介紹一種利用長弧形電極進(jìn)行管道液位測量的方法,可以用于實現(xiàn)非滿管電磁流量計測量。
1 非滿管中的流量測量
在非滿管液體流量測量中,使用一般的電磁流量計測量存在著3個主要問題必須解決:
(1)當(dāng)一般的電磁流量計中流過管道的液位不充滿整個管道時,流體的橫截面積就不等于管道的橫截面積,此時實際流量Q
(2)當(dāng)液位低于管道的***半(半管)時,電磁流量計的兩電極就接觸不到流體介質(zhì),也就無感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生。
(3)非滿管中液位的高度h可能***變化,此時流體介質(zhì)的橫截面積是變化不定的,并且有時可能有較高大的波動。
解決問題的辦法為:
(1)液體介質(zhì)的流速同樣通過測感應(yīng)電動的方法獲得,但計算實際流量時使:
式中:A實為流體的實際橫截面積,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不能測量流量外,但能保證液體高度大于1/10D時的測量精度。當(dāng)流體高度為1/10D時,流體截面積為管道橫截面積的14.4%。一般使用時,流體高度將高于1/10D,當(dāng)然也可以根據(jù)實際需要再下移。
(3)在電磁流量計管道的橫截面正中再安裝***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)流過流量計時的實際橫截面,所以只要測得管內(nèi)液位高度h和感應(yīng)電動勢e就能算出實際的流量Q的值。
2 雙激勵非滿管電磁流量計設(shè)計
電磁流量計傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域是測量滿管流量,若要實現(xiàn)非滿管的測量,則需要對傳感器進(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量流速,由液位傳感器檢測流通面積,兩***相乘得流量;另一種是由多對電極(或多電容)結(jié)構(gòu)組成的電磁流量傳感器配用專門的轉(zhuǎn)換器測得流量。
2.1 方案提出
從電磁流量計傳感器原理來看,電極上感應(yīng)的信號電壓是電極截面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合。在非滿管傳感器內(nèi),不論過水截面如何改變,流體流動的質(zhì)點(diǎn)總會有感應(yīng)電勢,這些電勢一定要處于電極的集合范圍內(nèi)。顯然,電極不能脫離流體,否則電極不會得到感應(yīng)的流量信號。
基于以上原理,經(jīng)過長期實驗和總結(jié)前人經(jīng)驗,提出一種在原電磁流量計點(diǎn)電極基礎(chǔ)上使用長弧形電極的改進(jìn)方案。長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,并將長弧形電極之間的流體等效成純電阻,不同液位高度對應(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進(jìn)行磁激勵的間隙加入有效的電壓激勵,從對長弧形電極上獲得管道內(nèi)液位信息。此辦法通過雙激勵技術(shù)消除了化,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(rèn)為管道內(nèi)長弧形電極傳感器兩端只是等效為一個純電阻Rx,圖3為分壓測量電路的簡化原理圖。
實際應(yīng)用中假設(shè)當(dāng)管道處于滿管狀態(tài)時,管道內(nèi)流體的等效阻抗Rx相當(dāng)于3個純電阻并聯(lián)而成,如圖4所示,分別對應(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)過大量實驗證明,本方案的輸入輸出波形間不存在相位差,長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。
實驗數(shù)據(jù)曲線還進(jìn)一步表明,對于相同電導(dǎo)率的流體,隨著流體的液位高度的增大,長弧形電極兩端電壓值反而減小;而對于不同電導(dǎo)率、相同液位高度的流體,其流體的電導(dǎo)率越大時,長弧形電極兩端的電壓值反而越小。此外,對于不同電導(dǎo)率的流體,其相對阻抗比的曲線幾乎重合(如圖6所示),證明了這種通過長弧形電極間流體等效阻抗或電導(dǎo)來計算液體的液位高度的方法是有效的。
3 數(shù)據(jù)分析及驗證
驗證實驗采用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,并串入阻值為1.5kΩ的電阻,通過示波器觀察輸入輸出波形并測量長弧形電極兩端的電壓值。
3.1 數(shù)據(jù)分析與研究
實驗中存在3個物理量,分別是:流體的液位高度、流體的電導(dǎo)率和長弧形電極間流體的等效阻抗。實驗過程中始終控制1個物理量保持不變,研究另2個物理量的關(guān)系。因此,根據(jù)不同電導(dǎo)率,測量長弧形電極間流體的等效阻抗,研究滿管時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,研究非滿管時流體等效阻抗與液位高度之間的關(guān)系。
3.1.1 滿管時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,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)過多次測量,目前上海自來水的電導(dǎo)率在600μS/cm左右。因此,我們針對電導(dǎo)率為200~1200μS/cm的水進(jìn)行滿管時長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)一步研究非滿管時等效阻抗與液位高度的關(guān)系,又對不同電導(dǎo)率的水進(jìn)行了實驗測量。通過實驗發(fā)現(xiàn),對于不同電導(dǎo)率的水,在不同的液位高度,其相對阻抗比數(shù)據(jù)幾乎是相一致的。另外,在對多組測量數(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,由于流體沒有與長弧形電極接觸,相對阻抗比的變化相對較高小;當(dāng)非滿管流體的液位高度在10%左右時,由于流體剛與長弧形電極接觸,相對阻抗比的變化較高大。
針對這些情況,再加上已經(jīng)證明的長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,管道內(nèi)流體的等效阻抗相當(dāng)于3個純電阻并聯(lián)而成。之所以將其看成3個電阻并聯(lián)是因為電極板上感應(yīng)的信號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,流體并沒有接觸到電極板,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(jù)電阻定律:
其中:ρ為電阻率,σ為電導(dǎo)率,L為電阻的長度,S為電阻的截面積。對于我們的實驗?zāi)Ｐ?可以將上式改寫成:
其中:ρ為電阻率,σ為電導(dǎo)率,L為每段流體的平均長度,如圖4所示,S為流體流動方向的截面積,h為每段流體的液位高度,wn為流體的長度,相當(dāng)于一個常數(shù)。
而對于每個等效電阻R0、R1和R2,又可以看成無數(shù)個小電阻的并聯(lián),也就是說其電導(dǎo)G0、G1和G2由無數(shù)個小電導(dǎo)并聯(lián)而成,這就等效于管道內(nèi)的流體是由無數(shù)層液面相疊加,但是每段流體長度L始終取平均值,可以用下式表示:
對于上式中的常數(shù)wn的確定,在同一電導(dǎo)率情況下,每臺傳感器裝置也各不相同,取決于長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(biāo)定。
由上式關(guān)系可以得到,對于相同液位高度的流體,當(dāng)流體的電導(dǎo)率σ越大時,其等效電導(dǎo)就越大,即等效阻抗越小;對于相同電導(dǎo)率的流體,由于其液位高度h增長的速率比長弧形電極之間流體的平均長度L增長的速率要快,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。這些都與測量數(shù)據(jù)相一致。
3.2 驗證結(jié)果
根據(jù)上述的推論,將流體電導(dǎo)率為0.624mS/cm情況下實驗所測量的數(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。實際測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。由此說明,等效阻抗模型的研究還是具有一定的實際意義。
在實際應(yīng)用時,通過測量長弧形電極之間的電壓值,計算流體的等效阻抗,根據(jù)上述模型計算出相應(yīng)液位高度***比的方法相對繁瑣,計算量也相當(dāng)大。在做了大量實驗并且比較高了不同電導(dǎo)率,各個液位高度的數(shù)據(jù)之后,發(fā)現(xiàn)同一液位高度相對阻抗比的數(shù)據(jù)幾乎相同,因此,根據(jù)已有的不同液位高度相對阻抗比的數(shù)據(jù)擬合***條曲線,并建立成***張表格。通過將測量的長弧形電極之間的電壓值經(jīng)過調(diào)一、濾波后,再除以一個系數(shù),與表格中的數(shù)據(jù)相比較高,即可快速、簡單、有效的得到液位高度***比。當(dāng)然,對于不同電導(dǎo)率,所除以的系數(shù)是不同的。
本文所提出的雙激勵非滿管電磁流量計檢測方案具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán),在普通電磁流量計基礎(chǔ)上稍作簡單改動,增加電壓激勵源,實現(xiàn)多參數(shù)的測量,并通過長弧形電極測量了管道內(nèi)液位高度,實現(xiàn)了電磁流量計的非滿管測量。