磁致伸縮傳感器在明渠流量比對(duì)中的應(yīng)用

全繼宏，何麗娜，劉真貞，孫海林，羅四國(guó)，劉 虹，田一平

（1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，武漢 430074；2.湖北省環(huán)境保護(hù)廳，武漢 430074；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

磁致伸縮傳感器在明渠流量比對(duì)中的應(yīng)用

全繼宏1，何麗娜2，劉真貞1，孫海林3，羅四國(guó)1，劉 虹1，田一平1

（1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，武漢 430074；2.湖北省環(huán)境保護(hù)廳，武漢 430074；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

磁致伸縮液位傳感器是利用磁致伸縮效應(yīng)來測(cè)量液位（位移）高度的變化，文章介紹了常見的明渠流量測(cè)量方式及存在的問題，磁致伸縮液位傳感器在明渠流量比對(duì)中的實(shí)際用和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

廢水；明渠流量計(jì)；誤差；磁致伸縮傳感器

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隨之也產(chǎn)生了相應(yīng)的環(huán)境污染，污水排放造成的污染就是其中之一。有關(guān)部門為了更好地監(jiān)管企業(yè)的污水排放量，不斷增加流量測(cè)量設(shè)備，但在使用過程中還需要定期進(jìn)行人工校準(zhǔn)[1]。為了減輕相關(guān)工作人員的工作壓力，并能夠快速準(zhǔn)確完成校準(zhǔn)工作，提出了明渠流量測(cè)量比對(duì)采集成套系統(tǒng)[2]。

在整個(gè)流量測(cè)量采集比對(duì)系統(tǒng)中，磁致伸縮液位傳感器是關(guān)鍵部件。本文介紹了磁致伸縮液位傳感器在實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用。

1 磁致伸縮傳感器的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)由不銹鋼管（測(cè)桿）、磁致伸縮線（敏感元件—波導(dǎo)絲）、可移動(dòng)磁環(huán)（內(nèi)有永久磁鐵）和電子部件等部分組成（如圖1）。

圖1 磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

磁致伸縮液位傳感器測(cè)量的工作原理是∶電子倉(cāng)內(nèi)電子電路產(chǎn)生一起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)或浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，即可精確測(cè)出被測(cè)的位移和液位[3]（如圖2）。

圖2 磁致伸縮傳感器原理示意圖

2 磁致伸縮傳感器的特點(diǎn)

磁致伸縮傳感器的特點(diǎn)為∶1）測(cè)量精度可達(dá)0.01% FS（ 全量程），其非線性精度能小于0.05%FS， 重復(fù)精度能小于0.01%FS；2）抗干擾能力強(qiáng)；3）性能可靠，使用壽命長(zhǎng)；4）安裝、調(diào)試方便；5）可進(jìn)行多點(diǎn)、多參數(shù)的液位測(cè)量， 可自校正、免維護(hù)。

3 磁致伸縮液位傳感器與超聲波液位傳感器的比較

（見下表）

磁致伸縮式和超聲波式比較表

4 磁致伸縮液位傳感器的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，磁致伸縮液位傳感器不是獨(dú)立使用，而是要在明渠流量測(cè)量采集比對(duì)系統(tǒng)中應(yīng)用。明渠堰槽流量計(jì)由流量測(cè)量?jī)x和流量采集儀及軟件測(cè)試系統(tǒng)組成[4]（如圖3所示）。

圖3 明渠流量測(cè)量采集比對(duì)系統(tǒng)

磁致伸縮液位傳感器輸出的液面和界面信號(hào)主要分為模擬量和串口兩種形式，串口為RS485/232形式，模擬量為4～20mA電流模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)量程為0～1m。輸出的串口或者模擬信號(hào)通過屏蔽電纜傳送至主板，主板通過內(nèi)集成電路將接受到的串口信號(hào)或者模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量在文本顯示器上顯示，由于在線監(jiān)控過程中存在電機(jī)或泵等執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的干擾信號(hào)，且現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集點(diǎn)與控制柜之間存在距離問題，為減少信號(hào)在傳輸過程中受到干擾，故要使用優(yōu)質(zhì)的屏蔽電纜線[5]。流量比對(duì)采集系統(tǒng)接線如圖4所示；磁致伸縮液位傳感器接線如圖5所示。

圖4 流量比對(duì)采集系統(tǒng)接線示意

圖5 磁致伸縮液位傳感器接線示意圖

目前常用的明渠流量測(cè)量方式主要是采用超聲波液位傳感器進(jìn)行測(cè)量，但通過對(duì)兩種傳感器測(cè)量方式與手工測(cè)量數(shù)據(jù)之間的比較，不難看出磁致伸縮式液位傳感器的優(yōu)勢(shì)更加明顯[6]。以TLK-1和DR-831A兩種廠家的設(shè)備為例，TLK-1的液位測(cè)量裝置為超聲波傳感器，DR-831A的液位測(cè)量裝置為磁致伸縮液位傳感器，手工測(cè)量采用2m的卷尺，通過在不同堰槽的情況下手工測(cè)量方式、超聲波方式和磁致伸縮方式的一系列的數(shù)據(jù)來進(jìn)行說明。

（1）巴歇爾槽

以某企業(yè)的車間排口流量比對(duì)數(shù)據(jù)為例，堰槽為巴歇爾槽，喉道寬度為76mm，c = 0.177，n = 1.55。通過匯總14點(diǎn)40分到16點(diǎn)50分時(shí)間段的三種測(cè)量方式的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)誤差結(jié)果見圖6。

圖6 手工測(cè)量與DR-831A和TLK-1的數(shù)據(jù)誤差

數(shù)據(jù)誤差分析∶通過對(duì)該組數(shù)據(jù)的分析可知，從14點(diǎn)05分到15點(diǎn)10分的這段時(shí)間，手工數(shù)據(jù)與DR-831A和TLK-1A的測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大，DR-831A在這個(gè)時(shí)間段與手工測(cè)量數(shù)據(jù)的最大偏差達(dá)到了7.5%，其中表現(xiàn)明顯的在14點(diǎn)53分、15點(diǎn)及15點(diǎn)5分的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而TLK-1在這個(gè)時(shí)間段與手工測(cè)量數(shù)據(jù)的最大偏差達(dá)到了11%。主要原因是由于這個(gè)時(shí)間段水位的波動(dòng)較大，而且手工測(cè)量本身的準(zhǔn)確性也存在誤差。另外一個(gè)原因是工作人員在15點(diǎn)10分后進(jìn)行換班，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)和讀取時(shí)沒有達(dá)到一致。15點(diǎn)10分后的數(shù)據(jù)基本波動(dòng)偏小，DR-831A的偏差基本保持在±2%的誤差范圍內(nèi)，而TLK-1偏差基本保持在±5%的誤差范圍。

（2）直角三角堰

以某企業(yè)的車間排口流量比對(duì)數(shù)據(jù)為例，堰槽為直角三角堰，P = 120mm，B = 400mm，匯總12點(diǎn)10分到15點(diǎn)50分時(shí)間段三種測(cè)量方式的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)誤差結(jié)果如圖7所示。

數(shù)據(jù)誤差分析∶通過該組數(shù)據(jù)分析可知，在15點(diǎn)05分到15點(diǎn)10分左右的時(shí)間段，手工數(shù)據(jù)與DR-831A和 TLK-1的測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大。DR-831A在這個(gè)時(shí)間段與手工測(cè)量數(shù)據(jù)的最大偏差達(dá)到了2.7%；TLK-1在這個(gè)時(shí)間段與手工測(cè)量數(shù)據(jù)的最大偏差達(dá)到了8%。主要原因是由于這個(gè)時(shí)間段的水位突然增加，而且手工測(cè)量本身的準(zhǔn)確性也存在誤差。其他時(shí)間段的數(shù)據(jù)誤差相對(duì)平穩(wěn)，基本保持在±2%的誤差范圍內(nèi)。另外一個(gè)原因是工作人員在15點(diǎn)10分以后進(jìn)行換班，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)和讀取時(shí)沒有達(dá)到一致。而TLK-1的偏差基本保持在±8%的誤差范圍。

圖7 手工測(cè)量與DR-831A和TLK-1數(shù)據(jù)誤差

（3）靜態(tài)液位流量比對(duì)數(shù)據(jù)

采用DR-831A明渠流量計(jì)比對(duì)測(cè)量系統(tǒng)與手工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，匯總14點(diǎn)15分到15點(diǎn)53分時(shí)間段的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差結(jié)果如圖8所示。

圖8 手工測(cè)量與DR-831A數(shù)據(jù)誤差

數(shù)據(jù)誤差分析∶通過對(duì)該組數(shù)據(jù)的分析可知，DR-831A磁致伸縮傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)量值與手工測(cè)量值基本一致，且S液位基本保持在±0.2%的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

磁致液位伸縮傳感器在明渠流量測(cè)量中，測(cè)量的數(shù)值更加接近手工測(cè)量，而且具有維修簡(jiǎn)便、不需要頻繁校準(zhǔn)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能夠快速測(cè)量液位高度，提高了工作效率，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可代替手工校準(zhǔn)，值得進(jìn)一步推廣。

[1] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求 超聲波明渠污水流量計(jì)（HJ/T 15-2007）[S].2007.

[2] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.明渠堰槽流量計(jì)（試行）（JJG711-1990）[S].1990.

[3] 楊朝虹，楊競(jìng)，李煥，付春林.磁致伸縮液位傳感器的應(yīng)用與發(fā)展[J].礦冶，2004，12（30）：82-86，49.

[4] 趙建光，謝青海.雙浮子磁致伸縮傳感器在洗煤污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2012，10（10）：118-119.

[5] 陳宏燕，季慶芬.流量計(jì)在污水處理中的應(yīng)用研究[J].河北大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，4（1）：63-64.

[6] 許興武，李桂順.特制磁致伸縮式位移傳感器在水利工程上的應(yīng)用[J].吉林水利，2011，1（15）：28-29.

Application of Magnetostriction Transducer in Flow Comparison of Open Dyke

QUAN Ji-hong1, HE Li-na2, LIU Zhen-zhen1, SUN Hai-lin3, LUO Si-guo1, LIU Hong1, TIAN Yi-ping1
(1.Hubei Environmental Monitoring Central Station, Wuhan 430074; 2.Hubei Environmental Protection Administration, Wuhan 430074; 3.China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China)

The magnetostriction displacement transducer uses the magnetostriction effect to measure the altitudinal change of displacement. The paper presents the familiar measure mode and the existing problems of open dyke fow and the actual application of the magnetostriction displacement transducer and the statistic analysis of data in fow comparison of open dyke.

wastewater; fowmeter of open dyke; error; magnetostriction transducer

X703

A

1006-5377（2015）05-0018-04

課題項(xiàng)目：環(huán)保部環(huán)境監(jiān)察局國(guó)控重點(diǎn)污染源自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行管理（2014）課題。項(xiàng)目名稱：污染源自動(dòng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)端規(guī)范化程序研究。