磁致伸缩液位计信号拾取方法的研究与实现

磁致伸缩液位计信号拾取方法的研究与实现
作者：荣振芝；熊轩






       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。

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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