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，使得液位測量原理和測量方法不斷的發(fā)展與更新。同時工業(yè)生產(chǎn)對液位的測量要求也越來越高，因此需要我們研發(fā)更加先進的液位測量技術(shù)以滿足市場的需求。磁致伸縮液位變送器就是新一代液位測量產(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、安裝簡單、性價比高的等優(yōu)點，能同時滿足大量程、高精度、多參數(shù)的測量要求，有非常好的發(fā)展前景。本文將對磁致伸縮液位變送器的原理、應(yīng)用和故障分析進行闡述。

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作用時，在磁場方向材料長度發(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)的微觀來源是由于強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。施加外磁場后，其宏觀效應(yīng)是材料在磁力線方向的伸長或縮短。長度為L的磁體在磁場強度H的磁場中發(fā)生相對伸縮的值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)。在保護套管內(nèi)部有一根波導管。借助微處理器控制的傳感器電路，沿波導管發(fā)射電流脈沖，從而在波導管周圍產(chǎn)生一個環(huán)形磁場。浮子內(nèi)部有一組永久磁鐵，其磁場使波導管沿軸向磁化。兩個磁場疊加處會產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)脈沖，它沿波導管傳達到傳感器頂端，脈沖傳送時間將被電路單元獲取并計算。

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

其中V為彈性波速度，m/s；T為時間差，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方法

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

在發(fā)射脈沖電流的同時觸發(fā)計數(shù)器開始計時。產(chǎn)生回波經(jīng)脈沖經(jīng)放大后使計數(shù)器復位，則計數(shù)器N正比于時間間隔T。

時間分辨率為 △ T=T/N=1/f （a）

液位高度為 L=H-VT （b）

其中f為計數(shù)器脈沖頻率，Hz。

由式a可以看出時間分辨率△T與頻率的關(guān)系。計時頻率越高，間隔時間越精確，測量距離越準確。

波導管中傳送返回彈性波速度一般在1800—2000m/s。如果當計時頻率為200MHz時，以彈性波傳播速度2000m/s為例，液位變送器的測量分辨率為△=（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、信號檢測與處理電路、外殼），保護套管，波導管和磁浮子組成。變送器表頭放置在罐體之外，在波導管外面有不銹鋼或哈氏合金構(gòu)成的保護套管，直接固定在罐體頂部。如果波導管是軟管的話，底部需要用重錘或者掛環(huán)來固定。

變送器表頭里有單片機控制系統(tǒng)，可以探測到同一發(fā)射脈沖所產(chǎn)生的連續(xù)返回脈沖，所以可以在波導管上安裝2個浮子，分別用來測量液位和界位。在波導管底部固定一個校正磁環(huán)，可以完成自動校準功能。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浮子，同時進行液位和界位的測量。

3 磁致伸縮液位變送器的故障分析

3.1 變送器在現(xiàn)場校驗的時候，會出現(xiàn)浮子上下移動不靈活。大多數(shù)這種現(xiàn)象是有安裝不當引起的。檢查上下法蘭的中心是否在一條直線上，調(diào)整導波管使其垂直于水平面。

3.2 變送器使用一段時間以后會出現(xiàn)浮子上下移動困難的現(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 變送器在使用過程中，如果輸出信號產(chǎn)生不規(guī)則波動或有干擾源存在，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 變送器在使用過程中，不要用強磁鐵在連通管外上下拉動浮子檢查，以防止磁浮子磁化而改變極性。

3.5 選用本安型變送器時，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量，又能用于各類液罐的液位測量，且能給出位移移動信號，具有精度高、環(huán)境適應(yīng)性強、安裝方便等特點，因此在石油、化工、食品等領(lǐng)域內(nèi)取代了原有的傳統(tǒng)計量儀表。

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

結(jié)語

通過對磁致伸縮液位變送器原理的研究和分析，說明了該變送器精度高的原因。當然要想達到變送器高精度測量還必須配備精度高、穩(wěn)定性好的信號檢測電路。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]李國棟.當代磁學[M].中國科學技術(shù)大學出版社，1999.

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