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磁致伸缩液位计信号拾取方法的研究与实现

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2020-09-18 10:15

  

       化学工业过程工况环境复杂,液位测量面临强腐蚀、高温、高压和高精度要求的挑战。磁致伸缩液位计是利用磁致伸缩原理进行液位测量的,具有较高的准确度和良好的环境耐受性,而且其测量精度达±0.5mm,因而成为大型储罐精确液位计量的首选。
       在参考国外先进产品的基础上,研制出磁致伸缩液位计整机,主要由磁致伸缩波导丝、信号发生于拾取、电源、人机界面计通信等部分组成,其中信号发生与拾取是最关键的部分,其性能直接决定测量的准确度与量程。在此将重点介绍扭转波的机电信号转换方法,同时给出一种对扭转波信号具有自适应能力的信号调理电路。
1、工作原理
        磁致伸缩液位计由浮球、探杆和电子部件三部分组成,浮球内含磁钢;探杆内中空,管内绷紧一根磁致伸缩波导丝,当液位变化时浮球带着磁钢沿探杆上下移动,测得浮球位移即可获知液位。测量过程为CPU控制激励电路间歇性地想波导丝发生一个激励电流脉冲,同时启动计时;激励电流沿波导丝产生一个环形磁场Hc。当环形磁场Hc与浮球磁场Hi叠加时,由于磁致伸缩效应,波导丝上产生一个扭转波,扭转波从浮球位置向波导丝两端传播;方机电信号转换单元接收到返回的扭转波信号时,CPU停止计时,获得一个时间T,将时间T乘以扭转波的波速V即可得到浮球距离机电信号转换单元的距离。
       对浮子位置的测量实质上是对时间T的测量。扭转波在波导丝中的传播速度约为3km/s,当前电子技术条件下,高分辨率的测量时间是较易实现的。根据声学原理,超声波在波导丝中的传播速度V=√G/ρ,其中G为磁致伸缩波导丝的弹性模量,ρ为磁致伸缩波导丝的密度,这两个参量与外部环境条件无关,因此扭转波的传播速度是一个常数。浮子与电子仓的距离S=V*T=T√G/ρ。
2、扭转波的机电信号转换
       扭转波的拾取是磁致伸缩液位变送器的关键技术之一。扭转波属机械波,因此拾取扭转波的原件就是将机械能变换为电信号,目前有两种方法:一种基于逆磁致伸缩效应,一种基于压电陶瓷。传统方法是基于磁致伸缩效应的扭转波拾取方法。在波导丝靠近电子仓的部分焊接有磁致伸缩金属片,当扭转波沿波导丝返回到拾取单元,引起磁致伸缩金属片变形,根据你磁致伸缩效应,即当材料收到外力时材料的磁化状态也随之改变,在偏置磁场作用下,线圈会监测到磁通量的变化,产生一个脉冲电压。这种方法有两个明显的不足:零件树木多,零件位置关系要精密配合,制造成本高;工艺复杂,绕制微型线圈繁琐,不易实现规模化生产,而且无法保证其一致性。
       该设计方案中,选用基于压电效应的扭转波拾取方法。压电陶瓷是一种应用极广的换能器材料,极化后的压电材料受外力形变会产生电压,及压电效应。利用压电效应可以把接收到的机械扭转波转换为电信号。常用的压电材料包括压电单晶体、多晶的压电陶瓷、压电高聚物及压电复合材料等。其中,锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)具有机械强度高、耐温、耐湿、成本低及机电耦合效果好等优点,改设计方案即选用锆钛酸铅压电陶瓷作为换能器件,原因是:居里温度尽可能高,因为压电陶瓷需要与波导丝接触,而真个探杆浸没在介质中,波导丝有很好的的导热性,泽阳可以将压电陶瓷工作温度升高;压电电压常数尽可能大,保证在微弱扭转条件下,能够产生足够的电压信号;机电耦合系数高,保证信号转换效率高。最终,该方案选定P51系列的压电陶瓷片作为机电转换材料。
       该方案采用杠杆结构形式的机电转换单元,将波导丝的圆周扭转变换成直线方向形变。这样,就减少了零件数量,其工艺步骤也得以简化。压电陶瓷片为厚度方向敏感,两片压电陶瓷必须同极性方向布置,构成差动信号输出。杠杆把扭转形变放大,然后再两片压电陶瓷上产生电荷,完成机电信号转换。
磁致伸缩液位计
3、信号调理电路
       信号调理电路是整个信号前端处理的关键部分。机电信号转换单元将扭转波转换成一个几十微伏的电压脉冲信号,而扭转波传播时间T必须通过一套信号调理电路才能完整获得。MCU控制激励电流发生器发生一个脉冲激励电流(脉冲宽度10μs),电流沿波导丝传播,同时MCU开始计时;激励电流在波导丝上产生一个环形磁场,环形磁场与浮球磁钢的磁场相遇的瞬间,由于磁致伸缩效应,波导丝在浮球的位置处产生一个扭转波,扭转波沿波导丝向机电转换单位传播;机电转换单位的压电陶瓷吧扭转波转换成几百微伏的电压信号(脉冲),经差动放大器放大到伏级,然后高通滤波取出直流分量,进入比较器;比较器以方便接收电压脉冲信号,与数模转换器的值进行比较,入股电压买产信号幅度足够大,比较器输出的电平逻辑翻转,促使MCU停止计时,此时MCU获得扭转波从浮球位置传播到机电转换单元的时间T。
       由前述可知,扭转波产生于浮球磁钢的位置,在波导丝上传播到机电转换单元才被转换为点压脉冲信号。工业过程的液位测量范围在5-6m,而大型油库储罐量程可达22m,这意味着浮球在长达22m的范围内任意移动,信号调理电路必须能有效识别出扭转波所对应的电压脉冲信号。由于扭转波的本质是一种机械振动,机械振动在波导丝的传播时必然存在衰减的。试验也表明,同样一套试验样机,浮球距离5m远时获得的扭转波对应的电压脉冲信号Vpp=1V,浮球1m远时扭转波对应的额电压脉冲信号Vpp=3V,可见扭转波传播的路径越远,最后的衰减越大。如果扭转波信号衰减到一定程度,其幅度一单低于比较器的门槛值,则比较器不会翻转,真个辛哈调理电路无法获得扭转波的传播时间。
        比较器的门槛电压适时调整,以适应扭转波脉冲幅度的变化。因此在电路设计撒花姑娘,利用单片机控制一个数模转换器,书摩钻器输出的电压作为比较器的门槛值。同时在单片机程序中做判断,一旦发现本次激励电流发出后,单片机在定时间内未收到比较器翻转信号,则单片机主动将数模转换器的输出值降低一个档位,以适应扭转波幅度的变小。这样,及时浮球原理机电转换单元,,扭转波幅度明显降低,信号调理电路仍然能够有效捕获扭转波对应的电压脉冲信号。
4、结束语
       在前期调研国内外磁致伸缩液位计的基础上,对比了几种扭转波的拾取方法,最终选定压电陶瓷作为扭转波向电信号的转换手段。在硬件设计上,以过程自动化常用的两线制变动器仪表为背景,实现了信号激励与脉冲采集,成功的测出刻度检测报告。以Excel格式建立数据库系统,试验工程的各种信息参数分类存储,包括传感器参数设置文件、历史数据文件及刻度报告文件等。


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