1 非满管中的流量测量

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

    （1）当一般的电磁流量计中流过管道的液位不充斥全部管道时，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可能随时变更，此时流体介质的横截面积是变更不定的，并且有时可能有较年夜的波动。

    解决问题的办法为：

    （1）液体介质的流速同样经由过程测感应电动的办法获得，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顶点地位放低，如使其高度为管子直径D的1/10，如许除了流体小于此高度时不克不及测量流量外，但能包管液体高度年夜于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%。一般应用时，流体高度将高于1/10D，当然也可以根据实际须要再下移。 

    （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，热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点，如许就能获得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。

图1　非满管流量测量道理图

    2 双鼓励非满管电磁流量计设计

    电磁流量计传统的应用范畴是测量满管流量，若要实现非满管的测量，则须要对传感器进行改进。重要有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畅面积，两者相乘得流量；另一种是由多对电极（或多电容）构造构成的电磁流量传感器配用专门的转换器测得流量。

    2.1 筹划提出

    从电磁流量计传感器道理来看，电极上感应的旌旗灯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，不论过水截面若何改变，流体流动的质点总会有感应电势，这些电势必定要处于电极的集合范围内。显然，电极不克不及离开流体，不然电极不会获得感应的流量旌旗灯号。

    基于以上道理，经由经久实验和总结前人经验，提出一种在原电磁流量计点电极基本上应用长弧形电极的改进筹划。长弧形电极从管道截面液位高度10%向上延长到液位高度90%处，并将长弧形电极之间的流体等效成纯电阻，不合液位高度对应不合的等效阻抗值或电导值，如图2所示。

图2 长弧形电极测量筹划示意图

    2.2 理论推导

    本筹划是在原电磁流量计进行磁鼓励的间隙参加有效的电压鼓励，从一对长弧形电极上获得管道内液位信息。此办法经由过程双鼓励技巧清除了极化干扰，以及并联式电压鼓励模块的应用，又可以忽视电容在低压低频前提下的影响，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道理图。

图3 分压电路道理

    实际应用中假设当管道处于满管状况时，管道内流体的等效阻抗Rx相当于3个纯电阻并联而成，超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器，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。

图4 液位高度测量等效阻抗模型

    经由年夜量实验证实，本筹划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必定电压、必定频率下可以忽视，可等效视为纯电阻，如图5所示。

    5 输入电压与长弧形电极两端输出电压波形

    实验数据曲线还进一步注解，对于雷同电导率的流体，跟着流体的液位高度的增年夜，长弧形电极两端电压值反而减小；而对于不合电导率、雷同液位高度的流体，其流体的电导率越年夜时，长弧形电极两端的电压值反而越小。此外，对于不合电导率的流体，其相对阻抗比的曲线几乎重合（如图6所示），证清楚明了这种经由过程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办法是有效的。

图6　长弧形电极测量等效阻抗测量曲线

    3 数据分析及验证

    验证实验采取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的正弦旌旗灯号，并串入阻值为1.5kΩ的电阻，经由过程示波器不雅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。是以，根据不合电导率，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，风速仪是测量空气流速的仪器。它的种类较多，气象台站最常用的为风杯风速计.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、盐的体积分数有必定关系。当它们的体积分数较低时，电导率随体积分数的增年夜而增长，不合类型的水有不合的电导率。经由多次测量，今朝上海自来水的电导率在600μS/cm阁下。是以，我们针对电导率为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。

图7　满管时流体电导率与等效阻抗值的关系

    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，又对不合电导率的水进行了实验测量。经由过程实验发明，对于不合电导率的水，在不合的液位高度，其相对阻抗比数据几乎是相一致的。别的，在对多组测量数据进行细心分析研究后又发明，当非满管流体的液位高度在90%以上时，因为流体没有与长弧形电极接触，相对阻抗比的变更相对较小；当非满管流体的液位高度在10%阁下时，因为流体刚与长弧形电极接触，相对阻抗比的变更较年夜。

    针对这些情况，再加上已经证实的长弧形电极之间的流体可以等效成响应的纯电阻，我们假设当管道处于满管状况时，管道内流体的等效阻抗相当于3个纯电阻并联而成。之所以将其算作3个电阻并联是因为电极板上感应的旌旗灯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心的接触到电极板的有所差别。

    由此，根据电阻定律：

    个中：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。对于我们的实验模型，可以将上式改写成：

    个中：ρ为电阻率，σ为电导率，为每段流体的平均长度，如图4所示，S为流体流动偏向的截面积，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，又可以算作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，然则每段流体长度L始终取平均值，可以用下式表示：

    对于上式中的常数wn切实其实定，在同一电导率情况下，每台传感器装配也各不雷同，取决于长弧形电极安装的地位、输入旌旗灯号的频率等身分，须要对仪表事先测量标定。

    由上式关系可以获得，对于雷同液位高度的流体，当流体的电导率σ越年夜时，其等效电导就越年夜，即等效阻抗越小；对于雷同电导率的流体，因为其液位高度h增长的速度比长弧形电极之间流体的平均长度增长的速度要快，是以，跟着液位高度的升高，其等效电导逐渐增年夜，即等效阻抗值减小。这些都与测量数据相一致。

    3.2　验证成果

    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，获得了常数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，由曲线注解，两组数据相当接近，数据之间的最年夜误差仅在3%阁下。由此解释，等效阻抗模型的研究照样具有必定的实际意义。

图8　实际测量电阻值与等效阻抗模型

　　在实际应用时，经由过程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响应液位高度百分比的办法相对繁琐，计算量也相昔时夜。在做了年夜量实验并且比较了不合电导率，各个液位高度的数据之后，发明同一液位高度相对阻抗比的数据几乎雷同，是以，根据已有的不合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。经由过程将测量的长弧形电极之间的电压值经由调零、滤波后，再除以一个系数，与表格中的数据比拟较，即可快速、简单、有效的获得液位高度百分比。当然，对于不合电导率，所除以的系数是不合的。

    4 总结

    本文所提出的双鼓励非满管电磁流量计检测筹划具有完全的自立常识产权，在通俗电磁流量计基本上稍作简单修改，增长电压鼓励源，实现多参数的测量，并经由过程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。

    参考文献：

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    [2]李斌，曹金亮，詹鹏飞.双鼓励电磁流量计[P].中国（创造）专利：200510028473.3.
    [3]蔡武昌.流量仪表若干成长趋势和应用进展[J].中国仪器仪表，2001（2）：46-48

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