隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展, 尤其是新材料的不斷涌現(xiàn)和計算機、通信技術(shù)的飛速發(fā)展, 液位測量原理和測量方法在不斷發(fā)展和更新;同時, 工業(yè)生產(chǎn)也對液位測量提出了越來越高的要求, 要同時滿足高準確度、大量程、多參數(shù)測量的要求, 傳統(tǒng)的浮子式、電阻式、電容式、超聲波等液位傳感器都不能很好地滿足這些測量要求, 采用磁致伸縮液位傳感器, 使這些問題得到了較好的解決。

磁致伸縮液位計是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應來實現(xiàn)位移的測量, 它具有量程大、非接觸式、精度高等特性, 因而廣泛應用于機械、機床等行業(yè), 而在液位測量領域, 磁致伸縮液位計則廣泛應用石油、化工等需要測量液位信號的場合。國外磁致伸縮液位計量程***高可達到30m, 傳感器測量精度可高達0.01%FS, 并且可以測量位移、液位、溫度等多參數(shù)信號。

  磁致伸縮液位計是基于磁致伸縮效應。鐵磁材料或亞鐵磁材料在居里點溫度以下于磁場中被磁化時, 會沿磁化方向發(fā)生微量伸長和縮短, 稱之為磁致伸縮效應, 又稱焦耳效應。磁致伸縮的產(chǎn)生是由于鐵磁材料在居里點溫度以下發(fā)生自發(fā)磁化, 形成大量磁疇, 并在每個磁疇內(nèi)晶格發(fā)生形變。在未加外磁場時, 磁疇的磁化方向是隨機取向的, 不顯示宏觀效應;在有外磁場作用時, 大量磁疇的磁化方向轉(zhuǎn)向外磁場磁力線方向, 其宏觀效應表現(xiàn)為材料在磁力線方向的伸長或縮短。

其材料變形的大小用磁致伸縮系數(shù)λs來度量, 即λs=ΔL/L。式中, L是受外磁場作用的物體總長, ΔL是物體長度尺寸變形量。常用磁性材料的磁致伸縮系數(shù)如表1所示。

  20世紀80年代少數(shù)工業(yè)強國如美國、德國, 利用磁致伸縮原理開發(fā)出了位移傳感器, 之后美國MTS公司首先將磁致伸縮原理用于液位測量技術(shù)上, 開發(fā)出測量油罐液位的傳感器。磁致伸縮效應在長度測量、位移測量等方面得到了廣泛的應用, 而在液位測量中的應用只有幾十年的歷史。

磁致伸縮液位計主要由導向管、表頭和浮子組成, 導向管內(nèi)裝有磁致伸縮波導絲, 浮子內(nèi)裝有磁鋼, 表頭內(nèi)裝有檢測線圈和電路組件, 浮球浮在液面上, 導向管穿過浮球中心垂直插在液體中。液面變動時, 浮球沿導向管上下運動。液面的高度與浮球高度一一對應。工作時, 電路組件發(fā)送一個電流脈沖給波導絲, 此電流脈沖在波導絲周圍產(chǎn)生一個脈沖磁場, 當這個脈沖磁場與浮子中的磁鋼磁場相遇時, 產(chǎn)生磁場切變, 該切變磁場作用于浮球所在位置的波導絲, 在波導絲局部范圍激發(fā)長度變化, 該長度變化又激發(fā)磁場脈沖。波導絲局部長度變化是一個縱波, 當縱波沿波導絲向表頭方向傳播時, 其激發(fā)的磁場脈沖一起沿波導絲傳向表頭, 當磁場脈沖到達表頭內(nèi)檢測線圈時, 在檢測線圈內(nèi)感應一電壓脈沖, 電路組件測量出從激勵電流脈沖發(fā)生到電壓脈沖接收之間的時間差tt, 用縱波沿波導絲運動速度v除t, 就得到縱波運動距離, 也就是浮球到表頭的距離s。電路組件用該距離s結(jié)合用戶輸入的另、滿信息計算出輸出電流值, 該輸出電流值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器變換成4~20m A電流輸出。

  波導管中超聲波的傳播速度一般在1800~2000m/s。當計時頻率為200MHz時, 以超聲波傳播速度2000m/s為例, 液位傳感器的測量分辨率Δ= (2000m/s) /200MHz=0.01mm。由此可見, 只要計數(shù)脈沖的頻率足夠高, 磁致伸縮液位傳感器的理論分辨率可以達到無窮小, 實際上可以達到甚至優(yōu)于0.01mm, 而且還可采用溫度補償?shù)却胧? 所以磁致伸縮傳感器能夠達到很高的準確度。

  傳感器由法蘭、連接導線、雙波導絲、感應線圈、骨架、屏蔽器、保護套管、磁鐵組件、外殼、阻尼器、連接線、固定塊和測量電路幾個部分組成。在每根波導絲的同側(cè)端部分別設有感應線圈, 感應線圈纏繞在高穩(wěn)定性骨架上, 屏蔽器分別包圍在感應線圈外部, 波導絲穿過骨架內(nèi)孔, 兩端分別與連接導線電氣連接, 在波導絲的另一側(cè)端部則分別設有阻尼器并用連接線相連。

  圖2為一種典型的安裝于儲罐中的液位傳感器總體結(jié)構(gòu)圖。測量電子單元在罐體之外, 包括脈沖發(fā)生、回波接收、信號檢測與處理電路。由不銹鋼或鋁合金材料做的保護套管套在波導管外, 插入液體中直達罐底, 底部固定在罐底。磁浮子可以有兩個, 一個測量油位, 另一個安放在波導管對應的油水界面處, 用于測量界位。若在波導管底端再設置一塊磁鐵, 還可以完成自校正功能, 使傳感器無須定期標定。

  如圖3所示, 當磁致伸縮波導絲上有縱向電流脈沖通過時, 沿波導絲產(chǎn)生脈動環(huán)形磁場, 在浮子出同時受到永磁場縱向磁場的作用, 圖中Ho為軸向穩(wěn)恒磁場, He為脈動環(huán)形磁場, 二者的合成磁場是螺旋形的, 脈動的螺旋磁場導致了螺旋形的磁致伸縮應變, 因而形成脈動的扭轉(zhuǎn)振動, 該扭轉(zhuǎn)振動以超聲波的形式向波導絲兩端傳播。磁致伸縮材料在外力作用下, 引起內(nèi)部發(fā)生形變, 產(chǎn)生應力, 使材料的磁化強度和磁導率發(fā)生相應的變化, 這種由于應力使此行材料性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為逆磁致伸縮效應。

具有恒定磁場感應強度B0的鐵磁棒形變時, 由于磁化狀態(tài)的改變, 附加的磁場強度為:

式中:

H為附加的磁場強度;

S為應變;

為磁致伸縮應力常數(shù), 是B0的函數(shù)。

分析磁鐵和線圈局部, 線圈開路, 跟據(jù)安倍環(huán)路定理:

式中:

φσ為漏磁通;

RΛσ為漏磁通通過的氣隙磁阻;

φδ主磁通;

RΛδ為主磁通通過的氣隙磁阻;

H為主磁通經(jīng)過的帶材內(nèi)部磁場強度;

l為帶材上主磁通經(jīng)過的有效長度;

Hm為永磁鐵內(nèi)部磁場強度;

lm為磁鐵的長度。

忽略漏磁通影響, 簡化計算, 得出:

當帶材振動, 所帶來的應變產(chǎn)生附件的磁場強度:

因此:

式中:Hm、lm、RΛδ、H、l均為常量。

求導可得:

已知:

式中:N為線圈匝數(shù)。

將式 (4) 、 (6) 代入式 (7) , 得出線圈上的感應電動勢:

因此, 當極化的鐵磁材料發(fā)生形變時, 要加大線圈感應電動勢, 需要采用以下措施:

(1) 增加線圈匝數(shù)N, 同時考慮放大電路的要求, 線圈匝數(shù)不宜過多, 以免線圈阻抗過大。

(2) 增加永磁鐵的磁感應強度, 同時也要避免帶材的磁飽和。

(3) 減小永磁鐵與帶材的氣隙磁阻RΛδ。

(4) 增加單位時間增強扭轉(zhuǎn)信號的強度d S/dt。

(5) 增加l, 但是帶材上的應變是由于振動產(chǎn)生的, l過長, 會導致在檢測有效長度內(nèi)同時有若干個振動周期, 使線圈內(nèi)信號變得雜亂。

磁致伸縮液位計以C8051單片機為核心, 利用變增益運算放大器對信號進行變增益放大, 保證信號檢測幅度恒定。激勵脈沖到檢測感應脈沖的時間差利用TDC的高頻時間芯片實現(xiàn), 類似于頻率檢測的測周期法。硬件檢測原理示意圖如圖4所示。

C 8 0 51單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MC U芯片。集成了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部2.4V基準源、2路12bytes數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及UART接口, 25MIPS的指令速度完全保證了單片機在磁致伸縮液位儀應用中的良好實時性。

差動放大電路將兩路檢測單元輸出的相位相反的檢測脈沖進行放大, 消除信號中的共模干擾, 提高信噪比。

二線制取能、儲能電路有著其獨特的設計要求, 換能器得工作電壓、電流消耗的短視功耗遠超過二線制儀表的***大允許指標, 故需要采用合理的儲能技術(shù)來減小換能器工作時帶來的輸出電流波動。本次4~20m A電流輸出分為3部分設計, 一路為控制系統(tǒng)啟動時產(chǎn)生一個20m A的大電流, 這個電流將迅速的為整個系統(tǒng)的儲能電路充電, 保證系統(tǒng)可盡快進入穩(wěn)定的工作狀態(tài), 當儀表正常工作后, 此電流會通過軟件控制關(guān)閉輸出;另一路電流為控制到3.5m A的一個偏置電流, 該電流保證了PWM控制信號即使不輸出, 系統(tǒng)也有一個穩(wěn)定的低報警電流信號輸出;***后一路控制電流為PWM形式的V/I轉(zhuǎn)換電路, 該電路模塊主要實現(xiàn)了物位信號作為標準4~20m A的電流信號變送輸出。

軟件的工作主要為采集現(xiàn)場傳感器的輸入信號, 處理成相應的距離值, 再同具體的設定值進行計算后輸出相應的報警信號, 負責協(xié)調(diào)和處理通信中斷的相應數(shù)據(jù)配置信息;軟件功能框圖見圖5。

軟件設計分為:主程序模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機界面處理模塊、通信模塊, 各個模塊程序框圖如圖6、圖7所示。

通信程序, 即HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的軟件實現(xiàn), 是整個智能變送器軟件設計的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)鏈路層軟件主要就是串行口接收/發(fā)送中斷子程序, 屬于中斷處理 (服務) 程序;應用層的軟件是對收到的命令幀進行翻譯和處理, 在主程序中被調(diào)用。通信發(fā)送流程如圖8所示, 通信接收流程圖如圖9所示。

  磁致伸縮液位計安裝于垂直并具有刻度的標準液位計鑒定平臺上, 浮子利用實驗臺上的游標卡尺加以固定, 通過鋼絲控制游標的升降, 對辭職伸縮液位計量程的0%、25%、50%、75%、100%進行5點的精度檢定, 其結(jié)果滿足±0.05%的測量誤差及±0.1mm的要求, 達到了高精度準確測量的效果。

“磁致伸縮液位計”產(chǎn)品的開發(fā)打破了國外對高精度測量液位計技術(shù)的壟斷, 實現(xiàn)了對其關(guān)鍵零部件的自主創(chuàng)新, 掌握了產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝技術(shù), 提升了液位工業(yè)的技術(shù)、工藝水平。