雙激勵式非滿(mǎn)管電磁流量計研究

    1 非滿(mǎn)管中的流量測量

    在非滿(mǎn)管液體流量測量中，使用一般的電磁流量計測量存在著(zhù)3個(gè)主要問(wèn)題必須解決：

    （1）當一般的電磁流量計中流過(guò)管道的液位不充滿(mǎn)整個(gè)管道時(shí)，流體的橫截面積就不等于管道的橫截面積，此時(shí)實(shí)際流量Q

    （2）當液位低于管道的一半（半管）時(shí)，電磁流量計的兩電極就接觸不到流體介質(zhì)，也就無(wú)感應電動(dòng)勢的產(chǎn)生。

    （3）非滿(mǎn)管中液位的高度h可能隨時(shí)變化，此時(shí)流體介質(zhì)的橫截面積是變化不定的，并且有時(shí)可能有較大的波動(dòng)。

    解決問(wèn)題的辦法為：

    （1）液體介質(zhì)的流速同樣通過(guò)測感應電動(dòng)的方法獲得，但計算實(shí)際流量時(shí)使：

    式中：A_實(shí)為流體的實(shí)際橫截面積，V為流體的速度。

    （2）把電磁流量計的兩電極點(diǎn)位置放低，如使其高度為管子直徑D的1/10，這樣除了流體小于此高度時(shí)不能測量流量外，但能保證液體高度大于1/10D時(shí)的測量精度。當流體高度為1/10D時(shí)，流體截面積為管道橫截面積的14.4%。一般使用時(shí)，流體高度將高于1/10D，當然也可以根據實(shí)際需要再下移。 

    （3）在電磁流量計管道的橫截面正中再安裝一液位計，如圖1所示。測量液體介質(zhì)的液位高度，這樣就能得到流體介質(zhì)流過(guò)流量計時(shí)的實(shí)際橫截面，所以只要測得管內液位高度h和感應電動(dòng)勢e就能算出實(shí)際的流量Q的值。

圖1　非滿(mǎn)管流量測量原理圖

    2 雙激勵非滿(mǎn)管電磁流量計設計

    電磁流量計傳統的應用領(lǐng)域是測量滿(mǎn)管流量，若要實(shí)現非滿(mǎn)管的測量，則需要對傳感器進(jìn)行改進(jìn)。主要有2種類(lèi)型：一種是傳統的流速面積法，由電磁流速傳感器測量流速，由液位傳感器檢測流通面積，兩者相乘得流量；另一種是由多對電極（或多電容）結構組成的電磁流量傳感器配用專(zhuān)門(mén)的轉換器測得流量。

    2.1 方案提出

    從電磁流量計傳感器原理來(lái)看，電極上感應的信號電壓是電極截面內所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合。在非滿(mǎn)管傳感器內，不論過(guò)水截面如何改變，流體流動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)總會(huì )有感應電勢，這些電勢一定要處于電極的集合范圍內。顯然，電極不能脫離流體，否則電極不會(huì )得到感應的流量信號。

    基于以上原理，經(jīng)過(guò)長(cháng)期實(shí)驗和總結前人經(jīng)驗，提出一種在原電磁流量計點(diǎn)電極基礎上使用長(cháng)弧形電極的改進(jìn)方案。長(cháng)弧形電極從管道截面液位高度10%向上延伸到液位高度90%處，并將長(cháng)弧形電極之間的流體等效成純電阻，不同液位高度對應不同的等效阻抗值或電導值，如圖2所示。

圖2 長(cháng)弧形電極測量方案示意圖

    2.2 理論推導

    本方案是在原電磁流量計進(jìn)行磁激勵的間隙加入有效的電壓激勵，從一對長(cháng)弧形電極上獲得管道內液位信息。此辦法通過(guò)雙激勵技術(shù)消除了極化干擾，以及并聯(lián)式電壓激勵模塊的使用，又可以忽略電容在低壓低頻條件下的影響，認為管道內長(cháng)弧形電極傳感器兩端只是等效為一個(gè)純電阻Rx，圖3為分壓測量電路的簡(jiǎn)化原理圖。

圖3 分壓電路原理

    實(shí)際應用中假設當管道處于滿(mǎn)管狀態(tài)時(shí)，管道內流體的等效阻抗Rx相當于3個(gè)純電阻并聯(lián)而成，如圖4所示，分別對應的是管道截面液位高度10%以下的流體的等效阻抗、10%～90%（也就是長(cháng)弧形電極之間）的流體的等效阻抗和90%以上的流體的等效阻抗。

圖4 液位高度測量等效阻抗模型

    經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗證明，本方案的輸入輸出波形間不存在相位差，長(cháng)弧形電極傳感器兩端的電容影響在一定電壓、一定頻率下可以忽略，可等效視為純電阻，如圖5所示。

    5 輸入電壓與長(cháng)弧形電極兩端輸出電壓波形

    實(shí)驗數據曲線(xiàn)還進(jìn)一步表明，對于相同電導率的流體，隨著(zhù)流體的液位高度的增大，長(cháng)弧形電極兩端電壓值反而減��；而對于不同電導率、相同液位高度的流體，其流體的電導率越大時(shí)，長(cháng)弧形電極兩端的電壓值反而越小。此外，對于不同電導率的流體，其相對阻抗比的曲線(xiàn)幾乎重合（如圖6所示），證明了這種通過(guò)長(cháng)弧形電極間流體等效阻抗或電導來(lái)計算液體的液位高度的方法是有效的。

圖6　長(cháng)弧形電極測量等效阻抗測量曲線(xiàn)

    3 數據分析及驗證

    驗證實(shí)驗采用80mm口徑的管道，在管道外壁的金屬極板兩端輸入頻率為15kHz、峰峰值為20V的正弦信號，并串入阻值為1.5kΩ的電阻，通過(guò)示波器觀(guān)察輸入輸出波形并測量長(cháng)弧形電極兩端的電壓值。

    3.1 數據分析與研究

    實(shí)驗中存在3個(gè)物理量，分別是：流體的液位高度、流體的電導率和長(cháng)弧形電極間流體的等效阻抗。實(shí)驗過(guò)程中始終控制1個(gè)物理量保持不變，研究另2個(gè)物理量的關(guān)系。因此，根據不同電導率，測量長(cháng)弧形電極間流體的等效阻抗，研究滿(mǎn)管時(shí)流體等效阻抗與電導率之間的關(guān)系；根據同一電導率，研究非滿(mǎn)管時(shí)流體等效阻抗與液位高度之間的關(guān)系。

    3.1.1 滿(mǎn)管時(shí)流體等效阻抗與電導率的研究

    水的電導率與其所含無(wú)機酸、堿、鹽的體積分數有一定關(guān)系。當它們的體積分數較低時(shí)，電導率隨體積分數的增大而增加，不同類(lèi)型的水有不同的電導率。經(jīng)過(guò)多次測量，目前上海自來(lái)水的電導率在600μS/cm左右。因此，我們針對電導率為200～1200μS/cm的水進(jìn)行滿(mǎn)管時(shí)長(cháng)弧形電極傳感器兩端的等效阻抗與電導率之間關(guān)系的研究，如圖7所示。

圖7　滿(mǎn)管時(shí)流體電導率與等效阻抗值的關(guān)系

    3.1.2　非滿(mǎn)管時(shí)流體等效阻抗與液位高度的研究

    為了進(jìn)一步研究非滿(mǎn)管時(shí)等效阻抗與液位高度的關(guān)系，又對不同電導率的水進(jìn)行了實(shí)驗測量。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，對于不同電導率的水，在不同的液位高度，其相對阻抗比數據幾乎是相一致的。另外，在對多組測量數據進(jìn)行仔細分析研究后又發(fā)現，當非滿(mǎn)管流體的液位高度在90%以上時(shí)，由于流體沒(méi)有與長(cháng)弧形電極接觸，相對阻抗比的變化相對較��；當非滿(mǎn)管流體的液位高度在10%左右時(shí)，由于流體剛與長(cháng)弧形電極接觸，相對阻抗比的變化較大。

    針對這些情況，再加上已經(jīng)證明的長(cháng)弧形電極之間的流體可以等效成相應的純電阻，我們假設當管道處于滿(mǎn)管狀態(tài)時(shí)，管道內流體的等效阻抗相當于3個(gè)純電阻并聯(lián)而成。之所以將其看成3個(gè)電阻并聯(lián)是因為電極板上感應的信號電壓是電極板截面內所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合，當流體液位低于管道截面10%或者高于管道截面90%時(shí)，流體并沒(méi)有接觸到電極板，其等效阻抗勢必與中間的接觸到電極板的有所差異。

    由此，根據電阻定律：

    其中：ρ為電阻率，σ為電導率，L為電阻的長(cháng)度，S為電阻的截面積。對于我們的實(shí)驗模型，可以將上式改寫(xiě)成：

    其中：ρ為電阻率，σ為電導率，為每段流體的平均長(cháng)度，如圖4所示，S為流體流動(dòng)方向的截面積，h為每段流體的液位高度，wn為流體的長(cháng)度，相當于一個(gè)常數。

    而對于每個(gè)等效電阻R₀、R₁和R₂，又可以看成無(wú)數個(gè)小電阻的并聯(lián)，也就是說(shuō)其電導G₀、G₁和G₂由無(wú)數個(gè)小電導并聯(lián)而成，這就等效于管道內的流體是由無(wú)數層液面相疊加，但是每段流體長(cháng)度L始終取平均值，可以用下式表示：

    對于上式中的常數w_n的確定，在同一電導率情況下，每臺傳感器裝置也各不相同，取決于長(cháng)弧形電極安裝的位置、輸入信號的頻率等因素，需要對儀表事先測量標定。

    由上式關(guān)系可以得到，對于相同液位高度的流體，當流體的電導率σ越大時(shí)，其等效電導就越大，即等效阻抗越��；對于相同電導率的流體，由于其液位高度h增長(cháng)的速率比長(cháng)弧形電極之間流體的平均長(cháng)度增長(cháng)的速率要快，因此，隨著(zhù)液位高度的升高，其等效電導逐漸增大，即等效阻抗值減小。這些都與測量數據相一致。

    3.2　驗證結果

    根據上述的推論，將流體電導率為0.624mS/cm情況下實(shí)驗所測量的數據進(jìn)行處理，得到了常數w₀=0.86、w₁=0.22和w₂=2.0，并代入公式。實(shí)際測量電阻值與等效阻抗模型值的比較如表1和圖8所示，由曲線(xiàn)表明，兩組數據相當接近，數據之間的最大誤差僅在3%左右。由此說(shuō)明，等效阻抗模型的研究還是具有一定的實(shí)際意義。

圖8　實(shí)際測量電阻值與等效阻抗模型

　　在實(shí)際應用時(shí)，通過(guò)測量長(cháng)弧形電極之間的電壓值，計算流體的等效阻抗，根據上述模型計算出相應液位高度百分比的方法相對繁瑣，計算量也相當大。在做了大量實(shí)驗并且比較了不同電導率，各個(gè)液位高度的數據之后，發(fā)現同一液位高度相對阻抗比的數據幾乎相同，因此，根據已有的不同液位高度相對阻抗比的數據擬合一條曲線(xiàn)，并建立成一張表格。通過(guò)將測量的長(cháng)弧形電極之間的電壓值經(jīng)過(guò)調零、濾波后，再除以一個(gè)系數，與表格中的數據相比較，即可快速、簡(jiǎn)單、有效的得到液位高度百分比。當然，對于不同電導率，所除以的系數是不同的。

    4 總結

    本文所提出的雙激勵非滿(mǎn)管電磁流量計檢測方案具有完全的自主知識產(chǎn)權，在普通電磁流量計基礎上稍作簡(jiǎn)單改動(dòng)，增加電壓激勵源，實(shí)現多參數的測量，并通過(guò)長(cháng)弧形電極測量了管道內液位高度，實(shí)現了電磁流量計的非滿(mǎn)管測量。

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