磁致伸縮液位變送器的原理與應(yīng)用

李 利 曲秋江

（遼寧金洋科技發(fā)展集團(tuán)有限公司，遼寧 丹東 118000）

隨著傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，使得液位測(cè)量原理和測(cè)量方法不斷的發(fā)展與更新。同時(shí)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)液位的測(cè)量要求也越來(lái)越高，因此需要我們研發(fā)更加先進(jìn)的液位測(cè)量技術(shù)以滿足市場(chǎng)的需求。磁致伸縮液位變送器就是新一代液位測(cè)量產(chǎn)品中的佼佼者。它具有質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)越、使用壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)滿足大量程、高精度、多參數(shù)的測(cè)量要求，有非常好的發(fā)展前景。本文將對(duì)磁致伸縮液位變送器的原理、應(yīng)用和故障分析進(jìn)行闡述。

1 磁致伸縮液位變送器原理

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

磁致伸縮效應(yīng)是指磁體材料受外磁場(chǎng)作用時(shí)，在磁場(chǎng)方向材料長(zhǎng)度發(fā)生微小的變化。磁致伸縮效應(yīng)于1842年由焦耳（Joule，J. P）發(fā)現(xiàn)，故又稱焦耳效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的微觀來(lái)源是由于強(qiáng)磁體中的磁電子磁矩系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)的耦合作用，即通過(guò)磁自旋波與晶格彈性波之間的相互作用而產(chǎn)生的。施加外磁場(chǎng)后，其宏觀效應(yīng)是材料在磁力線方向的伸長(zhǎng)或縮短。長(zhǎng)度為L(zhǎng)的磁體在磁場(chǎng)強(qiáng)度H的磁場(chǎng)中發(fā)生相對(duì)伸縮的值A(chǔ)=△L/L，即A為磁致伸縮常數(shù)。

1.2 傳感器組成與工作原理

磁致伸縮液位變送器原理是基于磁致伸縮效應(yīng)。在保護(hù)套管內(nèi)部有一根波導(dǎo)管。借助微處理器控制的傳感器電路，沿波導(dǎo)管發(fā)射電流脈沖，從而在波導(dǎo)管周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)。浮子內(nèi)部有一組永久磁鐵，其磁場(chǎng)使波導(dǎo)管沿軸向磁化。兩個(gè)磁場(chǎng)疊加處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)脈沖，它沿波導(dǎo)管傳達(dá)到傳感器頂端，脈沖傳送時(shí)間將被電路單元獲取并計(jì)算。

通過(guò)檢測(cè)發(fā)射脈沖與返回彈性波的時(shí)間差，即可計(jì)算出液位。由于電流以光速傳播，從發(fā)射端到磁浮子之間的時(shí)間可以忽略不計(jì)，所以只要測(cè)量出磁浮子反饋信號(hào)到檢測(cè)端的時(shí)間就可以知道磁浮子與檢測(cè)端的距離h。由于脈沖是連續(xù)不斷的，所以距離h是實(shí)時(shí)更新的。即 h=VT，L=H-VT

其中V為彈性波速度，m/s；T為時(shí)間差，s；H為油罐高度，m；L為液位高度，m。

1.3 磁致伸縮傳感器的檢測(cè)方法

從上述分析可得，磁致伸縮傳感器是通過(guò)檢測(cè)脈沖發(fā)射與回波接受之間的時(shí)間差，然后計(jì)算得到液位高度。由此可見，計(jì)數(shù)器的脈沖時(shí)間直接決定了磁致伸縮液位變送器的測(cè)量精度。

在發(fā)射脈沖電流的同時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。產(chǎn)生回波經(jīng)脈沖經(jīng)放大后使計(jì)數(shù)器復(fù)位，則計(jì)數(shù)器N正比于時(shí)間間隔T。

時(shí)間分辨率為 △ T=T/N=1/f （a）

液位高度為 L=H-VT （b）

其中f為計(jì)數(shù)器脈沖頻率，Hz。

由式a可以看出時(shí)間分辨率△T與頻率的關(guān)系。計(jì)時(shí)頻率越高，間隔時(shí)間越精確，測(cè)量距離越準(zhǔn)確。

波導(dǎo)管中傳送返回彈性波速度一般在1800—2000m/s。如果當(dāng)計(jì)時(shí)頻率為200MHz時(shí)，以彈性波傳播速度2000m/s為例，液位變送器的測(cè)量分辨率為△=（2000m/s）/200MHz=0.01mm。

2 磁致伸縮液位變送器構(gòu)成

磁致伸縮液位變送器是由變送器表頭（包括脈沖發(fā)生源、回波接收器、信號(hào)檢測(cè)與處理電路、外殼），保護(hù)套管，波導(dǎo)管和磁浮子組成。變送器表頭放置在罐體之外，在波導(dǎo)管外面有不銹鋼或哈氏合金構(gòu)成的保護(hù)套管，直接固定在罐體頂部。如果波導(dǎo)管是軟管的話，底部需要用重錘或者掛環(huán)來(lái)固定。

變送器表頭里有單片機(jī)控制系統(tǒng)，可以探測(cè)到同一發(fā)射脈沖所產(chǎn)生的連續(xù)返回脈沖，所以可以在波導(dǎo)管上安裝2個(gè)浮子，分別用來(lái)測(cè)量液位和界位。在波導(dǎo)管底部固定一個(gè)校正磁環(huán)，可以完成自動(dòng)校準(zhǔn)功能。設(shè)罐體總高H，返回脈沖從油面、油水界面和罐底返回的時(shí)間分別為T1、T2、T3，則：

油位：H1=H（T3-T1）/T3

水位：H2=H（T3-T2）/T3

故可以在液位變送器上配多個(gè)浮子，同時(shí)進(jìn)行液位和界位的測(cè)量。

3 磁致伸縮液位變送器的故障分析

3.1 變送器在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)浮子上下移動(dòng)不靈活。大多數(shù)這種現(xiàn)象是有安裝不當(dāng)引起的。檢查上下法蘭的中心是否在一條直線上，調(diào)整導(dǎo)波管使其垂直于水平面。

3.2 變送器使用一段時(shí)間以后會(huì)出現(xiàn)浮子上下移動(dòng)困難的現(xiàn)象。這主要是由于磁浮子上沾有鐵屑或其他雜質(zhì)。要先排空罐體，取出浮子，清除磁浮子上的鐵屑或其他雜質(zhì)即可。

3.3 變送器在使用過(guò)程中，如果輸出信號(hào)產(chǎn)生不規(guī)則波動(dòng)或有干擾源存在，要檢查該屏蔽電纜是否可靠接地，工作接地電阻是否滿足要求。

3.4 變送器在使用過(guò)程中，不要用強(qiáng)磁鐵在連通管外上下拉動(dòng)浮子檢查，以防止磁浮子磁化而改變極性。

3.5 選用本安型變送器時(shí)，注意變送器與安全柵是否匹配。

4 磁致伸縮液位變送器的應(yīng)用及發(fā)展前景

隨著技術(shù)發(fā)展，高新技術(shù)在各行業(yè)中得到了更廣泛的應(yīng)用，高科技含量的磁致伸縮液位變送器既能用于直線位移測(cè)量，又能用于各類液罐的液位測(cè)量，且能給出位移移動(dòng)信號(hào)，具有精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)，因此在石油、化工、食品等領(lǐng)域內(nèi)取代了原有的傳統(tǒng)計(jì)量?jī)x表。

磁致伸縮技術(shù)不光可以用于罐區(qū)測(cè)量，它還在聲納的水聲換能器技術(shù)、電聲換能器技術(shù)、海洋探測(cè)與開發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動(dòng)、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、自動(dòng)化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、泵、波動(dòng)采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)磁致伸縮液位變送器原理的研究和分析，說(shuō)明了該變送器精度高的原因。當(dāng)然要想達(dá)到變送器高精度測(cè)量還必須配備精度高、穩(wěn)定性好的信號(hào)檢測(cè)電路。最后列舉了一下該變送器常見故障以及變送器發(fā)展前景。

[1]李國(guó)棟.當(dāng)代磁學(xué)[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

[2]任波，陳祥光，姜波等.磁致伸縮液位變送器機(jī)理研究[J].傳感器技術(shù)，2003，22（01）：15-18.