温度对磁致伸缩液位传感器测量精度的影响

温度对磁致伸缩液位传感器测量精度的影响
作者：李永波；胡旭东；曾宗云





       磁致伸缩液位传感器具有测量精度高、工作寿命长、安装方便、调试快捷、成本低等优点 ,已被广泛应用在石油、化工、冶金等领域。但目前国内自行研制的传感器测量精度大都在 ±2～5 mm ,测量误差远大于国外同类产品。为便于国内科研人员进一步分析磁致伸缩液位传感器误差形成的原因 ,提高国产磁致伸缩液位传感器的测量精度 ,该文总结了温度对磁致伸缩液位传感器测量精度的影响及相应的修正和补偿方法。

       磁致伸缩原理是由科学家 James Prescott Joule于 1842年发现的。James Prescott Joule发现 ,当铁磁体受到外磁场作用而磁化时 ,其磁畴结构将发生变化 ,晶体的原子间距随之改变 ,致使铁磁体的体积、形状发生变化 ,特别是铁磁体物质在磁场方向上的长度发生变化 ,这种磁效应就称之为磁致伸缩。也存在磁致伸缩逆效应 ,即当材料受到压力和张力作用而使材料长度发生变化时 ,材料内部的磁化状态也随之改变。磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩原理设计而成的。传感器由不导磁的不锈钢外管、波导丝、可移动的浮球 (浮子 )和电子装置等部分组成。电子装置的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号 ,电脉冲同时伴随一个环形磁场 ,以光速沿波导丝向下传播 ,该磁场遇到浮子内磁铁形成的磁场时相互迭加时 ,根据威德曼效应(在磁性体上形成适当的磁路 ,当有电流通过时 ,磁性体发生扭曲变形 ,这种现象称为威德曼效应 )波导管瞬间变形产生波导扭曲 ,同时产生一个应变脉冲的超声波信号 ,在波导管中以固定的速度向两端传播。传到末端时 ,其能量将被衰减阻尼装置吸收 ,传到控制器一端时 ,超声波被回波接收装置接收并转换为电脉冲 ,该电脉冲放大后送到主要由计数器组成的测量电路中。测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔 ,乘以超声波的速度 ,即可得到磁铁的位置 ,实现液位测量。

2、温度对晶振频率和回波速度的影响及修正方法

2.1温度对晶振频率的影响

       由磁致伸缩液位传感器的测量原理知 ,磁致伸缩液位传感器是通过测量激励脉冲和返回脉冲的时间来确定磁性浮子位置的 ,其测量精度与计时精度密切相关 ,因此时钟晶振的准确度及稳定度是影响测量精度的主要因素之一 ,而晶振的温漂是造成时间偏差的主要原因。一般晶振的温漂系数在 50～1 000 ppm之间  。可见 ,对高精度的测量装置 ,在现场运行中如不考虑晶振温漂 ,测量结果有可能出现很大的测量误差 ,尤其在环境温差较大的情况下。

2.2温度对回波速度的影响

        磁致伸缩液位传感器是将液位值转换为时间值的设备 ,液位与时间的对应关系虽然是线性的 ,但其比例系数 V是关于波导丝密度、材质、应力、温度等物理量的函数 ,而磁性材料的全部磁性参数都与温度有密切关系 ,特别是对结构敏感的参数随温度变化更为显著 , 所以在分辨率要求不高的情况下 , 可认为 V 是恒定的 , 只要测出时间就可计算出距离 , 但在要求分辨率很高的情况下 ,必须修正回波波在波导管上的传播速度随温度变化带来的测量误差。

2.3温度对晶振频率和回波速度影响的修正方法

       以上两种因素的存在 , 大大降低了磁致伸缩液位传感器的测量精度。要实现高测量精度 , 必须消除晶振温漂及回波速度变化所带来的测量误差。文中介绍一种双辅助磁性浮子的校准方法。系统在原有磁致伸缩液位传感器的基础上 , 在波导管与磁致伸缩波导丝之间 , 增加了两个辅助磁性浮子 ,且精确测得两个辅助磁性浮子之间的间距L0。这样 ,当液位传感器放入液体罐内进行液位测量时 ,除了测得与液位值对应的液位计数脉冲个数N 以外 ,还会测得两个辅助浮子的计数脉冲个数 N01与 N02 ,因磁致伸缩液位传感器有极高的线性度 ,故时间比例系数 V (回波速度 )为 :

V =L0 / (N02 - N01 ) (1)既而可得出液位浮子的位置 :Lx =VN (2)当环境条件发生变化时 , V 也将发生变化 , 但其线性关系依然存在 , 故可由式 ( 1)求得 V, 再由式(2)计算浮子的位置 , 这样就消除了因回波速度变化而导致的测量误差。晶振温漂可通过温漂系数 e来体现 ,即N t = eN t0，（3式中 , N t 为温度为 t ℃时的计数脉冲个数 ; N t0为基准温度 t0 ℃时的计数脉冲个数。将式 (1)和式 (3)代入式 (2)则有 :Lx =L0 N t0 / (N t2 - N t1 ) (4)因式 (4)中分子、分母中的温漂系数相互抵消 ,故这种方法还可有效地消除由晶振振荡频率温漂而导致的测量误差 。

3.温度对浮子浸入高度的影响及修正方法

3.1温度对浮子浸入高度的影响

       大多数介质密度与温度都存在着定量关系 ,Cailletet - Mathias直径线法则揭示了液态物质的密度随温度的变化关系曲线相似于抛物线 ,后经研究表明 ,液态物质密度与温度两者之间能够得出很明确的关系式。也就是说随着温度的变化液体密度会发生变化。由阿基米德浮力定律知 ,液体密度变化必然导致同一物体浸入液体的体积发生变化 ,也即浸入高度发生变化。磁致伸缩液位传感器的测量精度是建立在浮子可以准确反映液面位置这一前提下的。但由于它采用了浮子作为液位的感应元件 ,因而液体密度的变化必然导致浮子浸入液体的深度发生变化 ,这将直接影响测量精度。这种影响有时甚至会远远超过磁致伸缩液位传感器的测量精度 ,特别是对于温差较大的测量系统。变化前后介质密度为 ρ、ρ,′浮子排开液体体积为 V、V ,′g为重力加速度 ,Δρ、ΔV 为介质密度和排开液体体积的变化量。根据阿基米德浮力定律知 ,浮子排开介质体积的变化量与介质密度变化率成正比。而ΔV = f (Δh) ,故浮子浸没高度的变化量Δh与密度变化率的关系还与浮子形状及初始位置有关。对于不同类型的浮子 ,介质密度变化对其测量精度会产生不同的影响 ,现以典型的柱状浮子为例 ,分析介质密度变化对测量精度的影响。设柱状浮子底面半径为 R, 不锈钢外管半径为r,浮子排开介质的体积为 V, 浮子排开介质体积的变化量为ΔV,忽略浮子密度和体积的变化。则由柱体体积公式可见 ,在液位不变而介质密度变化的情况下 ,浮子高度 h会发生变化 ,这就意味着磁致伸缩液位传感器的液位读数会发生变化 ,从而造成测量误差。其中负号表示浮子浸入介质深度随密度增加而减小。

3.2温度对浮子浸入高度影响的修正方法

       浮子高度变化与浮子浸入介质的深度 h成正比 ,因此在选择浮子时 ,可选择密度稍小的浮子。同理可证 ,对球形浮子 ,可通过减小半径的方法来减小介质密度变化对测量精度的影响。但以上方法只能在一定的限度内减小误差 , 而不能完全消除误差或对误差进行校正。下面介绍一种较实用的温度补偿法。不同介质的温度特性不同 ,这里仅给出油料介质的温度补偿。所以 ,可在磁致伸缩传感器中 ,沿着传感器波导管在不同的距离上安装 1～5个 RTD (热电阻 )或其他测量温度的芯片 ,不停地检测液体的温度变化并得出平均温度 (如果液体水平改变 , 高于液体的RTD将不记在内 ) 。求得平均温度后 ,)计算出Δh,通过软件编程进行温度补偿。

4.总结

       通过对温度对磁致伸缩液位传感器测量精度的影响的分析总结 ,说明了要实现传感器的高精度 ,不仅要有高精度的测量原理与方法 , 还必须配有必要的校正措施和补偿方法。该文总结的内容和方法 ,可作为高精度磁致伸缩液位传感器的设计参考依据。





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