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磁致伸縮效應在高精度液位測量中的應用研究

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-07-19 09:55

  

       各種原理構成的液位測量方法很多 ,如鋼帶浮子式、磁浮子式、靜壓式、電容式、伺服式、超聲波式、雷達式液位測量等。對于一般情況的液位測量都能滿足要求。但是 ,對于大量程、多參數、高精度的液位測量 ,以上方法都存在不理想之處。例如 ,對于較大直徑及高度的儲油罐 ,油位和水位的高精度測量決定著油料容積和質量的精確測量以及油料輸送系統的高精度控制。幾毫米的測量誤差 ,將會帶來巨大的經濟損失。像這樣的儲油罐 ,有的高達 20 多米 ,對于這么大量程的液位測量 ,若能達到在不同環境條件下 ,測量誤差只有幾毫米是非常不容易的。即使采用精度為 011 %的液位測量儀表 ,還存在 20 mm的誤差。 隨著新型功能材料的開發以及電子技術的發展 ,美國 MTS系統公司和 Veeder Root 公司研制出了磁致伸縮液位傳感器。它具有重復精度高 (可達 0101 %F. S. ) ,不用定期標定及維修 ,安裝容易 ,可同時測量液位、界位及平均溫度等獨特優點。
1、工作原理
       磁致伸縮效應是鐵磁材料在磁場中會發生形變的物理現象 ,即在外磁場作用下 ,材料內部隨機取向的磁疇發生旋轉至與外磁場方向一致 ,使之在幾何尺寸上出現沿外磁場方向的伸長或縮短現象。磁致伸縮效應在長度、位移測量等方面得到了廣泛的應用 ,在液位測量中的應用只有十幾年的歷史 ,而中國目前還處在引進國外產品的應用研究與開發階段。
       磁致伸縮液位傳感器是基于磁致伸縮效應、浮力原理、電磁感應、電子技術等綜合技術所研制的高精度液位測量儀表。該儀表由波導管、外管、磁性浮子和電子部件組成 。
       測量時 ,電子部件向波導管內的銅線發出一詢問脈沖 ,此脈沖電流同時產生一垂直于銅線的環行磁場 ;沿外管隨液位升降的浮子內置一組永久磁鐵 ,產生一軸向磁場。當兩磁場相交時 ,產生一螺旋磁場使波導管應變 ,并以超聲波速運行到電子部件的感應線圈。測量從發射電流脈沖的時刻到返回應變脈沖的時間 t 乘以應變波運行的速度 v ,就可得到被測液位 L .L = tv (1)該傳感器采用磁致伸縮原理 ,將浮子式位移量檢測的接觸法測量變為磁浮子式時間量檢測的非接觸法測量 ,從而獲得高精度。并且由于電子部件可探測由同一詢問脈沖所產生的連續返回脈沖 ,所以可以在同一傳感器上配多個活動磁浮子 ,同時進行液位、界位多參數測量。
2、實現高精度測量的分析與研究
       磁致伸縮液位傳感器是利用波導管產生應變 ,測量應變波的返回時間來確定磁浮子的位置。從而可知 ,要保證高精度的測量 ,必須具有檢測時間量的高分辨率 ,同時還應考慮應變波速變化以及液體密度變化對測量的影響。因此 ,實現高精度 ,必須解決以下幾方面問題。
2. 1 高分辨率的時間量檢測(接口)。
       被測液位 L 是通過儀表對時間量 t 的測量來確定的。假定應變波的運行速度 v 恒定 ,由 L = tv 可知 ,液位測量的高精度主要取決于對時間量的精確計量。為此 ,數字接口應是最佳選擇 ,由高時鐘頻率得到時間計量的高分辨率從而實現液位測量的高精度。
       接口部件給液位測量帶來的誤差為時間分辨率與速度 v的乘積 :測量誤差 = 時間分辨率·v;要求 :時間分辨率 ≤儀表允許誤差/ v假如數字接口誤差限定在 011 mm ,波導管應變波運行速度為3000 m/ s ,則要求時間分辨率小于 0103μs ,時鐘頻率 = 1/時間分辨率 ,對于 011 mm 的誤差 ,要有 33 MHz 的時鐘頻率來保證。所以 ,要保證液位測量的高精度 ,首先要考慮選擇時間接口的高時鐘頻率來得到對時間量檢測的高分辨率。另外 ,為提高抗干擾能力 ,采用重復測量多次取平均值進行數字濾波 ,同時也使測量精度得到相應提高。
       如上分析 ,要進一步提高分辨率 ,則要求更高的時鐘頻率 ,同時計數器的電路功能也需要同步提升。MTS 公司新產品中的電子板采用了該公司開發的專利 ASIS 電路 ,這個電路工作時猶如內置了 360 MHz 的時鐘 ,可以達到 01003μs 的時間分辨率。
磁致伸縮液位傳感器
2. 2 對介質密度的變化進行溫度補償
       實現高精度測量 ,除了從理論上要對直接測量量 T 進行高分辨力檢測之外 ,介質密度隨溫度變化也是影響儀表精度的一個很重要的因素。介質密度隨溫度變化導致磁浮子浸入液體的深度發生變化將直接影響測量精度。特別是對于露天儲油罐的液位測量 ,冬天、夏天溫度變化幾十攝氏度 ,對測量帶來的影響不可忽視 ,必須采取措施。以典型的柱狀浮子為例 ,分析介質密度變化對測量的影響。
       減小介質密度隨溫度變化對測量的影響可從兩方面考慮。一方面 ,從浮子材質及結構尺寸考慮 ,盡量減小浮子密度 , 使浮子浸入介質的深度 h 減小。若不是柱狀浮子 (如球狀) ,減小其外徑 R ,也可減小密度變化對測量的影響。另一方面 ,應考慮溫度影響的補償。目前美國產品是沿波導管均勻放置幾個溫度傳感器 RTD ,檢測介質的平均溫度 ,由信號轉換部分進行修正。此外 ,根據溫度修正系數還可以計算出容量 ,通過監測容量的改變還可以得到其泄漏速率。
2. 3 對應變波速的變化進行校正
       機械波在波導管上的傳播速度受溫度影響是很微小的 ,在常溫 - 10~45 ℃時 ,彈性波在固體中的傳播速度基本為定值。但對高精度液位測量來說 ,其影響也應該引起重視。若進行高精度測量 ,可在波導管底部安裝固定磁鐵 ,使波導管在此處也發生磁致伸縮。此處離電子部件的距離 L底 是固定的 ,可以作為校正依據。
       安置固定校正磁鐵消除了溫度對應變波傳播速度的影響。但是對于較高的油罐 ,內有水、油、氣使之具有溫度梯度的情況 ,只是一種平均溫度的校正 ,不能完全校正。
3、結束語
       通過對磁致伸縮液位傳感器實現高精度測量的分析和研究 ,說明了該傳感器之所以高精度 ,除具有高精度的測量原理與方法外 ,還必須配有高分辨率的信號檢測接口以及溫度補償措施才能得以實現。磁致伸縮液位傳感器的高精度、多參數及自校正、免維護等獨特功能 ,使它在目前液位測量領域占有絕對優勢 ,相信很快它將在高精度、多參數液位測量中得到廣泛應用。
 


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