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-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。
　　對于非滿管流量測量,由于管內(nèi)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(nèi)流體流速和液位這兩個參數(shù)”。非滿管電磁流量計液位測量服務于流量測量,實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)的影響，非滿管狀態(tài)下，管內(nèi)流體流速分布不對稱，導致權重函數(shù)分布和液位有關”。非滿管狀態(tài)下,電極上測得的感應電勢與流體流速不再是線性關系需根據(jù)不同液位下的權重函數(shù)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(shù)理論可知，電極上感應信號是電極斷面內(nèi)所有質(zhì)點電位的集合,但這些電勢--定要處于電極的可測量范圍之內(nèi),故非滿管測量電極必須浸入液體內(nèi)，否則電極不會得到感應信號”。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”。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”。管內(nèi)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(xiàn)，如電容液位計法、磁致伸縮液位計、微壓計等01.10。使用附加液位計使得流量傳感器結構復雜，且難以實現(xiàn)流速和液位的同步測量,傳感器測量精度較低。文獻[1]采用多參數(shù)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(xiàn)液位的測量。采用多電極方法5”,能夠實現(xiàn)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。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”，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(xiàn)對非滿管流的液位以及流速測量。
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。

　　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(nèi)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(nèi)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(nèi)液體液位成單值對應關系，經(jīng)微機處理后得到管內(nèi)液位高度。
1.2實現(xiàn)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(nèi)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”。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(zhí)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:
①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(nèi)流體流速的測量,得到流速數(shù)據(jù);
②電壓激勵周期下,關閉勵磁激勵，使管內(nèi)磁場B=0完成一次管內(nèi)流體液位的測量。一次完整的測量周期如圖2所示。

　　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(nèi)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

　　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(nèi)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(nèi)建立起電場。根據(jù)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所示的等效電路以管內(nèi)液體中心為接地端,故等效電路是對稱的,其中E1E2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。Vi1、Vi2為兩反相的輸入激勵電壓源，Zi1、Zi2為電壓源內(nèi)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，Ze1、Ze2為前級儀表放大器的輸入阻抗，A0為放大倍數(shù),V0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(nèi)阻較小，放大器的輸入電阻較大,忽略二者的影響,根據(jù)圖4等效電路可求得:

　　式(1)中,V,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(nèi)液體液位變化而變化，且與液位成單值對應函數(shù)關系，因而根據(jù)式(1)可知傳感器測量電極輸出信號與管內(nèi)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(nèi)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,利用有限元計算方法來求得傳感器輸出與液位的數(shù)值關系。為便于計算作以下不失一般性的假設:
①管內(nèi)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;
②測量管為絕緣管或內(nèi)壁襯有絕緣襯里,管壁無泄漏電流存在;
③進行液位測量時，管內(nèi)磁感應強度B=0。
由以.上假設，對傳感器內(nèi)部任-一點電勢ψi，滿足Laplace方程，即:

　　法求解方程(2),得到測量電極上的電勢,而兩電極端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1.23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

　　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。二者比較,顯然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(fā)現(xiàn)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(yōu)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(jù)以上假設條件建立起的管內(nèi)穩(wěn)恒電場，可以用靜電場進行比擬”。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。.

　　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,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。

　　實驗預先計算傳感器測量管內(nèi)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(nèi)水的液位。實驗所用液體采用純水，自來水和鹽的電解質(zhì)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0.419~1.006mS/cm范圍內(nèi)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V。均取相對值。

　　實驗結果表明，電激勵液位液位測量方法在一定范圍內(nèi),基本不受被測液體電導率變化的影響。
根據(jù)式5)，可以將傳感器液位測量特性關系式.表示為:
H=A+Be-kV(6)
式(6)中,H為相對液位高度,V為V。/V,A、B、k為常數(shù)。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(shù)據(jù)進行擬合,得到傳感器液位測量特性關系式:
H=-0.03+2.8e-4.46V(7)
擬合誤差

　　式(9)中Vi為電激勵輸入,D為管道圓管道直.徑。當管內(nèi)液位由hu變?yōu)閔時,電極測量信號由V。變?yōu)閂1,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網(wǎng)進行比較實驗。根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù),按式(9)計算得到的靈敏度K如表1數(shù)據(jù)所示。當在高充滿度狀態(tài)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。

4結論
　　分析和實驗數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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

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