非满管电磁流量计液位测量方法研究

　　对于非满管流量测量, 由于管内的流体截面面积是变化的, 故流量的测量需要测量流过传感器流体的平均速度和流过传感器的流体截面积, 也即非满管流量测量需要测量管内流体流速和液位这两个参数[ 1] 。非满管电磁流量计液位测量服务于流量测量, 实现传感器液位测量需要解决: 一是液位和流速的同步测量的问题。满管时传感器电极上产生的感应电势与被测液体的平均流速成正比, 而不受权重函数的影响, 非满管状态下, 管内流体流速分布不对称, 导致权重函数分布和液位有关[ 7] 。非满管状态下, 电极上测得的感应电势与流体流速不再是线性关系[ 6, 1] , 需根据不同液位下的权重函数进行修正,因而液位和流速信号的同步测量是保证流速测量精度的必要条件; 二是对高充满度时的液位测量灵敏度问题。由权重函数理论可知, 电极上感应信号是电极断面内所有质点电位的集合, 但这些电势一定要处于电极的可测量范围之内, 故非满管测量电极必须浸入液体内, 否则电极不会得到感应信号[ 1, 6] 。

　　因而, 传感器测量电极位置一般都设置在接近管道直径10% 的位置[ 1] 。如果测量流速的电极也用于液位的测量, 由于电极位置接近管道底部, 则对高充满度下的液位测量灵敏度比较底, 甚至无法测量; 三是克服被测液体电导率的影响。非满管流量计一般应用于对大口径给排水管道的流量计量, 如城市排污量的测量[ 1] 。管内被测液体的电导率随液体的成分和温度变化而变化, 故非满管液位测量必须克服被测液体电导率变化的影响, 以保证电磁流量计相应的测量精度。目前, 非满管电磁流量计液位测量大多采用附加液位计方法来实现, 如电容液位计法、磁致伸缩液位计、微压计等[ 2, 1, 10] 。使用附加液位计使得流量传感器结构复杂, 且难以实现流速和液位的同步测量, 传感器测量精度较低。文献[ 11] 采用多参数测量方法, 直接在传感器流速测量电极上施加附加液位测量信号, 在假设流体电导率不变化时,通过测量电极间的电导来实现液位的测量。采用多电极方法[ 3-5, 9] , 能够实现传感器对流速和液位的同步测量, 但多电极对应的二次仪表信号处理电路复杂, 使得传感器外接电缆多, 实际使用不方便。本文通过对非满管不同液位测量方案的比较, 提出了一种长弧形电极液位测量方法[ 12] , 即以长弧形电极作为测量电极, 并设置一对电极作为电压激励电极, 实现对非满管流的液位以及流速测量。

　　1 非满管电磁流量传感变送器

　　1. 1 非满管电磁流量传感变送器结构

　　图1 为采用长弧形电极作为测量电极的非满管电磁流量传感变送器实验样机的基本结构。