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(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展, 液位測(cè)量原理和測(cè)量方法在不斷發(fā)展和更新;同時(shí), 工業(yè)生產(chǎn)也對(duì)液位測(cè)量提出了越來(lái)越高的要求, 要同時(shí)滿(mǎn)足高準(zhǔn)確度、大量程、多參數(shù)測(cè)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(mǎn)足這些測(cè)量要求, 采用磁致伸縮液位傳感器, 使這些問(wèn)題得到了較好的解決。

磁致伸縮液位計(jì)是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)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(jī)械、機(jī)床等行業(yè), 而在液位測(cè)量領(lǐng)域, 磁致伸縮液位計(jì)則廣泛應(yīng)用石油、化工等需要測(cè)量液位信號(hào)的場(chǎng)合。國(guó)外磁致伸縮液位計(jì)量程***高可達(dá)到30m, 傳感器測(cè)量精度可高達(dá)0.01%FS, 并且可以測(cè)量位移、液位、溫度等多參數(shù)信號(hào)。

  磁致伸縮液位計(jì)是基于磁致伸縮效應(yīng)。鐵磁材料或亞鐵磁材料在居里點(diǎn)溫度以下于磁場(chǎng)中被磁化時(shí), 會(huì)沿磁化方向發(fā)生微量伸長(zhǎng)和縮短, 稱(chēng)之為磁致伸縮效應(yīng), 又稱(chēng)焦耳效應(yīng)。磁致伸縮的產(chǎn)生是由于鐵磁材料在居里點(diǎn)溫度以下發(fā)生自發(fā)磁化, 形成大量磁疇, 并在每個(gè)磁疇內(nèi)晶格發(fā)生形變。在未加外磁場(chǎng)時(shí), 磁疇的磁化方向是隨機(jī)取向的, 不顯示宏觀效應(yīng);在有外磁場(chǎng)作用時(shí), 大量磁疇的磁化方向轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)磁力線(xiàn)方向, 其宏觀效應(yīng)表現(xiàn)為材料在磁力線(xiàn)方向的伸長(zhǎng)或縮短。

其材料變形的大小用磁致伸縮系數(shù)λs來(lái)度量, 即λs=ΔL/L。式中, L是受外磁場(chǎng)作用的物體總長(zhǎng), ΔL是物體長(zhǎng)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(qiáng)國(guó)如美國(guó)、德國(guó), 利用磁致伸縮原理開(kāi)發(fā)出了位移傳感器, 之后美國(guó)MTS公司首先將磁致伸縮原理用于液位測(cè)量技術(shù)上, 開(kāi)發(fā)出測(cè)量油罐液位的傳感器。磁致伸縮效應(yīng)在長(zhǎng)度測(cè)量、位移測(cè)量等方面得到了廣泛的應(yīng)用, 而在液位測(cè)量中的應(yīng)用只有幾十年的歷史。

磁致伸縮液位計(jì)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(cè)線(xiàn)圈和電路組件, 浮球浮在液面上, 導(dǎo)向管穿過(guò)浮球中心垂直插在液體中。液面變動(dòng)時(shí), 浮球沿導(dǎo)向管上下運(yùn)動(dòng)。液面的高度與浮球高度一一對(duì)應(yīng)。工作時(shí), 電路組件發(fā)送一個(gè)電流脈沖給波導(dǎo)絲, 此電流脈沖在波導(dǎo)絲周?chē)a(chǎn)生一個(gè)脈沖磁場(chǎng), 當(dāng)這個(gè)脈沖磁場(chǎng)與浮子中的磁鋼磁場(chǎng)相遇時(shí), 產(chǎn)生磁場(chǎng)切變, 該切變磁場(chǎng)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(zhǎng)度變化, 該長(zhǎng)度變化又激發(fā)磁場(chǎng)脈沖。波導(dǎo)絲局部長(zhǎng)度變化是一個(gè)縱波, 當(dāng)縱波沿波導(dǎo)絲向表頭方向傳播時(shí), 其激發(fā)的磁場(chǎng)脈沖一起沿波導(dǎo)絲傳向表頭, 當(dāng)磁場(chǎng)脈沖到達(dá)表頭內(nèi)檢測(cè)線(xiàn)圈時(shí), 在檢測(cè)線(xiàn)圈內(nèi)感應(yīng)一電壓脈沖, 電路組件測(cè)量出從激勵(lì)電流脈沖發(fā)生到電壓脈沖接收之間的時(shí)間差tt, 用縱波沿波導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)速度v除t, 就得到縱波運(yùn)動(dòng)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(hù)輸入的另、滿(mǎn)信息計(jì)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(jì)時(shí)頻率為200MHz時(shí), 以超聲波傳播速度2000m/s為例, 液位傳感器的測(cè)量分辨率Δ= (2000m/s) /200MHz=0.01mm。由此可見(jiàn), 只要計(jì)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(wú)窮小, 實(shí)際上可以達(dá)到甚至優(yōu)于0.01mm, 而且還可采用溫度補(bǔ)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(xiàn)、雙波導(dǎo)絲、感應(yīng)線(xiàn)圈、骨架、屏蔽器、保護(hù)套管、磁鐵組件、外殼、阻尼器、連接線(xiàn)、固定塊和測(cè)量電路幾個(gè)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(xiàn)圈, 感應(yīng)線(xiàn)圈纏繞在高穩(wěn)定性骨架上, 屏蔽器分別包圍在感應(yīng)線(xiàn)圈外部, 波導(dǎo)絲穿過(guò)骨架內(nèi)孔, 兩端分別與連接導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)相連。

  圖2為一種典型的安裝于儲(chǔ)罐中的液位傳感器總體結(jié)構(gòu)圖。測(cè)量電子單元在罐體之外, 包括脈沖發(fā)生、回波接收、信號(hào)檢測(cè)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(gè), 一個(gè)測(cè)量油位, 另一個(gè)安放在波導(dǎo)管對(duì)應(yīng)的油水界面處, 用于測(cè)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(wú)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(guò)時(shí), 沿波導(dǎo)絲產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)形磁場(chǎng), 在浮子出同時(shí)受到永磁場(chǎng)縱向磁場(chǎng)的作用, 圖中Ho為軸向穩(wěn)恒磁場(chǎng), He為脈動(dòng)環(huán)形磁場(chǎng), 二者的合成磁場(chǎng)是螺旋形的, 脈動(dòng)的螺旋磁場(chǎng)導(dǎo)致了螺旋形的磁致伸縮應(yīng)變, 因而形成脈動(dòng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng), 該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(qiáng)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(chēng)為逆磁致伸縮效應(yīng)。

具有恒定磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B0的鐵磁棒形變時(shí), 由于磁化狀態(tài)的改變, 附加的磁場(chǎng)強(qiáng)度為:

式中:

H為附加的磁場(chǎng)強(qiáng)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(xiàn)圈局部, 線(xiàn)圈開(kāi)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(guò)的氣隙磁阻;

φδ主磁通;

RΛδ為主磁通通過(guò)的氣隙磁阻;

H為主磁通經(jīng)過(guò)的帶材內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度;

l為帶材上主磁通經(jīng)過(guò)的有效長(zhǎng)度;

Hm為永磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度;

lm為磁鐵的長(zhǎng)度。

忽略漏磁通影響, 簡(jiǎn)化計(jì)算, 得出:

當(dāng)帶材振動(dòng), 所帶來(lái)的應(yīng)變產(chǎn)生附件的磁場(chǎng)強(qiáng)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(xiàn)圈匝數(shù)。

將式 (4) 、 (6) 代入式 (7) , 得出線(xiàn)圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):

因此, 當(dāng)極化的鐵磁材料發(fā)生形變時(shí), 要加大線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 需要采用以下措施:

(1) 增加線(xiàn)圈匝數(shù)N, 同時(shí)考慮放大電路的要求, 線(xiàn)圈匝數(shù)不宜過(guò)多, 以免線(xiàn)圈阻抗過(guò)大。

(2) 增加永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度, 同時(shí)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(shí)間增強(qiáng)扭轉(zhuǎn)信號(hào)的強(qiáng)度d S/dt。

(5) 增加l, 但是帶材上的應(yīng)變是由于振動(dòng)產(chǎn)生的, l過(guò)長(zhǎng), 會(huì)導(dǎo)致在檢測(cè)有效長(zhǎng)度內(nèi)同時(shí)有若干個(gè)振動(dòng)周期, 使線(xiàn)圈內(nèi)信號(hào)變得雜亂。

磁致伸縮液位計(jì)以C8051單片機(jī)為核心, 利用變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行變?cè)鲆娣糯? 保證信號(hào)檢測(cè)幅度恒定。激勵(lì)脈沖到檢測(cè)感應(yīng)脈沖的時(shí)間差利用TDC的高頻時(shí)間芯片實(shí)現(xiàn), 類(lèi)似于頻率檢測(cè)的測(cè)周期法。硬件檢測(cè)原理示意圖如圖4所示。

C 8 0 51單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(jī)在磁致伸縮液位儀應(yīng)用中的良好實(shí)時(shí)性。

差動(dòng)放大電路將兩路檢測(cè)單元輸出的相位相反的檢測(cè)脈沖進(jìn)行放大, 消除信號(hào)中的共模干擾, 提高信噪比。

二線(xiàn)制取能、儲(chǔ)能電路有著其獨(dú)特的設(shè)計(jì)要求, 換能器得工作電壓、電流消耗的短視功耗遠(yuǎn)超過(guò)二線(xiàn)制儀表的***大允許指標(biāo), 故需要采用合理的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)減小換能器工作時(shí)帶來(lái)的輸出電流波動(dòng)。本次4~20m A電流輸出分為3部分設(shè)計(jì), 一路為控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)20m A的大電流, 這個(gè)電流將迅速的為整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)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(huì)通過(guò)軟件控制關(guān)閉輸出;另一路電流為控制到3.5m A的一個(gè)偏置電流, 該電流保證了PWM控制信號(hào)即使不輸出, 系統(tǒng)也有一個(gè)穩(wěn)定的低報(bào)警電流信號(hào)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(shí)現(xiàn)了物位信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)4~20m A的電流信號(hào)變送輸出。

軟件的工作主要為采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入信號(hào), 處理成相應(yīng)的距離值, 再同具體的設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算后輸出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào), 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(jiàn)圖5。

軟件設(shè)計(jì)分為:主程序模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)界面處理模塊、通信模塊, 各個(gè)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(shí)現(xiàn), 是整個(gè)智能變送器軟件設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)安裝于垂直并具有刻度的標(biāo)準(zhǔn)液位計(jì)鑒定平臺(tái)上, 浮子利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的游標(biāo)卡尺加以固定, 通過(guò)鋼絲控制游標(biāo)的升降, 對(duì)辭職伸縮液位計(jì)量程的0%、25%、50%、75%、100%進(jìn)行5點(diǎn)的精度檢定, 其結(jié)果滿(mǎn)足±0.05%的測(cè)量誤差及±0.1mm的要求, 達(dá)到了高精度準(zhǔn)確測(cè)量的效果。

“磁致伸縮液位計(jì)”產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)打破了國(guó)外對(duì)高精度測(cè)量液位計(jì)技術(shù)的壟斷, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)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。