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磁致伸縮液位傳感器機理研究

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-06-15 11:59

         隨著科學技術的迅猛發展 ,尤其是新材料的不斷涌現和計算機、通信技術的飛速發展 ,液位測量原理和方法也不斷發展和更新。同時 ,工藝的要求也對液位測量提出了越來越高的要求。例如高達幾十米的大型儲油罐油位、水位等測量 ,要同時滿足高準確度、大量程、多參數測量的要求 ,傳統的浮子式、電阻式、電容式、超聲波、雷達式等液位傳感器都不能滿足測量要求 ,磁致伸縮原理的引入 ,使這個問題得到了解決。相對于傳統傳感器 ,磁致伸縮液位傳感器具有壽命長、準確度高、多參數測量、安全性好、易于安裝和維護 ;便于系統自動化工作等優點。國外的產品 ,量程為 18 m 的磁致伸縮液位儀準確度可達0. 025 %FS 或 0. 508 mm ,并且同時可測量液位、界面和溫度等多參數 。形成了系列化的產品 ,國內的研究還處于起步階段 ,本文對磁致伸縮液位傳感器的機理進行了深入的分析與研究。

1  傳感器的總體結構及工作原理
       磁致伸縮液位傳感器是由測量頭 (包括脈沖發生 ,回波接收 ,信號檢測與處理電路) ,波導管和磁浮子組成。其中測量頭裝置在罐體之外 ,波導管外有不銹鋼或鋁合金的保護套管 ,插入液體中直達罐底 ,底部固定在罐底 ,磁浮子可以有兩個 ,一個測量液位 ,一個測量界位。
       磁致伸縮液位傳感器是綜合利用浮力效應、磁致伸縮效應、電磁效應、磁機械 (超聲) 效應等原理進行工作 ,通過檢測從發生電脈沖至接收到磁浮子的返回脈沖之間的時間間隔來計算液面和界面的位置。由于時間量檢測可以達到很高的準確度 ,而且還可采用溫度補償等措施 ,所以磁致伸縮傳感器能夠達到很高的準確度 。
       移動的磁浮子在波導管中產生一軸向磁場 ,脈沖發生電路產生電脈沖 ,沿著銅絲傳播 ,在銅絲周圍產生一環形磁場隨著電脈沖一道以光速傳播 ,當遇到磁浮子的軸向磁場時合成一個瞬間的傾斜磁場 ,根據威德曼 ( Wiedemann) 效應 ,將在波導管中產生一個扭轉彈性波 ,彈性波以恒定的超聲速向波導管兩端傳播 ,在測量頭一端被回波接收器接收轉換為電脈沖 ,通過檢測兩個電脈沖的時間差 ,即可計算出液位。
       在波導管對應與界面 (如油水界面) 有一個磁浮子 ,使得傳感器可同時測量液位和界位 ,達到多參數的要求 ,同時 ,若在波導管底端再設置一個磁鐵 ,還可以完成自校正功能 ,使傳感器無須定期標定。
2  傳感器機理分析
2. 1  磁致伸縮原理
       鐵磁材料或亞鐵磁材料在居里點溫度以下 ,在磁場中被磁化時 ,會沿磁化方向發生微量伸長和縮短 ,稱之為磁致伸縮效應 ,又稱焦耳 (Joule) 效應。磁致伸縮的產生是由于鐵磁材料在居里點溫度以下發生自發磁化 ,形成大量磁疇。在每個磁疇內 , 晶格發生形變。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; 在外磁場中 , 大量磁疇的磁化方向轉向外場 , 其宏觀效應即是材料在磁力線方向的伸長或縮短。長度為 L 的磁性體外加磁場 H時 ,相對伸縮的值λ = ΔL / L ,λ即為磁致伸縮常數。晶體磁致伸縮一般是各向異性的。
相反 ,由于形狀變化 ,致使磁化強度發生變化的現象 ,稱為磁致伸縮逆效應 (Villary 效應) 。
磁致伸縮液位傳感器
2. 2  磁致伸縮位移傳感原理
        磁致伸縮效應在位移檢測中已得到廣泛應用 ,利用磁致伸縮波導管來測量磁鐵位移的工作原理是 ,利用兩個不同的磁場相交使波導管發生波導扭曲 ,產生一個超聲波信號 ,然后計算這個信號被探測所需的時間 , 便能換算出動磁鐵的準確位置。圖 3 中 ,位于中央的是形成機械彈性波的磁致伸縮波導管 , 在它的軸向方向配置非接觸移動的磁體 ,給磁致伸縮波導管產生軸向磁場。當在金屬線上有一個軸向的電流脈沖時 , 在波導管上則產生周向磁場 ,周向和軸向磁場矢量合成傾斜磁場 ,因周向磁場產生于瞬間 , 所以 , 傾斜磁場也瞬間產生。一旦波導管中的磁場瞬間變化時 ,根據威德曼效應 ,金屬隨其瞬間變形產生波導扭曲 , 同時產生一個應變脈沖的超聲波信號 , 在波導管中以固定的速度向兩端傳播。
       由于 G和ρ均是恒定 (對于一定的波導管來說)的 ,所以傳播速度也恒定 , 約為 3 km/ s。當超聲波沿波導管傳到控制器一端時 , 超聲波被固連在波導管上的回波接受裝置接收轉換為電脈沖 , 該脈沖經放大送到主要由計數器所組成的測量電路中。因為超聲波在波導管中是以恒速傳播的 , 所以只要測出脈沖發射與脈沖接收兩者之間的時間間隔 , 乘以這個固定速度 ,即可得到磁鐵的位置 , 實現位置檢測。這個過程是連續不斷的 , 所以 , 每當磁鐵移動時 , 新的位置就被感測出來 。
磁鐵位置 = 時差傳送速度 - 零點位置
       由于磁鐵距離傳感器的電子檢測裝置越遠 , 聲波傳播所需的時間就越長 , 所以傳感器的更新時間與距離成正比。
最長更新時間 = (量程 +零點位置) / 傳送速度
2. 3  液位測量原理
       在上述的位移傳感器中 , 若將磁環裝置在浮子中 ,而將波導管垂直安裝在罐中 , 則磁環 (磁浮子)隨著液面 (界面) 的變化上下滑動 , 與上述原理相同 ,即可測得磁浮子的位置從而得出液面 (界面) 。
2. 4  采用管狀傳遞超聲波機理分析
       波導管是一根外徑為 0. 55 mm , 壁厚 0. 05 mm的細長管子 ,管子里面裝有一根絕緣銅絲 ,為了保護和屏蔽 ,在波導管外套一個屏蔽管 ,屏蔽管可以是不銹鋼或鋁合金等 , 波導管材料的成分主要是鐵鎳合金。Wiedemann 效應既可發生在波導線中 , 也可發生在波導管中 ,采用波導管和銅線的結構是因為波導管和銅線功能分離 ,互不干擾。波導管只需傳遞扭轉波 ,因此只需考慮其磁導率;銅導線用來傳遞電脈沖。若僅采用波導線 , 除了要考慮它的磁導率外 , 還得考慮它的電導率 , 無疑給波導管材料的選擇帶來困難。相同外徑的波導管和波導線在同樣大小的扭轉波的作用下 ,材料變形量顯然是前者大 , 后者小 , 也就是說波導管的信號更容易被回波接收裝置轉變成電脈沖信號加以接收。
       由于趨膚效應 , 電流脈沖在固體鐵磁波導線中傳播時 ,電脈沖沿波導線最外層傳播 ,因而不能得到完全的磁感應。當銅導線在波導管內傳遞電脈沖時 ,管中得到完全的磁感應 , 從而可得到更強感應的應力脈沖 ,該脈沖寬度較窄 , 亦即可得到高頻響應 , 使測量值更好。
2. 5  彈性回波的接收
       波導管上焊接的兩條窄金屬帶上繞著線圈 ,線圈處在由小磁鐵產生的旁路磁場中 ,當彈性扭轉回波傳到這里時 , 轉變為對這兩條金屬帶的推力和拉力 ,金屬帶和波導管是用相同的磁致伸縮材料制成的 , 由于 Villary 效應 , 兩條金屬帶在拉力和推力的作用下 ,發生伸縮 (一伸一縮) ,而引起線圈內磁感應量的變化 ,在永久磁鐵的磁場作用下 ,線圈中感應出電脈沖。圖示結構采用的是差動方式 ,兩條金屬帶完全相同 ,一伸一縮 ,從而線圈中的感應電勢大小相同 ,方向相反 , 將兩個脈沖迭加 , 則一方面可以得到增大一倍的信號 ,同時可以消除共模干擾。兩條帶子的終端是阻尼元件 ,吸收金屬帶的縱波。根據分析可知 ,機電轉換是先將扭轉波脈沖轉換成兩金屬帶的縱波脈沖 , 然后再根據縱向磁致伸縮的逆效應 —Villary 效應進行接收。也可直接采用Villary 效應 ,利用波導管內的銅線或在波導管上繞有線圈 ,將波導管扭轉波直接轉換成電脈沖。
2. 6  時間量的測量
       傳感器通過測量脈沖發射和回波接收之間的時間間隔來確定液位的位置 , 所以時間量的測量直接決定著液位測量的精度。時間量的測量有多種方法 ,采用脈沖記數方法 ,可達到很高的準確度 ,還可以直接輸出數字信號。
       由于發射的電流脈沖 I T 以光速傳播 ,所以其傳播時間可以忽略 , 令脈沖電流發射時觸發測量電路的計數器開始計數 , 產生的波導扭曲經回波接收裝置轉換為電脈沖 U R ,經整形放大后對計數器復位 ,使其停止計數 ,則計數器的計數值即正比于時間間隔 td ,知道計數脈沖頻率即可求出 td 。在電流脈沖頻率適當的情況下 , 回波脈沖的頻率與 T 相對應且U R 較 I T 有一段延遲 ,即 td。
       由此可見 ,只要計數脈沖的頻率足夠高 ,磁致伸縮液位傳感器的理論分辨力可以達到無窮小 , 所以傳感器可以達到非常高的準確度。
2. 7  溫度補償
       由于磁致伸縮傳感器是采用浮子作為液位感應元件 ,因此當介質密度變化時 ,將給測量準確度帶來影響。在這里主要是溫度變化引起介質的密度變化 ,使浮子浸在介質中的高度發生變化給測量帶來誤差。在高準確度磁致伸縮液位測量中 , 溫度的影響是不可忽視的。目前美國磁致伸縮傳感器產品 ,沿傳感器波導管安裝多個溫敏元件 ,檢測液體的溫度變化 ,采用單片機系統自動進行溫度補償。
       另外減小浮子的密度 , 使浮子浸入液體的高度減小 ,也可以減小溫度變化引起的密度變化對測量的影響。
2. 8  抗干擾措施
      在測量過程中 , 傳感器內的發射電流脈沖和應變脈沖不可避免地會對測量的輸出信號產生一定的干擾。為了提高采樣的可靠性 , 減小虛假信息的影響 ,采用數字濾波 , 具有硬件濾波器的功效 , 卻不需要硬件投資。
       數字濾波即進行連續多次測量 , 然后求平均值作為有效采樣值。采樣次數越大 , 效果越好 , 但系統靈敏度要下降。也可采用滑動平均濾波算法 ,這種算法只采樣一次 ,將這一次采樣值和過去若干次采樣值一起求平均 ,得到有效的采樣值。如果取 n 個采樣值求平均 , RAM 中必須開辟 n 個數據暫存區。每新采集一個數據便存入暫存區 , 同時去掉一個最老的數據。保持這 n 個數據始終是最近的數據。這種數據存放方式可以用環行隊列結構方便地實現 , 每存入一個新數據便自動沖去一個最老的數據。然后將這n 個采樣值求平均即可得到有效采樣值。
3  結束語
       磁致伸縮液位傳感器一經問世就以其高準確度 ,多參數、安全可靠等優點迅速應用到成品油、化工原料的檢測計量等工業領域。國外的許多公司都推出了自己的系列產品 ,而國內在此方面尚處于起步階段。因此 ,傳感器的機理分析與研究將提供傳感器設計和應用以理論指導 ,可促進國內液位儀表技術的發展。同時 ,此傳感器原理還可應用于注塑機、木材加工、切割機床、液壓系統等的檢測控制系統中。隨著更深層次的研究和開發 ,它必將廣泛應用于我國的各項工業領域中。



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