介紹一種利用長弧形電極進行管道液位測量的方法,可以用于實現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,也就無感應電動勢的產生。
(3)非滿管中液位的高度h可能***變化,此時流體介質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)液體介質的流速同樣通過測感應電動的方法獲得,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,當然也可以根據實際需要再下移。
(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。測量液體介質的液位高度,這樣就能得到流體介質流過流量計時的實際橫截面,所以只要測得管內液位高度h和感應電動勢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計
電磁流量計傳統的應用領域是測量滿管流量,若要實現非滿管的測量,則需要對傳感器進行改進。主要有2種類型: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***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門的轉換器測得流量。
2.1 方案提出
從電磁流量計傳感器原理來看,電極上感應的信號電壓是電極截面內所有質點電位的集合。在非滿管傳感器內,不論過水截面如何改變,流體流動的質點總會有感應電勢,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,否則電極不會得到感應的流量信號。
基于以上原理,經過長期實驗和總結前人經驗,提出一種在原電磁流量計點電極基礎上使用長弧形電極的改進方案。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,不同液位高度對應不同的等效阻抗值或電導值,如圖2所示。
2.2 理論推導
本方案是在原電磁流量計進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液位信息。此辦法通過雙激勵技術消除了化,以及并聯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。
實際應用中假設當管道處于滿管狀態時,管道內流體的等效阻抗Rx相當于3個純電阻并聯而成,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。
實驗數據曲線還進一步表明,對于相同電導率的流體,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;而對于不同電導率、相同液位高度的流體,其流體的電導率越大時,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來計算液體的液位高度的方法是有效的。
3 數據分析及驗證
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 數據分析與研究
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個物理量的關系。因此,根據不同電導率,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率之間的關系;根據同一電導率,研究非滿管時流體等效阻抗與液位高度之間的關系。
3.1.1 滿管時流體等效阻抗與電導率的研究
水的電導率與其所含無機酸、堿、鹽的體積分數有一定關系。當它們的體積分數較高低時,電導率隨體積分數的增大而增加,不同類型的水有不同的電導率。經過多次測量,目前上海自來水的電導率在600μS/cm左右。因此,我們針對電導率為200~1200μS/cm的水進行滿管時長弧形電極傳感器兩端的等效阻抗與電導率之間關系的研究,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
為了進一步研究非滿管時等效阻抗與液位高度的關系,又對不同電導率的水進行了實驗測量。通過實驗發現,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行仔細分析研究后又發現,當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,再加上已經證明的長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管狀態時,管道內流體的等效阻抗相當于3個純電阻并聯而成。之所以將其看成3個電阻并聯是因為電極板上感應的信號電壓是電極板截面內所有質點電位的集合,當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,根據電阻定律:
其中:ρ為電阻率,σ為電導率,L為電阻的長度,S為電阻的截面積。對于我們的實驗模型,可以將上式改寫成:
其中:ρ為電阻率,σ為電導率,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,相當于一個常數。
而對于每個等效電阻R0、R1和R2,又可以看成無數個小電阻的并聯,也就是說其電導G0、G1和G2由無數個小電導并聯而成,這就等效于管道內的流體是由無數層液面相疊加,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wn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,其等效電導就越大,即等效阻抗越小;對于相同電導率的流體,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情況下實驗所測量的數據進行處理,得到了常數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,兩組數據相當接近,數據之間的***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,根據上述模型計算出相應液位高度***比的方法相對繁瑣,計算量也相當大。在做了大量實驗并且比較高了不同電導率,各個液位高度的數據之后,發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***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過調一、濾波后,再除以一個系數,與表格中的數據相比較高,即可快速、簡單、有效的得到液位高度***比。當然,對于不同電導率,所除以的系數是不同的。
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權,在普通電磁流量計基礎上稍作簡單改動,增加電壓激勵源,實現多參數的測量,并通過長弧形電極測量了管道內液位高度,實現了電磁流量計的非滿管測量。