? 摘 要: 在研究非满管电磁流量计液位测量所要解决的技术问题基础上, 提出了一种长弧形电极液位测量方法。该方法是在测量管壁上设置一对长弧形电极作为流速和液位信号的测量电极, 在管壁底部设置一对激励电极。通过在激励电极上施加电压幅值恒定的交流信号, 在测量电极上得到反映液位高度变化的电压信号。理论分析和实验结果表明传感器对液位测量具有较高的灵敏度且不受被测导电液体电导率变动的影响, 适用于对污水排放等场合的非满管流的测量。
关键词: 流量测量; 非满管液位测量; 弧形测量电极
对于非满管流量测量, 由于管内的流体截面面积是变化的, 故流量的测量需要测量流过传感器流体的平均速度和流过传感器的流体截面积, 也即非满管流量测量需要测量管内流体流速和液位这两个参数[ 1] 。非满管电磁流量计液位测量服务于流量测量, 实现传感器液位测量需要解决: 一是液位和流速的同步测量的问题。满管时传感器电极上产生的感应电势与被测液体的平均流速成正比, 而不受权重函数的影响, 非满管状态下, 管内流体流速分布不对称, 导致权重函数分布和液位有关[ 7] 。非满管状态下, 电极上测得的感应电势与流体流速不再是线性关系[ 6, 1] , 需根据不同液位下的权重函数进行修正,因而液位和流速信号的同步测量是保证流速测量精度的必要条件; 二是对高充满度时的液位测量灵敏度问题。由权重函数理论可知, 电极上感应信号是电极断面内所有质点电位的集合, 但这些电势一定要处于电极的可测量范围之内, 故非满管测量电极必须浸入液体内, 否则电极不会得到感应信号[ 1, 6] 。
因而, 传感器测量电极位置一般都设置在接近管道直径10% 的位置[ 1] 。如果测量流速的电极也用于液位的测量, 由于电极位置接近管道底部, 则对高充满度下的液位测量灵敏度比较底, 甚至无法测量; 三是克服被测液体电导率的影响。非满管流量计一般应用于对大口径给排水管道的流量计量, 如城市排污量的测量[ 1] 。管内被测液体的电导率随液体的成分和温度变化而变化, 故非满管液位测量必须克服被测液体电导率变化的影响, 以保证电磁流量计相应的测量精度。目前, 非满管电磁流量计液位测量大多采用附加液位计方法来实现, 如电容液位计法、磁致伸缩液位计、微压计等[ 2, 1, 10] 。使用附加液位计使得流量传感器结构复杂, 且难以实现流速和液位的同步测量, 传感器测量精度较低。文献[ 11] 采用多参数测量方法, 直接在传感器流速测量电极上施加附加液位测量信号, 在假设流体电导率不变化时,通过测量电极间的电导来实现液位的测量。采用多电极方法[ 3-5, 9] , 能够实现传感器对流速和液位的同步测量, 但多电极对应的二次仪表信号处理电路复杂, 使得传感器外接电缆多, 实际使用不方便。本文通过对非满管不同液位测量方案的比较, 提出了一种长弧形电极液位测量方法[ 12] , 即以长弧形电极作为测量电极, 并设置一对电极作为电压激励电极, 实现对非满管流的液位以及流速测量。
1 非满管电磁流量传感变送器
1. 1 非满管电磁流量传感变送器结构
图1 为采用长弧形电极作为测量电极的非满管电磁流量传感变送器实验样机的基本结构。
测量管壁上设置有一对长弧形电极作为流速和液位信号的测量电极, 传感器底部设置有一对激励电极, 用于施加液位测量的电压激励信号。当非满管电磁流量计进行液位测量时, 关闭励磁激励, 使管内磁场B= 0, 在激励电极上施加电压幅值恒定的交流信号, 通过管内液体的耦合, 在测量电极上得到反映液位高度变化的电压信号, 此电压信号与管内液体液位成单值对应关系, 经微机处理后得到管内液位高度。
1. 2 实现流速与液位同步测量的工作机制
非满管传感变送器通过施加励磁和电压两种激励来获得管内流体流速信号和液位信号, 励磁激励作用下进行流速的测量, 电压激励作用下进行液位的测量, 由励磁激励和电压激励构成双激励工作周期机制[ 11] 。双激励机制下测量的液位信号与流速信号使用相同的信号处理通道, 为避免相互之间电信号的影响, 采用分别执行流速测量周期时序与液位测量周期时序的工作机制。设计的测量周期时序工作机制为:
¹ 励磁激励周期下, 关闭电压激励。利用电磁流量计励磁周期完成一次管内流体流速的测量, 得到流速数据;
º 电压激励周期下, 关闭励磁激励, 使管内磁场B= 0, 完成一次管内流体液位的测量。一次完整的测量周期如图2 所示。
为抑制极化电压的干扰, 变送器采用了正负双脉冲交流电压激励方式。液位测量周期安排在每个励磁周期完成流速测量之后。当管内速度变化较快时,则在进行多次流速测量之后, 进行一次液位测量。图3 为当励磁激励采用工频二分频时的实测信号波形。
由于液位测量周期与流速测量周期相隔时间短, 远远小于液位变化所需的时间, 对管内液位和流速的测量可以认为是同步进行的。
2 液位测量特性分析
2. 1 传感器输入-输出特性分析
当传感器电压激励电极上施加幅值恒定的电压时, 通过电极将在管道液体内建立起电场。根据传感器液位测量原理, 建立的传感器液位测量等效电路简化模型如图4 所示。
图4 所示的等效电路以管内液体中心为接地端, 故等效电路是对称的, 其中E1 , E2 表示电压激励电极两端点, e1、e2 表示长弧形测量电极两端测量点。V i1 、Vi2 为两反相的输入激励电压源, Zi1、Zi2 为电压源内阻抗, ZE1 、ZE2 为电压激励电极的自阻抗,Ze1、Ze2 为长弧形测量电极的自阻抗, ZEe1 、ZEe2 为电压激励电极与长弧形测量电极之间的互阻抗, Zo1、Zo2 为前级仪表放大器的输入阻抗, A 0 为放大倍数,Vo 为放大器输出端。
因所施加的电压激励信号为交流信号, 则可忽略双电层电容的影响, 传感器等效电路可近似为纯电阻电路。由于电压激励信号源内阻较小, 放大器的输入电阻较大, 忽略二者的影响, 根据图4 等效电路可求得:
式( 1) 中, Vi 为输入电压源, Re 为长弧形测量电极间的电阻, REe 为电压激励电极与长弧形测量电极间的电阻。电极间的电阻由电极接触电阻和液体电阻构成, 其中电极间液体电阻随管内液体液位变化而变化, 且与液位成单值对应函数关系,因而根据式( 1) 可知传感器测量电极输出信号与管内液位成单值对应关系, 传感器就是通过测量电极两端电势信号来得到管内液位信号。由于电极间的液体电阻与液位呈非线性关系, 精确求得传感器输出信号与液位的解析关系比较困难。因此, 我们利用有限元计算方法来求得传感器输出与液位的数值关系。为便于计算作以下不失一般性的假设:
¹ 管内液体的电导率是均匀的, 各向同性, 符合欧姆定律, 且电导率大于一定值;
º 测量管为绝缘管或内壁衬有绝缘衬里, 管壁无泄漏电流存在;
» 进行液位测量时, 管内磁感应强度B = 0。由以上假设, 对传感器内部任一点电势7i , 满足Laplace 方程, 即:
在上述给定的边值条件下, 采用有限元计算方法求解方程( 2) , 得到测量电极上的电势, 而两电极端电势差就是所要测量的液位电压信号。通过有限元计算得到的传感器液位测量输入-输出相对满管归一化特性曲线如图5 曲线A 所示。图5 中1、2、3分别为多电极传感器底部电极、中部电极和顶部电极的液位测量特性曲线[ 3] 。
当液位充满高度为60% 时, 对应传感器输出相对值为2. 30。多电极传感器对应60% 高度时由顶部、中部、底部的电极液位测量输出相对值为1. 14、1. 21、1. 45[ 3] 。二者比较, 显然本文所设计的传感器的输出高于多电极。将二种不同的传感器输出特性进行比较, 可以发现长弧形电极传感器对60%以上的高液位测量, 其灵敏度特性优于多电极传感器, 且传感器的结构以及传感器的标定也比多电极传感器简单。
2. 2 被测液体电导率变化对传感器测量特性的影响
根据以上假设条件建立起的管内稳恒电场, 可以用静电场进行比拟[ 8] 。将激励电极a、b 看作为线电极, 其连线作为x 轴, 连线的中点作为y 轴, 建立x- y 坐标轴, 如图6 所示, 右图为坐标原点的放大图。
若设管内液体导体的电导率为R, 根据欧姆定律有:
可求得m, n 两点间的电势差函数为
式中, R 为电极半径, L 为电极之间的距离, Vi 为激励电压。在电压Vi 作用下, 如果m, n 为测量点, 则两测量点之间的电势差只与传感器结构有关, 而与被测导电液体的电导率无关。传感器液位测量不受被测导电液体电导率影响的特性, 使得液位测量方法可以应用于对温度及成分变化的流体进行液位测量。
3 实验结果
利用长弧形电极非满管流量传感变送器样机,设计如下实验: 将传感器水平放置且两端封闭, 一端采用导电法兰与水接触作为接地点, 如图7 所示。
实验预先计算传感器测量管内水的液位对应的水的体积重量, 然后用电子秤量的方法精确控制管内水的液位。实验所用液体采用纯水, 自来水和盐的电解质溶液三种液体按一定比例混合, 得到不同电导率的导电液体。从0. 419~ 1. 006 mS/ cm 范围内选择了7 种不同电导率液体, 分别在不同液位下进行液体电导率变化对传感器测量特性的影响实验。实验结果如图8 所示, 这里液位与电压测量值Vo 均取相对值。
实验结果表明, 电激励液位液位测量方法在一定范围内, 基本不受被测液体电导率变化的影响。
根据式( 5) , 可以将传感器液位测量特性关系式表示为:
式( 9) 中Vi 为电激励输入, D 为管道圆管道直径。当管内液位由h0 变为h1 时, 电极测量信号由V0变为V1 , K 表征了传感器对液位变化的灵敏度。将长弧形电极传感器与多电极传感器[ 3] 进行比较实验。根据实验测量数据, 按式( 9) 计算得到的灵敏度K 如表1 数据所示。当在高充满度状态下, 液位相对高度从0. 6 ~ 0. 9 变化时, 长弧形电极传感器对液位的检测灵敏度高于多电极传感器。
4 结论
分析和实验数据表明, 采用长弧形电极进行非满管液位测量是可行的。传感器具有对管内高充满度时的液位检测灵敏度高、所需外接电缆少的特点, 且传感器在一定范围内基本不受被测液体电导率变化的影响, 适用于对被测液体温度和成分不恒定的场合的液位测量, 如城市污水排放量的测量。存在的问题是长弧形电极加工和安装的工艺较高, 电极易受污染, 需要定期清洗。
参考文献:
[ 1] 蔡武昌, 马中元等. 电磁流量计[ M] . 中国石化出版社, 2005.
[ 2] 张涛, 徐苓安等. 计算法计量不满管污水流量的研究[ J ] . 仪器仪表学报, Jan, 1996, 17( 1) : 14.
[ 3] Blake Doney, ABB Aut omation, Inc. EM F Fl ow Meas urem entin Parti all y Fill ed Pipes[ J ] . Sen sors , Oct ob er, 1999: 65.
[ 4] Ram on Casanel la, Os car Casas. Cont inuous Liquid Level Mea-S urem ent Us ing a Linear Elect rode Array [ J ] . Meas. S ci.T echnol, 2007: 1859-1866.
[ 5] O. su llivan V T. Perf orman ce of an Elect romagnet ic Flow-M eter w ith Six Poin t Elect rodes[ J] . Phy s E: Sci Inst rum , 1983,16( 12) : 1183-1188.
[ 6] Sh ercl iff J A. T he T heory of El ect romagneti c Flow Measur e-Ment [ M] . Cambridg e: Th e UNIversit y Press, 1962.
[ 7] Zhang Xiao-Zh ang. T he Virtual Cu rrent of an Elect romagnet icFlow Mt er in Part iall y Fil led Pipes[ J ] . Meas. Sci. Techn ol : 9( 1988) 1852-1855.
[ 8] 徐立军, 姜常珍等. 电阻层析成像激励电极加权研究[ J] . 天津大学学报, May, 2002, 35( 3) : 348.
[ 9] GÊ rg?n yi, L. S ujbert , I. Bog?r, K. Moln?r, an d T. Dab?cz i.DS P-bassed Elect rom agn et ic Fl owmet er with Sinu soidal Exc-it at ion [ C ] / / IMT C2005-Ins t rumen tat ion and MeasurementT ech nology Conf erence. Ot t awa, Canada, May, 2005: 17-19.
[ 10] 颜庆伟, 赵玉龙等, 磁致伸缩液位传感器的电路设计及性能分析[ J] . 传感技术学报, May, 2008, 21( 5) : 777.
[ 11] 曹金亮. 多参数电磁流量计及其实现技术的研究[ D] . 上海大学2007 博士论文: 61-65.
[ 12] 李斌, 卫开夏. 导电性液体液位测量方法及系统[ P] . 中国发明专利: 200710037413. 7
