摘要:在(zai)研究非(fei)滿管電(diàn)磁流量(liàng)計 液位(wei)測:量所(suo)要解決(jué)的技術(shù)問題基(ji)礎上,提(ti)出了一(yī)種長弧(hu)形電極(ji)液位測(ce)量方法(fǎ)。該方法(fa)是在測(cè)量管壁(bi)上設置(zhi)一對長(zhang)弧形電(dian)極作爲(wèi)流速和(he)液位信(xìn)号的測(cè)量電極(jí),在管壁(bì)底部設(she)置🌍-對激(ji)勵電極(jí)。通過在(zai)激勵電(dian)極上施(shi)加電壓(yā)幅值恒(héng)定的交(jiao)流信号(hao),在測♊量(liàng)電極.上(shang)得到反(fǎn)映液位(wei)高度變(biàn)化的電(dian)壓信号(hào)。理論分(fèn)析和實(shi)驗‼️結果(guǒ)表明傳(chuan)感器對(duì)液位測(cè)量具有(you)較高的(de)靈敏度(du)且不受(shòu)被☎️測導(dǎo)電液體(ti)電導率(lǜ)變動的(de)♌影響,适(shì)用于對(duì)污水排(pái)放等場(chǎng)合的非(fei)滿管流(liu)的測量(liang)。
　　對于非(fēi)滿管流(liu)量測量(liang),由于管(guan)内的流(liu)體截面(mian)面積是(shì)變化的(de)，故流量(liang)的測量(liàng)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(liú)體截面(mian)積，也即(jí)非滿管(guan)流量測(cè)量需要(yao)測量管(guǎn)内流體(ti)流速和(he)液位這(zhè)兩個參(can)數”。非滿(mǎn)管電磁(cí)流量計(ji)液位測(cè)量服務(wù)于流量(liàng)測量,實(shí)現傳感(gǎn)器液位(wèi)測量需(xū)要解決(jué):一是液(ye)位和流(liú)速的同(tóng)步測量(liang)的問題(tí)。滿管時(shi)傳感器(qi)電極上(shàng)産生的(de)感應電(dian)勢與被(bèi)測液體(ti)的平均(jun1)流速成(cheng)正比，而(ér)不受權(quán)重函數(shu)的影響(xiǎng)，非滿管(guǎn)狀态下(xià)，管内流(liú)體流速(su)分布不(bú)對稱，導(dǎo)緻權重(zhòng)函數分(fèn)布和液(ye)位有關(guan)”。非滿管(guǎn)狀态下(xia),電極上(shàng)測得的(de)感應電(dian)勢與流(liú)體流速(sù)不再是(shì)線性關(guan)系需根(gen)據不同(tong)液位下(xia)的權重(zhòng)函數進(jìn)行修正(zheng)，因而液(ye)位和流(liu)速信号(hao)的同步(bù)測量是(shì)保證流(liú)速測量(liang)精度的(de)必要條(tiáo)件;二是(shi)對高充(chōng)滿度時(shi)的液位(wei)測量靈(líng)敏度問(wèn)題。由權(quán)重函數(shù)理論可(kě)知，電極(jí)上感應(ying)信号是(shi)電極斷(duàn)面内所(suo)有質點(diǎn)電位的(de)集合,但(dan)這些電(diàn)勢--定要(yào)處于電(dian)極的可(kě)測量範(fan)圍之内(nèi),故非滿(mǎn)管測量(liàng)電極必(bi)須浸入(rù)液體内(nei)，否則電(dian)極不會(huì)得到感(gan)應信号(hao)”。因而，傳(chuan)感器測(ce)量電極(ji)位置一(yī)-般都設(shè)置在接(jiē)近管道(dao)直徑10%的(de)位置”。如(ru)果測量(liàng)流速的(de)電極也(yě)用于液(yè)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(mǐn)度比較(jiao)底,甚至(zhi)無法測(cè)量;三是(shi)克服被(bei)測液體(tǐ)電導率(lǜ)的影響(xiang)。非滿管(guan)流量計(ji)一般應(yīng)用于對(duì)大口徑(jìng)給排水(shui)管道的(de)流量計(jì)量,如城(cheng)市排污(wu)量的測(ce)量”。管内(nei)被測液(ye)體的電(diàn)導率随(sui)液體的(de)成.分和(he)溫度變(biàn)化而變(biàn)化，故非(fēi)滿管液(ye)位測量(liàng)必須克(ke)服被測(cè)液體電(dian)導率變(bian)化的影(yǐng)響，以保(bǎo)證電磁(ci)流量計(jì)相應的(de)測量精(jing)度。目前(qián)，非滿管(guan)電磁流(liu)量計液(yè)位測量(liang)大多采(cǎi)用附加(jia)液位計(jì)方法來(lai)實現，如(ru)電容液(yè)位計法(fǎ)、磁緻伸(shen)縮液位(wei)計、微壓(yā)計等12.15。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(sù)和液位(wei)的同步(bu)測量,傳(chuán)感器測(cè)量精度(du)較低。文(wén)獻[1]采用(yong)多參數(shù)測量方(fāng)法，直接(jiē)在傳感(gan)器流速(su)測量電(diàn)極上施(shi)加附加(jia)液位測(ce)量信号(hào),在假設(she)流體電(diàn)導率不(bu)變化時(shi)，通過測(ce)量電極(jí)間的電(dian)導來實(shí)現液位(wèi)的測量(liang)。采用多(duo)電極方(fāng)法5”,能夠(gòu)實現傳(chuán)感器對(duì)流速和(he)液位的(de)同步測(ce)量,但多(duō)電極對(dui)應的二(er)次儀表(biǎo)信号處(chù)理電路(lù)複雜，使(shi)得傳感(gǎn)器外接(jiē)電纜多(duo)，實際使(shi)用不方(fāng)便。通過(guò)對非滿(man)管不同(tong)液位測(cè)量方案(an)的比較(jiao),提出了(le)一種長(zhang)弧形電(dian)極液位(wèi)測量方(fāng)法”，即以(yǐ)長弧形(xíng)電極作(zuo)爲測量(liang)電極,并(bing)設置一(yī)對電極(ji)作爲電(dian)壓激勵(li)電極,實(shí)現對非(fei)滿管流(liu)的液位(wei)以及流(liu)速測量(liang)。
非滿管(guǎn)電磁流(liu)量傳感(gan)變送器(qi)
1.1非滿管(guǎn)電磁流(liú)量傳感(gan)變送器(qì)結構.
圖(tu)1爲采用(yòng)長弧形(xíng)電極作(zuo)爲測量(liang)電極的(de)非滿管(guǎn)電🔱磁流(liú)量傳感(gan)變送器(qi)實驗樣(yang)機的基(jī)本結構(gòu)。

　　測量(liàng)管壁上(shàng)設置有(yǒu)一對長(zhǎng)弧形電(diàn)極作爲(wèi)流速和(hé)液位🏃‍♂️信(xìn)🚩号的測(cè)量電極(jí)，傳感器(qì)底部設(shè)置有一(yi)對激勵(li)電極,用(yòng)于施加(jia)液位測(ce)量的電(dian)壓激勵(li)信号。當(dāng)非滿管(guǎn)電磁流(liu)量計進(jìn)行💞液位(wei)測量時(shí)，關閉勵(li)磁激勵(li)，使管内(nei)磁場B=0在(zai)激勵電(diàn)極.上施(shi)加電壓(ya)幅值恒(héng)定的👄交(jiāo)流信号(hào)，通💞過管(guan)内液體(ti)的耦合(hé),在測量(liàng)電極上(shàng)得💁到反(fan)映液位(wei)高☔度變(bian)化的電(diàn)壓✨信号(hào),此電壓(ya)信号與(yǔ)管内液(yè)體液位(wèi)成☁️單值(zhi)對應關(guān)系，經微(wei)機處理(lǐ)後得💯到(dao)⭐管内液(ye)位高度(dù)。
1.2實現流(liu)速與液(ye)位同步(bù)測量的(de)工作機(ji)制
　　非滿(mǎn)管傳感(gan)變送器(qì)通過施(shī)加勵磁(ci)和電壓(ya)兩種激(jī)勵來獲(huò)得管内(nèi)流體流(liú)速信号(hào)和液位(wei)信号,勵(li)磁激勵(lì)作用下(xia)進行流(liu)速的測(ce)量,電壓(ya)激勵作(zuò)用下進(jìn)行液位(wèi)的測量(liang),由🙇🏻勵磁(cí)激🐅勵和(he)電壓激(jī)勵構成(cheng)雙激勵(li)工作周(zhōu)期機制(zhi)”。雙激勵(li)機制下(xia)測量的(de)液位信(xìn)号與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流(liu)速信号(hào)使用相(xiang)同的信(xìn)号處理(lǐ)通道,爲(wei)避免相(xiàng)互之間(jian)電信号(hao)的影響(xiang),采用分(fen)别執行(hang)流速測(cè)量周期(qi)🥰時序與(yu)液位測(ce)量周期(qī)時㊙️序的(de)工作機(jī)制。設計(ji)的測量(liang)周期時(shi)序工作(zuò)機🔅制爲(wei):
①勵磁激(jī)勵周期(qī)下，關閉(bi)電壓激(jī)勵。利用(yòng)電磁流(liu)量計勵(li)磁周✌️期(qi)完🏒成一(yi)次管内(nèi)流體流(liú)速的測(ce)量,得到(dào)流速數(shù)🙇🏻據;
②電壓(yā)激勵周(zhou)期下,關(guan)閉勵磁(cí)激勵，使(shi)管内磁(ci)場B=0完成(cheng)💋一次管(guǎn)内流🐕體(tǐ)液位的(de)測量。一(yi)次完整(zhěng)的測量(liàng)周期如(rú)圖2所示(shì)。

　　爲抑(yi)制極化(hua)電壓的(de)幹擾,變(biàn)送器采(cǎi)用了正(zhèng)負雙脈(mò)沖交流(liú)電壓激(ji)勵方式(shì)。液位測(ce)量周期(qi)安排在(zài)每個勵(li)磁周期(qi)完成流(liú)速測量(liang)之後。當(dāng)管内速(sù)度變化(hua)較快時(shi)，則在進(jìn)行多次(cì)流速測(ce)量之後(hou),進行一(yī)次液位(wei)測量。圖(tú)3爲當勵(li)磁激勵(lì)采用工(gong)頻二分(fen)頻🏃‍♂️時的(de)實測信(xìn)号波形(xing)

　　由(yóu)于液位(wèi)測量周(zhou)期與流(liu)速測量(liàng)周期相(xiang)隔時間(jiān)短，遠遠(yuan)小于液(ye)位變化(huà)所需的(de)時間,對(dui)管内液(yè)位和流(liú)速的測(ce)量可以(yǐ)認爲⁉️是(shi)同步進(jìn)行的。.
2液(yè)位測量(liàng)特性分(fen)析
2.1傳感(gǎn)器輸入(rù)輸出特(tè)性分析(xī)
　　當傳感(gan)器電壓(ya)激勵電(diàn)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(diàn)場。根據(ju)傳.感器(qi)液位測(ce)量原理(lǐ),建立的(de)傳感器(qì)液位測(ce)量等效(xiao)⛱️電路簡(jian)化模型(xíng)如圖4所(suo)🔴示。

　　圖(tu)4所示的(de)等效電(diàn)路以管(guan)内液體(ti)中心爲(wèi)接地端(duān),故等💚效(xiào)💞電路是(shi)對稱的(de),其中E1E2表(biǎo)示電壓(ya)激勵電(dian)極兩端(duān)🤩點,e1、e2表示(shi)長弧形(xing)測量電(dian)極💁兩端(duān)測量點(diǎn)。Vi1、Vi2爲兩反(fǎn)相的輸(shu)入激勵(lì)電壓源(yuán)，Zi1、Zi2爲電壓(yā)源内阻(zu)抗,ZE1、ZE2爲🈲電(dian)壓激勵(lì)電極的(de)自阻抗(kàng),.Ze1、Ze2爲長弧(hu)形測量(liàng)電極的(de)自阻抗(kàng)，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(kàng)，Ze1、Ze2爲前級(ji)儀表放(fàng)大器的(de)輸入阻(zǔ)抗，A0爲放(fang)大倍數(shu),V0爲放大(dà)器輸出(chū)端。
　　因所(suǒ)施加的(de)電壓激(ji)勵信号(hao)爲交流(liú)信号,則(zé)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(sì)爲純電(diàn)阻電路(lù)。由于💚電(diàn)壓激勵(li)信号源(yuan)内阻較(jiào)小，放大(da)器☀️的輸(shu)入電阻(zu)較大,忽(hū)略二者(zhě)的影響(xiǎng),根據圖(tu)4等效電(dian)路可求(qiu)得:

　　式(1)中(zhōng),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(zǔ)，REe爲⁉️電壓(ya)激勵電(dian)極與長(zhǎng)弧形測(ce)量電極(jí)間的電(diàn)阻。電極(ji)間的電(diàn)阻由電(diàn)極接觸(chù)電阻和(he)液體電(diàn)阻構成(chéng)，其中電(diàn)極間液(ye)體電阻(zǔ)随管内(nèi)液體液(yè)位變化(huà)而變化(huà)，且與液(yè)位成單(dan)值對應(yīng)函數關(guān)系，因而(er)根據式(shì)(1)可知傳(chuan)感器測(cè)量🔞電極(jí)輸出信(xìn)✨号與管(guan)内液位(wèi)成單值(zhi)對🔴應關(guān)系，傳感(gǎn)⭐器就是(shi)通過測(ce)量電極(jí)兩端電(dian)勢信号(hao)來得到(dào)管内液(ye)位信号(hao)。由于電(dian)極間的(de)液體電(dian)阻與液(yè)🛀🏻位呈非(fei)線性關(guan)系,精确(que)求得傳(chuán)感器🌐輸(shu)出信号(hào)與🤟液位(wèi)的解析(xī)關系比(bi)較困難(nán)。因🚩此,利(li)用有限(xian)元計算(suan)方法來(lái)求得傳(chuan)感器輸(shū)出㊙️與液(yè)位的數(shù)值⛷️關系(xi)。爲便🌂于(yú)計算作(zuò)以🥰下不(bú)失一般(bān)性的假(jiǎ)設:
①管内(nèi)液體的(de)電導率(lǜ)是均勻(yun)的，各向(xiang)同性，符(fú)
合歐姆(mǔ)定律,且(qiě)電導率(lǜ)大于一(yī)定值;
②測(cè)量管爲(wèi)絕緣管(guan)或内壁(bi)襯有絕(jue)緣襯裏(li),管壁無(wu)洩漏電(diàn)流存在(zai);
③進行液(ye)位測量(liang)時，管内(nei)磁感應(yīng)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(shì)ψi，滿足Laplace方(fāng)程，即:

　　法(fa)求解方(fāng)程(2),得到(dao)測量電(diàn)極上的(de)電勢,而(er)兩電極(jí)端😘電勢(shi)差就是(shi)所要測(ce)量的液(ye)位電壓(ya)信号。通(tōng)過有限(xian)元計🤩算(suàn)得到的(de)傳感器(qi)液🧑🏽‍🤝‍🧑🏻位測(cè)量輸入(ru)輸出相(xiang)對滿管(guan)歸一🧑🏽‍🤝‍🧑🏻化(huà)特性曲(qǔ)線如圖(tú)5曲線A所(suǒ)示。圖5中(zhong)1.23分别爲(wèi)多電極(ji)傳感☂️器(qi)底部電(diàn)極、中部(bu)電🔞極和(he)頂部👈電(diàn)極的液(yè)✌️位測量(liang)特性曲(qu)線

　　當(dāng)液位充(chong)滿高度(dù)爲60%時，對(dui)應傳感(gǎn)器輸出(chū)相對值(zhi)爲2.30。多電(dian)極傳感(gan)器對應(yīng)60%高度時(shi)由頂部(bu)、中部、底(di)部的電(diàn)極液位(wei)測⭐量輸(shu)出相對(duì)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(qì)的輸出(chu)高于多(duō)電極。将(jiang)二種不(bú)同的傳(chuan)感器輸(shu)出特性(xing)進行比(bǐ)🚶較，可以(yi)發現長(zhang)弧形電(dian)極傳感(gan)器對60%以(yi)上的高(gāo)液位測(ce)量，其靈(líng)敏度特(tè)性優于(yu)多電📞極(ji)傳感器(qì)，且☁️傳感(gǎn)器的結(jié)構以及(ji)傳感器(qì)的标定(dìng)也比多(duō)電極傳(chuan)感器簡(jian)單。
2.2被測(cè)液體電(diàn)導率變(bian)化對傳(chuan)感器測(cè)量特性(xìng)的影響(xiǎng)
　　根據以(yi)上假設(shè)條件建(jiàn)立起的(de)管内穩(wěn)恒電場(chǎng)，可以用(yòng)靜電場(chǎng)進行比(bi)拟”。将激(ji)勵電極(ji)a、b看作爲(wei)線電極(jí)，其連線(xian)作爲x軸(zhóu),連📞線的(de)中點作(zuo)爲y軸,建(jian)立x-y坐标(biāo)軸,如圖(tu)6所示,右(yòu)❄️圖爲坐(zuò)🔱标原點(dian)的放大(dà)🛀圖。.

　　式中(zhong),R爲電極(jí)半徑,L爲(wei)電極之(zhi)間的距(ju)離，Vi爲激(jī)勵電壓(yā)。在電壓(yā)♉Vi作用下(xia)，如果m,n爲(wèi)測量點(diǎn),則兩測(ce)量點之(zhi)間的電(dian)勢差隻(zhī)與傳感(gan)器結構(gou)有關，而(er)與被測(cè)導電液(ye)體的電(dian)導率無(wu)關。傳感(gan)器液位(wèi)測量不(bu)受🍓被測(cè)導電液(yè)體電導(dao)率影響(xiǎng)的特🏃‍♀️性(xing),使得液(ye)位測量(liang)方🌍法可(ke)以應用(yong)于對溫(wēn)度♋及成(chéng)分變化(huà)的流體(tǐ)進行液(yè)位測量(liang)。
3實驗結(jie)果
　　利用(yòng)長弧形(xing)電極非(fei)滿管流(liu)量傳感(gǎn)變送器(qì)樣機,如(rú)下實♊驗(yàn):将💋傳感(gǎn)器水平(ping)放置且(qiě)兩端封(fēng)閉,一端(duan)采用導(dǎo)電👉法蘭(lan)與水♉接(jie)觸🧑🏽‍🤝‍🧑🏻作爲(wei)接地點(dian),如圖7所(suǒ)示。

　　實驗(yàn)預先計(jì)算傳感(gan)器測量(liàng)管内水(shui)的液位(wei)對應的(de)水的體(ti)🌐積重量(liàng)，然後用(yòng)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(yòng)液體采(cǎi)用純水(shuǐ)，自來水(shui)和鹽的(de)電♻️解質(zhi)溶液三(san)種液體(ti)按一-定(dìng)比例混(hùn)合,得到(dao)不同電(dian)導率的(de)導電液(ye)體。從0.419~1.006mS/cm範(fàn)圍内選(xuǎn)擇了7種(zhǒng)不同電(diàn)導率液(ye)體,分别(bié)在不同(tóng)🏃‍♀️液位下(xià)進行液(yè)體電導(dǎo)率❓變化(huà)對傳感(gan)器測量(liang)特性的(de)影響實(shí)驗。實驗(yàn)結果如(rú)圖8所示(shi)，這裏液(yè)位與電(diàn)壓測量(liang)值V。均取(qu)相對值(zhí)。

　　實驗(yàn)結果表(biǎo)明，電激(jī)勵液位(wèi)液位測(cè)量方法(fǎ)在一定(ding)範圍💁内(nèi)♍,基本不(bu)受被測(cè)液體電(dian)導率變(bian)化的影(yǐng)響。
根據(ju)式5)，可以(yi)将傳感(gǎn)器液位(wèi)測量特(te)性關系(xi)式.表示(shi)✉️爲:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中(zhōng),H爲相對(dui)液位高(gāo)度,V爲V。/V,A、B、k爲(wei)常數。取(qǔ)自變量(liàng)爲傳感(gan)🐆器信🌈号(hao)測量值(zhi),因變量(liàng)爲液位(wei)高度值(zhí),對實驗(yàn)數據進(jin)行拟合(he),得到傳(chuán)感器液(ye)❌位測量(liang)特性關(guan)系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
拟(nǐ)合誤差(chà)

　　式(9)中Vi爲(wèi)電激勵(lì)輸入,D爲(wei)管道圓(yuán)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(biàn)爲V1,K表征(zhēng)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(gǎn)器與多(duō)電極傳(chuán)感器網(wang)👈進行比(bi)較實驗(yàn)。根據實(shi)驗測量(liàng)數據,按(àn)式(9)計算(suan)得到的(de)靈敏度(dù)K如表1數(shù)據所示(shì)。當在高(gao)充👅滿度(dù)狀态下(xià)，液位相(xiang)對高度(dù)從0.6~0.9變化(hua)時，長弧(hu)形電極(ji)傳感器(qi)對液📐位(wèi)🐅的檢測(cè)靈敏度(du)高于多(duo)電極傳(chuán)感器。

4結(jié)論
　　分析(xī)和實驗(yàn)數據表(biǎo)明，采用(yong)長弧形(xing)電極進(jìn)行非滿(mǎn)管液位(wei)測量是(shi)可行的(de)。傳感器(qì)具有對(dui)管内高(gao)充滿度(dù)時的液(ye)位檢測(ce)靈敏度(du)高、所需(xū)外接電(diàn)纜少的(de)特點,且(qie)傳感器(qì)在💯一定(ding)範圍内(nèi)基♻️本不(bu)受被測(cè)液體電(dian)🔞導率變(bian)化的影(ying)響,适✏️用(yòng)于對被(bei)測液體(ti)溫度和(he)成分♉不(bú)恒定的(de)場合的(de)液位測(ce)量,如城(chéng)市污水(shui)排放量(liàng)的測量(liàng)。存在的(de)💔問題是(shi)長弧形(xing)電極加(jia)工和安(ān)裝🔴的工(gong)藝較高(gāo)，電極易(yi)受污染(rǎn)，需✍️要定(ding)期清🌈洗(xi)

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