高精度磁致伸縮液位計及其應用

許 剛，王景林，陳洪巖，趙廣巖

（1 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧阜新123000；2 遼寧省煤制天然氣工程技術(shù)研究中心，遼寧阜新123000；3 遼寧省煤制天然氣工程研究中心，遼寧阜新123000；4 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司企業(yè)博士后科研基地，遼寧阜新123000）

磁致伸縮現(xiàn)象，是指一種鐵磁物質(zhì) （磁性材料）由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化。大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸伸長 （或縮短），去掉外磁場后，其又恢復原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象 （或效應）。

1 工作原理

圖1展示了磁致伸縮產(chǎn)品的主要測量原理。在磁致桿的內(nèi)部有一根被繃緊的磁致伸縮線 （圖1中1），電子模塊向磁致伸縮線上發(fā)射脈沖信號并且通過磁致伸縮線傳送 （圖1中2），在周圍產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場 （圖1中3）；磁致桿中 （或者附近）的浮子，內(nèi)部有一永久磁鐵 （圖1中4）；當旋轉(zhuǎn)磁場到達浮子時，與浮子的永久磁場相互作用。其結(jié)果導致磁致伸縮線將產(chǎn)生一個瞬時的扭力 （圖1中5），同時產(chǎn)生返回脈沖，該脈沖沿磁致伸縮線向兩端傳送，一端傳向傳感管的頂端；另一端傳向傳感管的底部。脈沖傳播的速度是一個恒定值，因此通過計算起始脈沖與返回脈沖之間的時間差就可以精確地計算出被測液體的液位或界位。磁致伸縮產(chǎn)品主要由波導絲、電子部件和浮子等部件組成。

圖1 磁致伸縮產(chǎn)品的主要測量原理

2 高精度和高可靠性

在20世紀90年代，將這技術(shù)引入了液位和界位測量，也將液位測量水平大幅度提高，進口的磁致的測量精度可以達到±0.25 mm，長距離也是同樣的指標，分辨率優(yōu)于±0.1 mm。與其它同類的儀表精度說法不同，大多數(shù)儀表的精度是按照量程的百分數(shù)或者為讀數(shù)的百分數(shù)，這里是絕對距離的誤差，使用的線性化處理方式不同。圖2為一支3000 mm長的磁致正行程 （從小到大，上曲線）標定曲線；下曲線為反行程，上下2根線為±0.25 mm的標定上下精度范圍。一次標定可以標8支，每2 mm標定一個點，約1 min可以來回標定1次，整個過程為全自動的標定。

圖2 磁致正反行程示意圖

3 主要運用和安裝方法

磁致伸縮變送器成為一種高精度 （可以作為貿(mào)易級）、高穩(wěn)定性和低功耗的液位／介位測量現(xiàn)場二線制儀表，輸出是4～20 m A或者4～20 m A＋HART輸出，提供全方位的儲罐液位和界位信息。磁致伸縮變送器可以使用在各種工況比較復雜的行業(yè)，如石油、化工、電力、造紙、船舶等行業(yè)；可以用于過程罐、儲罐的液位測量；可以是單獨頂部安裝使用，也可以與磁翻板外綁、外浮筒頂部安裝（單腔／雙腔）使用，使用方法簡單和靈活。因此，只要有液位罐，需要信號遠傳就有它的 “用武”之地。磁致伸縮變送器有3種安裝方式，滿足不同介質(zhì)和罐體情況的需要。

（1）與磁翻版捆綁使用 ［圖3（a）］ 借磁翻板中浮子傳遞液位／界位；由于磁翻版的浮子可以承受比較高的壓力和溫度、比較小的密度，因為磁翻板中的浮子中央沒有孔，空腔的體積比較大，可以做到壓力35 MPA、450℃、密度0.4 g／cm3。可以適應許多高溫高壓的場合，如汽包水位、高壓水、腐蝕介質(zhì)等都可以選擇這種方案。

圖3 磁致伸縮變送器安裝方式

（2）外浮筒＋頂部安裝 ［圖3（b）］ 通常用于罐內(nèi)有攪拌、結(jié)構(gòu)比較復雜的過程罐，零點和滿度固定，只要頂部卡套式接頭的位置正確就能夠保證全量程的正確。安裝時，需要注意零點／滿度標定時所作的標記 （用于固定卡套式接頭上螺帽的位置）。

（3）罐頂安裝 ［圖3（c）］ 對于這種應用，安裝和調(diào)試比較復雜。因為磁致伸縮桿不一定插到底，有一定的盲區(qū) （Mo），探桿本身也有一定的盲區(qū) （起碼是半個浮子和底部定位環(huán)的高度）。同時罐體的滿度 （20 m A）與罐頂?shù)木嚯x通常也不確定，安裝支架的高度也不確定，所以通常需要在訂購時，探桿長度需要留有足夠的余度。選型時會根據(jù)圖示要求確定探桿長度，采購和安裝前，需要在圖紙上注明各點的距離，用于4 m A和20 m A的離線標定，出廠時有標示卡套式接頭的固定位置。

如果需要同時測量液位還界位，就需要2個浮子，分別浮在液位上和界位上，磁致將有2路獨立的4～20 m A輸出，或者通過HART遠傳給DCS。

就磁致伸縮而言，核心技術(shù)在波導絲、傳導磁致伸縮現(xiàn)象的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的浮子。中國科學家已經(jīng)研發(fā)出了波導絲，開始生產(chǎn)出一些低端的工業(yè)用波導絲，但目前高端波導絲還是受國外壟斷和控制。

4 穩(wěn)定性

由于浮子是穿在測量桿上，可以用于有攪拌的過程罐中，所以穩(wěn)定性好，不像導波雷達的 （軟纜＋重錘）需要有固定 （在有攪拌時），液位變化基本上是按照實際的液位變化，靈敏度高，實時性好（比干簧管要靈敏的多）；由于電子部分只是發(fā)送脈沖信號，不需要什么功率部件，功耗很小，很容易實現(xiàn)二線制，供電范圍寬，最大功耗為1 W。德國原裝的磁致伸縮的平均無故障率可以達到大于400年，達到SILII（國際安全等級2級），出產(chǎn)品故障的概率小于0.1%。

5 量 程

量程范圍通常為200～6000 mm（硬桿），軟纜一般可以到20 m左右。由于產(chǎn)品原理的要求，必須將波導絲繃直，少許一點不直，就不能正常工作，所以大多數(shù)的應用是選擇硬桿方式。對于軟纜，通常進口磁致與國產(chǎn)的磁致做法不太相同，一個是外導管，國產(chǎn)的大多為重錘方式?？偟膩碚f，磁致的軟纜可靠性遠不如硬桿的磁致，不太建議使用軟纜。用導波雷達或者射空雷達來取代。

6 離線標定

由于磁致伸縮是可以離線標定4～20 m A，不需要與被測介質(zhì)實標 （許多物理量型的液位產(chǎn)品需要實標），這里只要離線 （用浮子的上下移動）按動幾次按鍵，將可以確定零點和滿度，可以是頂?shù)?～20 m A，或者底頂4～20 m A；同時可以設定出錯模式，可以是3.5 m A或者21.5 m A。整個設置工作只需要1 min內(nèi)完成。

7 與其它不同原理產(chǎn)品相比較

液位測量是古老的話題，有許多測量方法和產(chǎn)品。

（1）磁致伸縮 屬于浮子類的產(chǎn)品，需要一個浮子浮在液面上，中央有一個12 mm的鋼管，有隨液位變化而移動的浮子。有移動部件，如果介質(zhì)會掛料或者介質(zhì)黏度比較大，就有可能會卡；同時有浮子，存在密度問題，因此密度必須合適才可以保證相關的精度。界位測量和測量精度都是依靠浮子的設計精度。

（2）干簧管 情形基本相同，只是干簧管測量精度比較低（10 mm／5 mm），可靠性要低得多（電阻回路全部為串聯(lián)電路），但是價格要便宜的多。

（3）導波雷達產(chǎn)品 沒有移動部件，但是有一根導波纜或者桿；對于掛料和高黏度有類似的問題，當然要比磁致好的多。導波雷達的測量原理是需要知道介電常數(shù)的大小，與密度無關，所以受溫度壓力影響不大。

（4）射頻導納 不受溫度壓力影響，只是與罐壁與探桿之間的電容、電阻、電感有關，與介質(zhì)的相對介電常數(shù)有關，但是需要實標零點和滿度。

8 常見故障

（1）浮子過壓進水，浮子的承壓裕度不夠 在試壓過程和系統(tǒng)調(diào)試中，壓力超過或者接近浮子設計壓力，所以數(shù)據(jù)表一定要描述清楚工作壓力和設計壓力。由于磁致的浮子結(jié)構(gòu)比較復雜，不太容易同時滿足高壓高溫和低密度，浮子最高壓力一般比設計壓力高出1.2倍左右就很不錯了。所以在高壓打壓時，不能過壓太大和時間過長，或者將浮子取出來。

（2）磁鋼高溫消磁 一般磁致的浮子磁鋼為鋁鎳硼或者鋁鎳鈷，最高溫度可以達450℃，長期工作溫度可以維持在350℃左右，所以波導絲和浮子溫度范圍是一個產(chǎn)品的重要指標，波導絲的溫度通常有－40～125℃、－65～250℃和－40～450℃之分，不同的溫度 （標準，高溫，超高溫），產(chǎn)品價格不同，所以需要根據(jù)介質(zhì)工作溫度選擇合適的產(chǎn)品溫度范圍和溫度等級，不然會導致超過該產(chǎn)品的額定溫度 （居里溫度點），波導絲將不再出現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象，產(chǎn)品無法正常工作，但是溫度降低之后，產(chǎn)品仍然可以正常工作。但是浮子長期在高溫之下，浮子中的磁鐵將永久消磁，必須更換。

（3）產(chǎn)品腔體內(nèi)部進水造成波導絲生銹斷 由于電氣接口的標準原因，原廠家一般配有帶防水的M16×1.5類型接口，里面有一個防水密封墊；但是用戶側(cè)通常希望為1／2″NPT，而NPT接口中央是空心的，沒有可以收緊的橡膠密封圈，安裝接線時也沒有將導線安裝標準進行，或者就沒有擰／擰緊固定螺帽，導致在下雨時，有水進入腔體內(nèi)部。由于工業(yè)用是波導絲都是鐵鎳絲，主要成分為鐵絲，受水泡了之后，自然就斷了，無法正常工作。

（4）低溫冷凝水 如果介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度差超過－30℃之后，如果接線端子沒有密封好，沒有有效隔絕空氣的話，就會有潮濕氣體進入波導絲腔，在波導絲上形成冷凝水，無法出現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象。解決方法就是將內(nèi)外結(jié)合部用硅膠等密封材料將進線口嚴格密封就可以了。這類問題是常發(fā)生在低溫介質(zhì)中。

（5）輸出突跳 這類問題有所會出現(xiàn)在與磁翻板外棒的產(chǎn)品組合，由于磁翻板中的浮子磁鋼結(jié)構(gòu)差異，要求外綁的磁致的位置有一定要求，與磁翻板翻片有一個夾角要求，如30°或者45°。如果安裝位置不正確，或者某種原因，讓磁翻板的浮子發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，就會讓浮子中的磁鋼失去對磁致的控制，出現(xiàn)磁致的輸出跳到出錯模式。輸出將出現(xiàn)突跳，直到浮子有轉(zhuǎn)回來。所以對于磁翻板外綁磁致方式需要定期檢查安裝位置。

9 結(jié) 語

過程自動化環(huán)節(jié)是一個復雜的閉環(huán)控制，要想提高企業(yè)自動化水平和管理水平，就一定要解決好傳感器的選擇，市場中眾多的不同產(chǎn)品，不一定最貴的產(chǎn)品為最合適的。在企業(yè)自動化產(chǎn)品選擇中，首先要根據(jù)工藝參數(shù)和要求，確定傳感器的工作原理，確定使用什么類型的傳感器，然后再看具體參數(shù)，比較不同廠家的相同點和差異性，比較各自的特點，要將可靠性和產(chǎn)品穩(wěn)定性放在第一位，千萬不要將價格放在第一位，因為自動化儀表在現(xiàn)場需要一天運行24 h，一周7天，一年365天，分分秒秒需要它堅守崗位和職責，停機維修將會帶來更大的損失。

磁致伸縮液位計是一個高精度和高可靠性的產(chǎn)品，安裝簡單，調(diào)試簡單，與其它原理的產(chǎn)品相比，服務少，故障少，只是安裝方式需要根據(jù)工藝條件來選擇，根據(jù)溫度壓力和密度選擇合適的產(chǎn)品和指標。