非滿管電磁流量計液位測量方法研究

非滿管電磁流量計液位測量方法研究
   摘.. 要: 在研究非滿管電磁流量計液位測量所要解決的技術問題基礎上, 提出了一種長弧形電極液位測量方法。該方法是在測量管壁上設置一對長弧形電極作為流速和液位信號的測量電極, 在管壁底部設置一對激勵電極。通過在激勵電極上施加電壓幅值恒定的交流信號, 在測量電極上得到反映液位高度變化的電壓信號。理論分析和實驗結果表明傳感器對液位測量具有較高的靈敏度且不受被測導電液體電導率變動的影響, 適用于對污水排放等場合的非滿管流的測量。
   關鍵詞: 流量測量; 非滿管液位測量; 弧形測量電極
   對于非滿管流量測量, 由于管內的流體截面面積是變化的, 故流量的測量需要測量流過傳感器流體的平均速度和流過傳感器的流體截面積, 也即非滿管流量測量需要測量管內流體流速和液位這兩個參數[ 1] 。非滿管電磁流量計液位測量服務于流量測量, 實現傳感器液位測量需要解決: 一是液位和流速的同步測量的問題。滿管時傳感器電極上產生的感應電勢與被測液體的平均流速成正比, 而不受權重函數的影響, 非滿管狀態下, 管內流體流速分布不對稱, 導致權重函數分布和液位有關[ 7] 。非滿管狀態下, 電極上測得的感應電勢與流體流速不再是線性關系[ 6, 1] , 需根據不同液位下的權重函數進行修正, 因而液位和流速信號的同步測量是保證流速測量精度的必要條件; 二是對高充滿度時的液位測量靈敏度問題。由權重函數理論可知, 電極上感應信號是電極斷面內所有質點電位的集合, 但這些電勢一定要處于電極的可測量范圍之內, 故非滿管測量電極必須浸入液體內, 否則電極不會得到感應信號[ 1, 6] 。因而, 傳感器測量電極位置一般都設置在接近管道直徑10% 的位置[ 1] 。如果測量流速的電極也用于液位的測量, 由于電極位置接近管道底部, 則對高充滿度下的液位測量靈敏度比較底, 甚至無法測量; 三是克服被測液體電導率的影響。非滿管流量計一般應用于對大口徑給排水管道的流量計量, 如城市排污量的測量[ 1] 。管內被測液體的電導率隨液體的成分和溫度變化而變化, 故非滿管液位測量必須克服被測液體電導率變化的影響, 以保證電磁流量計相應的測量精度。目前, 非滿管電磁流量計液位測量大多采用附加液位計方法來實現, 如電容液位計法、磁致伸縮液位計、微壓計等[ 2, 1, 10] 。使用附加液位計使得流量傳感器結構復雜, 且難以實現流速和液位的同步測量, 傳感器測量精度較低。文獻[ 11] 采用多參數測量方法, 直接在傳感器流速測量電極上施加附加液位測量信號, 在假設流體電導率不變化時, 通過測量電極間的電導來實現液位的測量。采用多電極方法[ 3..5, 9] , 能夠實現傳感器對流速和液位的同步測量, 但多電極對應的二次儀表信號處理電路復雜, 使得傳感器外接電纜多, 實際使用不方便。本文通過對非滿管不同液位測量方案的比較, 提出了一種長弧形電極液位測量方法[ 12] , 即以長弧形電極作為測量電極, 并設置一對電極作為電壓激勵電極, 實現對非滿管流的液位以及流速測量。
   1 .. 非滿管電磁流量傳感變送器
   1. 1 .. 非滿管電磁流量傳感變送器結構
    圖1 為采用長弧形電極作為測量電極的非滿管電磁流量傳感變送器實驗樣機的基本結構。1..絕緣管壁, 2..長弧形測量電極, 3..電壓激勵電極, 4..勵磁線圈圖1 .. 非常管電磁流量傳感變送器結構測量管壁上設置有一對長弧形電極作為流速和液位信號的測量電極, 傳感器底部設置有一對激勵電極, 用于施加液位測量的電壓激勵信號。當非滿管電磁流量計進行液位測量時, 關閉勵磁激勵, 使管內磁場B= 0, 在激勵電極上施加電壓幅值恒定的交流信號, 通過管內液體的耦合, 在測量電極上得到反映液位高度變化的電壓信號, 此電壓信號與管內液體液位成單值對應關系, 經微機處理后得到管內液位高度。
   1. 2 .. 實現流速與液位同步測量的工作機制
   非滿管傳感變送器通過施加勵磁和電壓兩種激勵來獲得管內流體流速信號和液位信號, 勵磁激勵作用下進行流速的測量, 電壓激勵作用下進行液位的測量, 由勵磁激勵和電壓激勵構成雙激勵工作周期機制[ 11] 。雙激勵機制下測量的液位信號與流速信號使用相同的信號處理通道, 為避免相互之間電信號的影響, 采用分別執行流速測量周期時序與液位測量周期時序的工作機制。設計的測量周期時序工作機制為:
    勵磁激勵周期下, 關閉電壓激勵。利用電磁流量計勵磁周期完成一次管內流體流速的測量, 得到流速數據;
   電壓激勵周期下, 關閉勵磁激勵, 使管內磁場B= 0, 完成一次管內流體液位的測量。一次完整的測量周期如圖2 所示。圖2.. 非滿管流量測量時序為抑制極化電壓的干擾, 變送器采用了正負雙脈沖交流電壓激勵方式。液位測量周期安排在每個勵磁周期完成流速測量之后。當管內速度變化較快時, 則在進行多次流速測量之后, 進行一次液位測量。圖3 為當勵磁激勵采用工頻二分頻時的實測信號波形。圖3 .. 電激勵的信號實測波形由于液位測量周期與流速測量周期相隔時間短, 遠遠小于液位變化所需的時間, 對管內液位和流速的測量可以認為是同步進行的。
   2 .. 液位測量特性分析
   2. 1 .. 傳感器輸入..輸出特性分析
   當傳感器電壓激勵電極上施加幅值恒定的電壓時, 通過電極將在管道液體內建立起電場。根據傳感器液位測量原理, 建立的傳感器液位測量等效電路簡化模型如圖4 所示。圖4.. 傳感器液位測量等效電路模型
圖4 所示的等效電路以管內液體中心為接地端, 故等效電路是對稱的, 其中E1 , E2 表示電壓激勵電極兩端點, e1、e2 表示長弧形測量電極兩端測量點。V i1 、Vi2 為兩反相的輸入激勵電壓源, Zi1、Zi2 為電壓源內阻抗, ZE1 、ZE2 為電壓激勵電極的自阻抗, Ze1、Ze2 為長弧形測量電極的自阻抗, ZEe1 、ZEe2 為電壓激勵電極與長弧形測量電極之間的互阻抗, Zo1、Zo2 為前級儀表放大器的輸入阻抗, A 0 為放大倍數, Vo 為放大器輸出端。因所施加的電壓激勵信號為交流信號, 則可忽略雙電層電容的影響, 傳感器等效電路可近似為純電阻電路。由于電壓激勵信號源內阻較小, 放大器的輸入電阻較大, 忽略二者的影響, 根據圖4 等效電路可求得: Vo = A o Vi 1+ 2REe R e ( 1) 式( 1) 中, Vi 為輸入電壓源, Re 為長弧形測量電極間的電阻, REe 為電壓激勵電極與長弧形測量電極間的電阻。電極間的電阻由電極接觸電阻和液體電阻構成, 其中電極間液體電阻隨管內液體液位變化而變化, 且與液位成單值對應函數關系, 因而根據式( 1) 可知傳感器測量電極輸出信號與管內液位成單值對應關系, 傳感器就是通過測量電極兩端電勢信號來得到管內液位信號。由于電極間的液體電阻與液位呈非線性關系, 精確求得傳感器輸出信號與液位的解析關系比較困難。因此, 我們利用有限元計算方法來求得傳感器輸出與液位的數值關系。為便于計算作以下不失一般性的假設: .. 管內液體的電導率是均勻的, 各向同性, 符合歐姆定律, 且電導率大于一定值; .. 測量管為絕緣管或內壁襯有絕緣襯里, 管壁無泄漏電流存在; .. 進行液位測量時, 管內磁感應強度B = 0。由以上假設, 對傳感器內部任一點電勢..i , 滿足Laplace 方程, 即: .. 2 .. i = 0 ( 2) 邊界條件滿足: .... ..n | .. k = 0, 在管內液體與管壁及空氣的邊界面.. | .. a = + us , 電流注入電極表面.. | .. b = - us , 電流流出電極表面在上述給定的邊值條件下, 采用有限元計算方法求解方程( 2) , 得到測量電極上的電勢, 而兩電電勢差就是所要測量的液位電壓信號。通過有限元計算得到的傳感器液位測量輸入..輸出相對滿管歸一化特性曲線如圖5 曲線A 所示。圖5 中1、2、3 分別為多電極傳感器底部電極、中部電極和頂部電極的液位測量特性曲線[ 3] 。圖5 .. 長弧形電極傳感器與多電極傳感器當液位充滿高度為60% 時, 對應傳感器輸出相對值為2. 30。多電極傳感器對應60% 高度時由頂部、中部、底部的電極液位測量輸出相對值為1. 14、1. 21、1. 45[ 3] 。二者比較, 顯然本文所設計的傳感器的輸出高于多電極。將二種不同的傳感器輸出特性進行比較, 可以發現長弧形電極傳感器對60%以上的高液位測量, 其靈敏度特性優于多電極傳感器, 且傳感器的結構以及傳感器的標定也比多電極傳感器簡單。
   2. 2 .. 被測液體電導率變化對傳感器測量特性的影響
   根據以上假設條件建立起的管內穩恒電場, 可以用靜電場進行比擬[ 8] 。將激勵電極a、b看作為線電極, 其連線作為x 軸, 連線的中點作為y 軸, 建立x - y 坐標軸, 如圖6 所示, 右圖為坐標原點的放大圖。圖6 .. 理論分析模型若設管內液體導體的電導率為.., 根據歐姆定律有:j = ..E ( 3) 式中, j 為電流密度矢量, E 為電場強度。E = - .. .. ( 4) 在管壁兩側取接液點m, n, 電極a 至m, n 的距離分別為R am , Ran , 電極b 至m, n 的距離分別為R bm , Rbn 。可求得m, n 兩點間的電勢差函數為Vm n = ..m - ..n = Vi ln L - R R ln RbmR an R amR bn ( 5) 式中, R 為電極半徑, L 為電極之間的距離, Vi 為激勵電壓。在電壓Vi 作用下, 如果m, n 為測量點, 則兩測量點之間的電勢差只與傳感器結構有關, 而與被測導電液體的電導率無關。傳感器液位測量不受被測導電液體電導率影響的特性, 使得液位測量方法可以應用于對溫度及成分變化的流體進行液位測量。
   3 .. 實驗結果
   利用長弧形電極非滿管流量傳感變送器樣機, 設計如下實驗: 將傳感器水平放置且兩端封閉, 一端采用導電法蘭與水接觸作為接地點, 如圖7 所示。圖7 .. 液位測量傳感變送器實驗實驗預先計算傳感器測量管內水的液位對應的水的體積重量, 然后用電子秤量的方法精確控制管內水的液位。實驗所用液體采用純水, 自來水和鹽的電解質溶液三種液體按一定比例混合, 得到不同電導率的導電液體。從0. 419~ 1. 006 mS/ cm 范圍內選擇了7 種不同電導率液體, 分別在不同液位下進行液體電導率變化對傳感器測量特性的影響實驗。實驗結果如圖8 所示, 這里液位與電壓測量值Vo 均取相對值。圖8 .. 液體電導率變化對傳感器測量特性的影響.. .. 實驗結果表明, 電激勵液位液位測量方法在一定范圍內, 基本不受被測液體電導率變化的影響。根據式( 5) , 可以將傳感器液位測量特性關系式表示為: H = A + B e- kV ( 6) 式( 6) 中, H 為相對液位高度, V 為Vo / Vi , A、B、k 為常數。取自變量為傳感器信號測量值, 因變量為液位高度值, 對實驗數據進行擬合, 得到傳感器液位測量特性關系式: H = - 0. 03 + 2. 86e- 4. 46V ( 7) 擬合誤差..k = .. n i= 1 ..H 2i n = 0. 016 ( 8) 其擬合曲線如圖9 所示。圖9.. 傳感器輸入.. 輸出特性擬合曲線定義K 為傳感器液位檢測靈敏度K = | V1 - V0 | Vi | h1 - h0 | D ( 9) 式( 9) 中Vi 為電激勵輸入, D 為管道圓管道直徑。當管內液位由h0 變為h1 時, 電極測量信號由V0 變為V1 , K 表征了傳感器對液位變化的靈敏度。將長弧形電極傳感器與多電極傳感器[ 3] 進行比較實驗。根據實驗測量數據, 按式( 9) 計算得到的靈敏度K 如表1 數據所示。當在高充滿度狀態下, 液位相對高度從0. 6 ~ 0. 9 變化時, 長弧形電極傳感器對液位的檢測靈敏度高于多電極傳感器。表1.. 實驗樣機和多電極傳感器[ 3] 液位測量靈敏度實驗數據液位( h/ D) 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1. 0 兩種傳感器液位測量靈敏度K 實驗樣機( 長弧電極) 6. 9 1. 10 0. 96 0. 69 0. 37 0. 46 0. 33 0. 30 0. 24 0. 06 多電極傳感器7. 1 1. 38 1. 13 0. 75 0. 42 0. 36 0. 21 0. 11 0. 05 0. 02
   4 .. 結論
   分析和實驗數據表明, 采用長弧形電極進行非滿管液位測量是可行的。傳感器具有對管內高充滿度時的液位檢測靈敏度高、所需外接電纜少的特點, 且傳感器在一定范圍內基本不受被測液體電導率變化的影響, 適用于對被測液體溫度和成分不恒定的場合的液位測量, 如城市污水排放量的測量。存在的問題是長弧形電極加工和安裝的工藝較高, 電極易受污染, 需要定期清洗。
   參考文獻: [ 1] .. 蔡武昌, 馬中元等. 智能電磁流量計[ M] . 中國石化出版社, 2005. [ 2] .. 張濤, 徐苓安等. 計算法計量不滿管污水流量的研究[ J ] . 儀器儀表學報, Jan, 1996, 17( 1) : 14.--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：