隨著科學(xué)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(zhǔn)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(yīng)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(yīng)用于機械、機床等行業(yè), 而在液位測量領(lǐng)域, 磁致伸縮液位計則廣泛應(yīng)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(dá)到30m, 傳感器測量精度可高達(dá)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(yīng)。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(yīng), 又稱焦耳效應(yīng)。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(yīng);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(yīng)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(jì)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(yīng)在長度測量、位移測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用, 而在液位測量中的應(yīng)用只有幾十年的歷史。

磁致伸縮液位計主要由導(dǎo)向管、表頭和浮子組成, 導(dǎo)向管內(nèi)裝有磁致伸縮波導(dǎo)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(dǎo)向管穿過浮球中心垂直插在液體中。液面變動時, 浮球沿導(dǎo)向管上下運動。液面的高度與浮球高度一一對應(yīng)。工作時, 電路組件發(fā)送一個電流脈沖給波導(dǎo)絲, 此電流脈沖在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生一個脈沖磁場, 當(dāng)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(dǎo)絲, 在波導(dǎo)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(dǎo)絲局部長度變化是一個縱波, 當(dāng)縱波沿波導(dǎo)絲向表頭方向傳播時, 其激發(fā)的磁場脈沖一起沿波導(dǎo)絲傳向表頭, 當(dāng)磁場脈沖到達(dá)表頭內(nèi)檢測線圈時, 在檢測線圈內(nèi)感應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)管中超聲波的傳播速度一般在1800~2000m/s。當(dāng)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(dá)到無窮小, 實際上可以達(dá)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(dá)到很高的準(zhǔn)確度。

  傳感器由法蘭、連接導(dǎo)線、雙波導(dǎo)絲、感應(yīng)線圈、骨架、屏蔽器、保護(hù)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(dǎo)絲的同側(cè)端部分別設(shè)有感應(yīng)線圈, 感應(yīng)線圈纏繞在高穩(wěn)定性骨架上, 屏蔽器分別包圍在感應(yīng)線圈外部, 波導(dǎo)絲穿過骨架內(nèi)孔, 兩端分別與連接導(dǎo)線電氣連接, 在波導(dǎo)絲的另一側(cè)端部則分別設(shè)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(hù)套管套在波導(dǎo)管外, 插入液體中直達(dá)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(dǎo)管對應(yīng)的油水界面處, 用于測量界位。若在波導(dǎo)管底端再設(shè)置一塊磁鐵, 還可以完成自校正功能, 使傳感器無須定期標(biāo)定。

  如圖3所示, 當(dāng)磁致伸縮波導(dǎo)絲上有縱向電流脈沖通過時, 沿波導(dǎo)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(dǎo)致了螺旋形的磁致伸縮應(yīng)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(dǎo)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(yīng)力, 使材料的磁化強度和磁導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)的變化, 這種由于應(yīng)力使此行材料性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為逆磁致伸縮效應(yīng)。

具有恒定磁場感應(yīng)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(yīng)變;

為磁致伸縮應(yīng)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(dāng)帶材振動, 所帶來的應(yīng)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(dǎo)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(yīng)電動勢:

因此, 當(dāng)極化的鐵磁材料發(fā)生形變時, 要加大線圈感應(yīng)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(yīng)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(yīng)變是由于振動產(chǎn)生的, l過長, 會導(dǎo)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(jìn)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)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(jìn)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(shè)計要求, 換能器得工作電壓、電流消耗的短視功耗遠(yuǎn)超過二線制儀表的***大允許指標(biāo), 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(shè)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(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài), 當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的距離值, 再同具體的設(shè)定值進(jìn)行計算后輸出相應(yīng)的報警信號, 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和處理通信中斷的相應(yīng)數(shù)據(jù)配置信息;軟件功能框圖見圖5。

軟件設(shè)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(yīng)用層的軟件實現(xiàn), 是整個智能變送器軟件設(shè)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(wù)) 程序;應(yīng)用層的軟件是對收到的命令幀進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)液位計鑒定平臺上, 浮子利用實驗臺上的游標(biāo)卡尺加以固定, 通過鋼絲控制游標(biāo)的升降, 對辭職伸縮液位計量程的0%、25%、50%、75%、100%進(jìn)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(dá)到了高精度準(zhǔn)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。