雙激勵式非滿管電磁流量計研究雙激勵式非滿管電磁流量計研究
摘要: 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(shí)現(xiàn)非滿管電磁流量測量。
關(guān)鍵詞: 非滿管; 雙激勵; 液位測量; 長弧形電極
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(shí)際流量q < a .. v。
( 2) 當(dāng)液位低于管道的一半(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 可能隨時變化, 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(shí)際流量時使: q = a實(shí).. v.. a.. v 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(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)流過流量計時的實(shí)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(shí)際的流量q 的值。圖1.. 非滿管流量測量原理圖
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(shí)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, 兩者相乘得流量; 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(shí)驗(yàn)和總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn), 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。圖2.. 長弧形電極測量方案示意圖
2. 2.. 理論推導(dǎo)
本方案是在原智能電磁流量計進(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(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。圖3.. 分壓電路原理實(shí)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。圖4.. 液位高度測量等效阻抗模型經(jīng)過大量實(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.. 輸入電壓與長弧形電極兩端輸出電壓波形實(shí)驗(yàn)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。圖6.. 長弧形電極測量等效阻抗測量曲線
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, 在管道外壁的金屬極板兩端輸入頻率為15kh z、峰峰值為20v 的正弦信號, 并串入阻值為1. 5k.. 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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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600..s /cm 左右。因此, 我們針對電導(dǎo)率為200 ~ 1200..s /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。圖7.. 滿管時流體電導(dǎo)率與等效阻抗值的關(guān)系
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(shí)驗(yàn)測量。通過實(shí)驗(yàn)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?yàn)殡姌O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% 或者高于管道截面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: r = ..ls = 1.. .. ls 其中: ..為電阻率, .. 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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 可以將上式改寫成: rn = ..ls = 1.. .. ls = 1.. .. l hw n 其中: ..為電阻率, .. 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, w n 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r 2, 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: .. gn = .. .. sl = .. .... hwn l = w n .. .. hl 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.. 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(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)所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到了常數(shù)w 0 = 0. 86、w 1 = 0. 22和w 2 = 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(shí)際意義。表1.. 實(shí)際測量電阻值與等效阻抗模型值比較液位高度電導(dǎo)率0. 624ms / cm 實(shí)際輸入電壓值/v 電極板間電壓值/v 實(shí)際測量電阻值/k.. 等效阻抗模型值/k.. 誤差99% 19. 4 3. 68 0. 3511 0. 3506 - 0. 14% 90% 19. 4 3. 76 0. 3606 0. 3596 - 0. 28% 80% 19. 4 4. 20 0. 4145 0. 4196 1. 23% 70% 19. 4 4. 72 0. 4823 0. 4864 0. 85% 60% 19. 4 5. 28 0. 5609 0. 5686 1. 37% 50% 19. 4 5. 92 0. 6588 0. 6786 3. 01% 40% 1