介紹一種利用長(zhǎng)弧形電極進(jìn)行管道液位測(cè)量的方法,可以用于實(shí)現(xiàn)非滿管電磁流量計(jì)測(cè)量。
1 非滿管中的流量測(cè)量
在非滿管液體流量測(cè)量中,使用一般的電磁流量計(jì)測(cè)量存在著3個(gè)主要問(wèn)題必須解決:
(1)當(dāng)一般的電磁流量計(jì)中流過(guò)管道的液位不充滿整個(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(dāng)液位低于管道的***半(半管)時(shí),電磁流量計(jì)的兩電極就接觸不到流體介質(zhì),也就無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。
(3)非滿管中液位的高度h可能***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)可能有較高大的波動(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(cè)感應(yīng)電動(dòng)的方法獲得,但計(jì)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(jì)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(cè)量流量外,但能保證液體高度大于1/10D時(shí)的測(cè)量精度。當(dāng)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(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際需要再下移。
(3)在電磁流量計(jì)管道的橫截面正中再安裝***液位計(jì),如圖1所示。測(cè)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(jì)時(shí)的實(shí)際橫截面,所以只要測(cè)得管內(nèi)液位高度h和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e就能算出實(shí)際的流量Q的值。
2 雙激勵(lì)非滿管電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)
電磁流量計(jì)傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域是測(cè)量滿管流量,若要實(shí)現(xiàn)非滿管的測(cè)量,則需要對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)。主要有2種類型:一種是傳統(tǒng)的流速面積法,由電磁流速傳感器測(cè)量流速,由液位傳感器檢測(cè)流通面積,兩***相乘得流量;另一種是由多對(duì)電極(或多電容)結(jié)構(gòu)組成的電磁流量傳感器配用專門(mén)的轉(zhuǎn)換器測(cè)得流量。
2.1 方案提出
從電磁流量計(jì)傳感器原理來(lái)看,電極上感應(yīng)的信號(hào)電壓是電極截面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合。在非滿管傳感器內(nèi),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(yīng)電勢(shì),這些電勢(shì)一定要處于電極的集合范圍內(nèi)。顯然,電極不能脫離流體,否則電極不會(huì)得到感應(yīng)的流量信號(hào)。
基于以上原理,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)和總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn),提出一種在原電磁流量計(jì)點(diǎn)電極基礎(chǔ)上使用長(zhǎng)弧形電極的改進(jìn)方案。長(zhǎng)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(zhǎng)弧形電極之間的流體等效成純電阻,不同液位高度對(duì)應(yīng)不同的等效阻抗值或電導(dǎo)值,如圖2所示。
2.2 理論推導(dǎo)
本方案是在原電磁流量計(jì)進(jìn)行磁激勵(lì)的間隙加入有效的電壓激勵(lì),從對(duì)長(zhǎng)弧形電極上獲得管道內(nèi)液位信息。此辦法通過(guò)雙激勵(lì)技術(shù)消除了化,以及并聯(lián)式電壓激勵(lì)模塊的使用,又可以忽略電容在低壓低頻條件下的影響,認(rèn)為管道內(nèi)長(zhǎng)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(cè)量電路的簡(jiǎn)化原理圖。
實(shí)際應(yīng)用中假設(shè)當(dāng)管道處于滿管狀態(tài)時(shí),管道內(nèi)流體的等效阻抗Rx相當(dāng)于3個(gè)純電阻并聯(lián)而成,如圖4所示,分別對(duì)應(yīng)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(zhǎng)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。
經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明,本方案的輸入輸出波形間不存在相位差,長(zhǎng)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。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線還進(jìn)一步表明,對(duì)于相同電導(dǎo)率的流體,隨著流體的液位高度的增大,長(zhǎng)弧形電極兩端電壓值反而減小;而對(duì)于不同電導(dǎo)率、相同液位高度的流體,其流體的電導(dǎo)率越大時(shí),長(zhǎng)弧形電極兩端的電壓值反而越小。此外,對(duì)于不同電導(dǎo)率的流體,其相對(duì)阻抗比的曲線幾乎重合(如圖6所示),證明了這種通過(guò)長(zhǎng)弧形電極間流體等效阻抗或電導(dǎo)來(lái)計(jì)算液體的液位高度的方法是有效的。
3 數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證
驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用80mm口徑的管道,在管道外壁的金屬高板兩端輸入頻率為15kHz、峰峰值為20V的正弦信號(hào),并串入阻值為1.5kΩ的電阻,通過(guò)示波器觀察輸入輸出波形并測(cè)量長(zhǎng)弧形電極兩端的電壓值。
3.1 數(shù)據(jù)分析與研究
實(shí)驗(yàn)中存在3個(gè)物理量,分別是:流體的液位高度、流體的電導(dǎo)率和長(zhǎng)弧形電極間流體的等效阻抗。實(shí)驗(yàn)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(jù)不同電導(dǎo)率,測(cè)量長(zhǎng)弧形電極間流體的等效阻抗,研究滿管時(shí)流體等效阻抗與電導(dǎo)率之間的關(guān)系;根據(jù)同一電導(dǎo)率,研究非滿管時(shí)流體等效阻抗與液位高度之間的關(guān)系。
3.1.1 滿管時(shí)流體等效阻抗與電導(dǎo)率的研究
水的電導(dǎo)率與其所含無(wú)機(jī)酸、堿、鹽的體積分?jǐn)?shù)有一定關(guān)系。當(dāng)它們的體積分?jǐn)?shù)較高低時(shí),電導(dǎo)率隨體積分?jǐn)?shù)的增大而增加,不同類型的水有不同的電導(dǎo)率。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量,目前上海自來(lái)水的電導(dǎo)率在600μS/cm左右。因此,我們針對(duì)電導(dǎo)率為200~1200μS/cm的水進(jìn)行滿管時(shí)長(zhǎng)弧形電極傳感器兩端的等效阻抗與電導(dǎo)率之間關(guān)系的研究,如圖7所示。
3.1.2 非滿管時(shí)流體等效阻抗與液位高度的研究
為了進(jìn)一步研究非滿管時(shí)等效阻抗與液位高度的關(guān)系,又對(duì)不同電導(dǎo)率的水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同電導(dǎo)率的水,在不同的液位高度,其相對(duì)阻抗比數(shù)據(jù)幾乎是相一致的。另外,在對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析研究后又發(fā)現(xiàn),當(dāng)非滿管流體的液位高度在90%以上時(shí),由于流體沒(méi)有與長(zhǎng)弧形電極接觸,相對(duì)阻抗比的變化相對(duì)較高小;當(dāng)非滿管流體的液位高度在10%左右時(shí),由于流體剛與長(zhǎng)弧形電極接觸,相對(duì)阻抗比的變化較高大。
針對(duì)這些情況,再加上已經(jīng)證明的長(zhǎng)弧形電極之間的流體可以等效成相應(yīng)的純電阻,我們假設(shè)當(dāng)管道處于滿管狀態(tài)時(shí),管道內(nèi)流體的等效阻抗相當(dāng)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?yàn)殡姌O板上感應(yīng)的信號(hào)電壓是電極板截面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合,當(dāng)流體液位低于管道截面10%或***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(shì)必與中間的接觸到電極板的有所差異。
由此,根據(jù)電阻定律:
其中:ρ為電阻率,σ為電導(dǎo)率,L為電阻的長(zhǎng)度,S為電阻的截面積。對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?可以將上式改寫(xiě)成:
其中:ρ為電阻率,σ為電導(dǎo)率,L為每段流體的平均長(zhǎng)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(zhǎng)度,相當(dāng)于一個(gè)常數(shù)。
而對(duì)于每個(gè)等效電阻R0、R1和R2,又可以看成無(wú)數(shù)個(gè)小電阻的并聯(lián),也就是說(shuō)其電導(dǎo)G0、G1和G2由無(wú)數(shù)個(gè)小電導(dǎo)并聯(lián)而成,這就等效于管道內(nèi)的流體是由無(wú)數(shù)層液面相疊加,但是每段流體長(zhǎng)度L始終取平均值,可以用下式表示:
對(duì)于上式中的常數(shù)wn的確定,在同一電導(dǎo)率情況下,每臺(tái)傳感器裝置也各不相同,取決于長(zhǎng)弧形電極安裝的位置、輸入信號(hào)的頻率等因素,需要對(duì)儀表事先測(cè)量標(biāo)定。
由上式關(guān)系可以得到,對(duì)于相同液位高度的流體,當(dāng)流體的電導(dǎo)率σ越大時(shí),其等效電導(dǎo)就越大,即等效阻抗越小;對(duì)于相同電導(dǎo)率的流體,由于其液位高度h增長(zhǎng)的速率比長(zhǎng)弧形電極之間流體的平均長(zhǎng)度L增長(zhǎng)的速率要快,因此,隨著液位高度的升高,其等效電導(dǎo)逐漸增大,即等效阻抗值減小。這些都與測(cè)量數(shù)據(jù)相一致。
3.2 驗(yàn)證結(jié)果
根據(jù)上述的推論,將流體電導(dǎo)率為0.624mS/cm情況下實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了常數(shù)w0=0.86、w1=0.22和w2=2.0,并代入公式。實(shí)際測(cè)量電阻值與等效阻抗模型值的比較高如表1和圖8所示,由曲線表明,兩組數(shù)據(jù)相當(dāng)接近,數(shù)據(jù)之間的***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。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí),通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)弧形電極之間的電壓值,計(jì)算流體的等效阻抗,根據(jù)上述模型計(jì)算出相應(yīng)液位高度***比的方法相對(duì)繁瑣,計(jì)算量也相當(dāng)大。在做了大量實(shí)驗(yàn)并且比較高了不同電導(dǎo)率,各個(gè)液位高度的數(shù)據(jù)之后,發(fā)現(xiàn)同一液位高度相對(duì)阻抗比的數(shù)據(jù)幾乎相同,因此,根據(jù)已有的不同液位高度相對(duì)阻抗比的數(shù)據(jù)擬合***條曲線,并建立成***張表格。通過(guò)將測(cè)量的長(zhǎng)弧形電極之間的電壓值經(jīng)過(guò)調(diào)一、濾波后,再除以一個(gè)系數(shù),與表格中的數(shù)據(jù)相比較高,即可快速、簡(jiǎn)單、有效的得到液位高度***比。當(dāng)然,對(duì)于不同電導(dǎo)率,所除以的系數(shù)是不同的。
本文所提出的雙激勵(lì)非滿管電磁流量計(jì)檢測(cè)方案具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),在普通電磁流量計(jì)基礎(chǔ)上稍作簡(jiǎn)單改動(dòng),增加電壓激勵(lì)源,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測(cè)量,并通過(guò)長(zhǎng)弧形電極測(cè)量了管道內(nèi)液位高度,實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的非滿管測(cè)量。