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利用长弧形电极进行管道液位测量的方法实现非满管电磁流量计测量

先容一种利用长弧形电极进行管道液位测量的方法,可以用于实现非满管电磁流量计测量。

  1 非满管中的流量测量

  在非满管液体流量测量中,使用一般的电磁流量计测量存在着3个主要问题必须解决:

  (1)当一般的电磁流量计中流过管道的液位不充满整个管道时,流体的横截面积就不等于管道的横截面积,此时实际流量Q

  (2)当液位低于管道的一半(半管)时,电磁流量计的两电极就接触不到流体介质,也就无感应电动势的产生。

  (3)非满管中液位的高度h可能随时变化,此时流体介质的横截面积是变化不定的,并且有时可能有较大的波动。

  解决问题的办法为:

  (1)液体介质的流速同样通过测感应电动的方法获得,但计算实际流量时使:

  式中:A实为流体的实际横截面积,V为流体的速度。

  (2)把电磁流量计的两电极点位置放低,如使其高度为管子直径D的1/10,这样除了流体小于此高度时不能测量流量外,但能保证液体高度大于1/10D时的测量精度。当流体高度为1/10D时,流体截面积为管道横截面积的14.4%。一般使用时,流体高度将高于1/10D,当然也可以根据实际需要再下移。

  (3)在电磁流量计管道的横截面正中再安装一液位计,如图1所示。测量液体介质的液位高度,这样就能得到流体介质流过流量计时的实际横截面,所以只要测得管内液位高度h和感应电动势e就能算出实际的流量Q的值。

  2 双激励非满管电磁流量计设计

  电磁流量计传统的应用领域是测量满管流量,若要实现非满管的测量,则需要对传感器进行改进。主要有2种类型:一种是传统的流速面积法,由电磁流速传感器测量流速,由液位传感器检测流通面积,两者相乘得流量;另一种是由多对电极(或多电容)结构组成的电磁流量传感器配用专门的转换器测得流量。

  2.1 方案提出

  从电磁流量计传感器原理来看,电极上感应的信号电压是电极截面内所有质点电位的集合。在非满管传感器内,不论过水截面如何改变,流体流动的质点总会有感应电势,这些电势一定要处于电极的集合范围内。显然,电极不能脱离流体,否则电极不会得到感应的流量信号。

  基于以上原理,经过长期实验和总结前人经验,提出一种在原电磁流量计点电极基础上使用长弧形电极的改进方案。长弧形电极从管道截面液位高度10%向上延伸到液位高度90%处,并将长弧形电极之间的流体等效成纯电阻,不同液位高度对应不同的等效阻抗值或电导值,如图2所示。

  2.2 理论推导

  本方案是在原电磁流量计进行磁激励的间隙加入有效的电压激励,从一对长弧形电极上获得管道内液位信息。此办法通过双激励技术消除了极化,以及并联式电压激励模块的使用,又可以忽略电容在低压低频条件下的影响,认为管道内长弧形电极传感器两端只是等效为一个纯电阻Rx,图3为分压测量电路的简化原理图。

  实际应用中假设当管道处于满管状态时,管道内流体的等效阻抗Rx相当于3个纯电阻并联而成,如图4所示,分别对应的是管道截面液位高度10%以下的流体的等效阻抗、10% ~90% (也就是长弧形电极之间)的流体的等效阻抗和90%以上的流体的等效阻抗。

  经过大量实验证明,本方案的输入输出波形间不存在相位差,长弧形电极传感器两端的电容影响在一定电压、一定频率下可以忽略,可等效视为纯电阻,如图5所示。

  实验数据曲线还进一步表明,对于相同电导率的流体,随着流体的液位高度的增大,长弧形电极两端电压值反而减小;而对于不同电导率、相同液位高度的流体,其流体的电导率越大时,长弧形电极两端的电压值反而越小。此外,对于不同电导率的流体,其相对阻抗比的曲线几乎重合(如图6所示),证明了这种通过长弧形电极间流体等效阻抗或电导来计算液体的液位高度的方法是有效的。

  3 数据分析及验证

  验证实验采用80mm口径的管道,在管道外壁的金属极板两端输入频率为15kHz、峰峰值为20V的正弦信号,并串入阻值为1.5kΩ的电阻,通过示波器观察输入输出波形并测量长弧形电极两端的电压值。

  3.1 数据分析与研究

  实验中存在3个物理量,分别是:流体的液位高度、流体的电导率和长弧形电极间流体的等效阻抗。实验过程中始终控制1个物理量保持不变,研究另2个物理量的关系。因此,根据不同电导率,测量长弧形电极间流体的等效阻抗,研究满管时流体等效阻抗与电导率之间的关系;根据同一电导率,研究非满管时流体等效阻抗与液位高度之间的关系。

  3.1.1 满管时流体等效阻抗与电导率的研究

  水的电导率与其所含无机酸、碱、盐的体积分数有一定关系。当它们的体积分数较低时,电导率随体积分数的增大而增加,不同类型的水有不同的电导率。经过多次测量,目前上海自来水的电导率在600μS/cm左右。因此,大家针对电导率为200~1200μS/cm的水进行满管时长弧形电极传感器两端的等效阻抗与电导率之间关系的研究,如图7所示。

  3.1.2 非满管时流体等效阻抗与液位高度的研究

  为了进一步研究非满管时等效阻抗与液位高度的关系,又对不同电导率的水进行了实验测量。通过实验发现,对于不同电导率的水,在不同的液位高度,其相对阻抗比数据几乎是相一致的。另外,在对多组测量数据进行仔细分析研究后又发现,当非满管流体的液位高度在90%以上时,由于流体没有与长弧形电极接触,相对阻抗比的变化相对较小;当非满管流体的液位高度在10%左右时,由于流体刚与长弧形电极接触,相对阻抗比的变化较大。

  针对这些情况,再加上已经证明的长弧形电极之间的流体可以等效成相应的纯电阻,大家假设当管道处于满管状态时,管道内流体的等效阻抗相当于3个纯电阻并联而成。之所以将其看成3个电阻并联是因为电极板上感应的信号电压是电极板截面内所有质点电位的集合,当流体液位低于管道截面10%或者高于管道截面90%时,流体并没有接触到电极板,其等效阻抗势必与中间的接触到电极板的有所差异。

  由此,根据电阻定律:

  其中:ρ为电阻率,σ为电导率,L为电阻的长度,S为电阻的截面积。对于大家的实验模型,可以将上式改写成:

  其中:ρ为电阻率,σ为电导率,L为每段流体的平均长度,如图4所示,S为流体流动方向的截面积,h为每段流体的液位高度,wn为流体的长度,相当于一个常数。

  而对于每个等效电阻R0、R1和R2,又可以看成无数个小电阻的并联,也就是说其电导G0、G1和G2由无数个小电导并联而成,这就等效于管道内的流体是由无数层液面相叠加,但是每段流体长度L始终取平均值,可以用下式表示:

对于上式中的常数wn的确定,在同一电导率情况下,每台传感器装置也各不相同,取决于长弧形电极安装的位置、输入信号的频率等因素,需要对仪表事先测量标定。

  由上式关系可以得到,对于相同液位高度的流体,当流体的电导率σ越大时,其等效电导就越大,即等效阻抗越小;对于相同电导率的流体,由于其液位高度h增长的速率比长弧形电极之间流体的平均长度L增长的速率要快,因此,随着液位高度的升高,其等效电导逐渐增大,即等效阻抗值减小。这些都与测量数据相一致。

  3.2 验证结果

  根据上述的推论,将流体电导率为0.624mS/cm情况下实验所测量的数据进行处理,得到了常数w0=0.86、w1=0.22和w2=2.0,并代入公式。实际测量电阻值与等效阻抗模型值的比较如表1和图8所示,由曲线表明,两组数据相当接近,数据之间的最大误差仅在3%左右。由此说明,等效阻抗模型的研究还是具有一定的实际意义。

  在实际应用时,通过测量长弧形电极之间的电压值,计算流体的等效阻抗,根据上述模型计算出相应液位高度百分比的方法相对繁琐,计算量也相当大。在做了大量实验并且比较了不同电导率,各个液位高度的数据之后,发现同一液位高度相对阻抗比的数据几乎相同,因此,根据已有的不同液位高度相对阻抗比的数据拟合一条曲线,并建立成一张表格。通过将测量的长弧形电极之间的电压值经过调零、滤波后,再除以一个系数,与表格中的数据相比较,即可快速、简单、有效的得到液位高度百分比。当然,对于不同电导率,所除以的系数是不同的。

  本文所提出的双激励非满管电磁流量计检测方案具有完全的自主常识产权,在普通电磁流量计基础上稍作简单改动,增加电压激励源,实现多参数的测量,并通过长弧形电极测量了管道内液位高度,实现了电磁流量计的非满管测量。


 


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