新型磁致伸缩液位仪的检测原理与实现

新型磁致伸缩液位仪的检测原理与实现
作者：吴斌





一、引言

       磁致伸缩液位传感器是利用享有“黑色黄金”美誉的稀土超磁材料的维德曼(Wiedemann)效应、维拉里(Viuary)效应及超声效应,将液位信息转换成最易高精度测量的时间量, 来实现对液位、界位的超高精度计量 , 其测量分辨率可以达到甚至优于 0.1mm。另外因为磁致伸缩液位传感器几乎没有可动的机械部件, 故具有可靠性高、安装维护方便、适用范围广等特点, 是当前最理想的接触型大罐液位测量装置之一。

二．磁致伸缩液位仪工作原理

       磁致伸缩液位传感器由传感器头、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子组成。传感器主要利用磁致伸缩效应进行工作。两个磁场一个来自传感器外面的活动磁铁, 另一个则源自传感器内波导丝中的电流脉冲。电流脉冲由传感器的驱动电子单元产生的使磁致伸缩丝周围产生一个磁场。这个磁场与活动的磁性元件磁场矢量相加形成一个螺旋形磁场,导致波导丝产生扭曲形变, 从而激发扭转波, 产生的扭转波将以一恒定的速度沿波导管向两侧传播, 传到末端时, 其能量将被衰减阻尼装置吸收, 而返回的扭转波遇到传感检测单元, 就会在线圈两端产生感应电流脉冲即检测脉冲, 从产生电流脉冲的一刻到检测脉冲有效所需的时间乘以固定声速, 便能准确地算出磁铁的位置。这个过程连续不断并且响应时间很短, 所以每当活动磁铁被移动时, 新的位置随之被感测出来。由于电子单元可探测到由同一询问脉冲所产生的连续返回脉冲, 所以可以在同一传感器上配多个活动磁浮子, 同时进行液位、界位多参数测量。

磁致伸缩扭转波位移传感器的位置计算较简单, 将所测量的时间差乘以磁致伸缩丝上扭转波的传播速度。由于磁致伸缩材料采用圆形截面丝, 根据 Pochhammer 的三维弹性理论, 扭转波在圆截面杆中的传播形式是关于圆柱中心轴对称的,其扭转波速为：V=√G/P式中:G 为磁致伸缩波导丝的弹性模量; P 为磁致伸缩波导丝的密度。

       通过公式可以看出, 超声扭转波的传播速度为一常数, 因此只需通过测量从发射电脉冲到检测到感应脉冲的时间差, 就可以算出液面的位置。

三．硬件结构设计

       新型磁致伸缩液位仪以C8051F005 为核心，利用变增益运算放大器 AD603 对信号进行变增益放大，保证信号检测幅度恒定。激励脉冲到检测感应脉冲的时间差利用 FPGA 的高频计数实现，类似于频率检测的测周法。C8051F005 单片机是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片。集成了 12 位模数转换器、内部 2.4V 基准源、2 路 12 位数模转换器以及UART 接口，25MIPS 的指令速度完全保证了单片机在磁致伸缩液位仪应用中的良好实时性。差动放大电路将两路检测单元输出的相位相反的检测脉冲进行放大，消除信号中的共模干扰，提高信躁比。变增益放大电路以线性增益控制芯片 AD603 为核心，在控制电平的作用下，增益调整范围为－ 11. 07dB ～＋ 31.07dB。

       检测信号波形图可以看出检测单元输出信号随着浮子到传感器头距离的增大而信号幅度减弱。为满足在全量程范围内比较器输入信号幅度相对稳定，变增益放大电路由单片机根据对差动放大器输出信号的采样，实时由单片机的 D/A 输出电压调整放大器增益，达到幅度控制的目的。电路中电压比较器采用 MAXIM公司的 MAX909,将变增益放大电路输出的信号与设定的电压进行比较，进而将检测单元的输出信号转变为 TTL 电平的脉冲信号，输出至FPGA 进行时间差计算。FPGA 时间差计算方法类似与频率测量中的测周法，在系统激励脉冲发出后，FPGA 内部的 24 位计数器对高频时钟进行计数，当检测脉冲有效后，计数器停止计数，此时计数器的计数值与液位仪中磁铁和传感器头间的距离成正比。同时向单片机申请中断，由单片机读取计数数据进行处理。这种原理的检测精度完全取决于高频时钟，频率越高，计算精度越高。在此选择 50MHz的时钟所带来的计算仅误差为 1/50 × 10-6s。

四、软件设计

       单片机的软件主要由主程序及中断服务程序构成。主程序负责液位计算、温度补偿、比较器电压设定、测量结果显示与键盘控制， RS485 通讯等操作；中断服务程序完成 FPGA 计数数据的读取、检测信号幅度测量、变增益放大器的增益控制。

五．实验结果

       选用某公司 3m 长的磁致伸缩液位传感器，将其垂直悬挂于具有刻度的实验台上。浮子利用实验台上的游标加以固定，通过钢丝控制游标的升降。对磁致伸缩液位仪满量程的 5 ％，10 ％，20 ％，50 ％和100 ％五点进行精度标定。

六．结束语

        致伸缩液位仪实时调整测量检测信号幅度，克服了传统检测电路由于信号幅度变化而引起的测量误差，而且这种变增益闭环调节方式对于研制大量程范围的磁致伸缩液位仪提供一种技术途径。FPGA 采用对高频时钟计数的方式测量激励信号和检测信号的时间差，保证了系统± 1 mm 的测量精度。





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