(dui)管内高充滿(mǎn)度時的液位(wei)檢㊙️測靈敏度(dù)高、所需外接(jiē)電纜少的特(te)點,且傳感器(qì)在一定範圍(wei)内基本不受(shou)被測液體電(diàn)導率變化✨的(de)影響,适用于(yú)對被🌈測液體(tǐ)溫度和成分(fèn)不恒定的場(chǎng)合的液位測(cè)量,如城市污(wu)水排放量的(de)❗測量。存在的(de)♋問題是長弧(hú)形電極加工(gong)和安裝✏️的工(gōng)藝較高，電極(ji)易受💔污染，需(xū)要定期清洗(xǐ)

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