磁致伸缩液位传感器的应用与发展

磁致伸缩液位传感器的应用与发展
作者：杨朝虹；杨竞；李焕；付春林






       随着科学技术的迅猛发展 ,尤其是新材料的不断涌现和计算机、通信技术的飞速发展 ,液位测量原理和测量方法在不断发展和更新。同时 ,工业生产也对液位测量提出了越来越高的要求 ,要同时满足高准确度、大量程、多参数测量的要求 ,传统的浮子式、电阻式、电容式、超声波等液位传感器都不能很好地满足这些测量要求 ,采用磁致伸缩液位传感器 ,使这些问题得到了较好的解决。

2、磁致伸缩液位传感器的工作原理

2.1.1磁致伸缩效应

       磁致伸缩液位传感器是基于磁致伸缩效应。铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下于磁场中被磁化时 ,会沿磁化方向发生微量伸长和缩短 ,称之为磁致伸缩效应 ,又称焦耳效应。磁致伸缩的产生是由于铁磁材料在居里点温度以下发生自发磁化 ,形成大量磁畴 , 并在每个磁畴内晶格发生形变。在未加外磁场时 ,磁畴的磁化方向是随机取向的 ,不显示宏观效应 ;在有外磁场作用时 ,大量磁畴的磁化方向转向外磁场磁力线方向 ,其宏观效应表现为材料在磁力线方向的伸长或缩短。相反 ,由于形状变化致使磁场强度发生变化的现象 ,称为磁致伸缩逆效应。

       20 世纪 80 年代少数工业国如美国和德国 ,利用磁致伸缩原理开发出了绝对位移传感器。之后美国 M TS 公司首先将磁致伸缩原理用于液位测量技术上 ,开发出测量油罐液位的传感器。磁致伸缩效应在测量长度、位移等方面得到了广泛的应用 ,而在液位测量中的应用只有十几年的历史。

2.1.2 　磁致伸缩液位传感器总体结构

       磁致伸缩液位传感器是由保护套管、波导管、磁性浮子和测量头四个主要部分组成 ,图 1 为一种典型的安放于储罐中的液位传感器总体结构图。测量头装置在罐体之外 ,包括脉冲发生、回波接收、信号检测与处理电路。由不锈钢或铝合金材料做的保护套管套在波导管外 ,插入液体中直达罐底 ,底部固定在罐底。磁浮子可以有两个 ,一个测量油位 ,另一个安放在波导管对应的油水界面处 ,用于测量界位。若在波导管底端再设置一块磁铁 ,还可以完成自校正功能 ,使传感器无须定期标定。

2.1.3 　磁致伸缩液位传感器工作原理

       其工作原理是 ,利用两个不同的磁场相交使波导管发生波导扭曲 ,产生一个超声波信号 ,然后计算这个信号被探测所需的时间 ,便能换算出动磁铁的准确位置。 在波导管的轴向方向配置非接触移动的磁浮子 ,为磁致伸缩波导管产生轴向磁场。当在金属线上有一个轴向的电流脉冲时 ,在波导管上产生周向磁场 ,周向和轴向磁场矢量合成倾斜磁场 ,因周向磁场产生于瞬,所以倾斜磁场也瞬间产生。一旦磁场发生瞬间变化时 ,根据威德曼效应 ,波导管随其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。当超声波沿波导管传到控制器一端时 ,超声波被固连在波导管上的回波接受装置接收转换为电脉冲 ,该脉冲经放大送到主要由计数器组成的测量电路中。超声波在波导管中是以恒速传播的 ,测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔 ,乘以这个固定速度 ,即可得到磁铁的位置 ,实现位置检测。磁浮子距离传感器的电子检测装置越远 ,声波传播所需的时间越长 ,传感器测得的时间间隔也越长。这个过程是连续不断的 ,所以每当磁铁移动时 ,新的位置就被检测出来。

        波导管中超声波的传播速度一般在 1800 ～2000m/ s。当计时频率为 200MHz 时 ,以超声波传播速度 2000m/ s 为例 , 液位传感器的测量分辨率Δ= (2000m/ s) / 200MHz = 0101mm。由此可见 ,只要计数脉冲的频率足够高 ,磁致伸缩液位传感器的理论分辨率可以达到无穷小 ,实际上可以达到甚至优于 0101mm ,而且还可采用温度补偿等措施 ,所以磁致伸缩传感器能够达到很高的准确度。传感器的测量头内含单片机控制系统 ,可以探测到同一发射脉冲所产生的连续返回脉冲 ,所以在同一传感器上安装 2 个浮子 ,可以同时进行油位、水位的测量。若在波导管底部 (罐底) 固定一个磁环 ,还可完成自校准功能 ,消除温度对波速的影响。设罐总高 L ,超声波从油面、油水界面和罐底返回的时间分别为 T1、T2 和 T3 , 则油位 : L 1 = L ( T3 -T1) / T3 ; 水位 : L 2 = L ( T3 - T2) / T3。所以在同一传感器上配多个活动磁浮子 ,可以同时进行液位、界位多参数测量。

3 　磁致伸缩液位传感器的使用特点

磁致伸缩液位传感器在使用上有许多优点 :

(1) 测量精度可达 0101 %FS (全量程) ,其非线性精度能小于 0101 %FS ,重复精度能小于 01001 %FS。在现有液位传感器中 ,只有伺服型浮子液位传感器、雷达液位传感器和光纤液位传感器的测量精度可达到毫米量级。测量范围大 ,硬杆式为 911m ,软缆式可达 18m ,一般的测量范围均可满足。测量界面时 ,过去一般用浮筒式、磁浮子式较多 ,但效果不佳。射频导纳液位传感器测界面有一定的优势 ,但精度不高。磁致伸缩液位传感器在测量界面上较以上各类界面仪均有优势 ,它不仅可靠性高 ,受介质变化影响小 ,而且准确度也高。

(2) 由于采用波导管来传播超声波 ,故介质的雾化和蒸气、介质表面的泡沫等都不会对测量精度造成较大的影响。输出信号一般采用 4～20mA 标准电流信号或 RS485 数字信号 ,可直接接入 DCS 系统或其它计算机管理系统 ,便于用微机对信号进行处理。

(3) 液位传感器的整个变送器密封在保护套管内 ,其传感器元件和被测液体非接触。虽然测量时 ,磁性浮球不断移动 ,但不会对传感器造成任何磨损 ,所以性能可靠 ,使用寿命长 ,无故障工作时间最长可达 23 年 ,适合多种恶劣环境。

(4) 安装、调试、标定简单方便。在现场安装确定之后 ,可准确计算出液位 (或界面) 零点及满量程在测量保护套管上的相应位置 ,在安装前即可通电调试 ,把浮子分别置于零点和满量程位置 ,调零点和满量程输出分别为 4mA 和 20mA ,无需通过液面(或界面) 升降来调试、标定。由于输出信号反映的是绝对位置的输出 ,而不是比例或需要再处理的信号 ,所以不存在信号漂移或变值的情况 ,不需要像其它类型的液位传感器那样进行定期标定和维护 ,大大节省了人力和物力 ,为用户带来极大的方便。

(5) 可进行多点、多参数的液位测量 ,有自校正、免维护等独特功能。安全性高 ,磁致伸缩液位传感器的防爆等级一般有隔爆型和本安型两种 ,适合工作在各种易燃、易爆、高温、高压等危险场所 ,测量时无需人工开启罐盖 ,避免了人工测量带来的不安全因素。

       但是当被测液体的密度分布不均时 ,其浮子在液体中的高度会有变化 ,需要以实际介质进行标定。尤其要注意被测介质的温度变化有时会对测量造成较大的影响。由于采用磁性浮子作为液位和油水界面的感应元件 ,当被测介质受温度影响引起密度变化时 ,会使浮子浸在液体中的高度发生变化 ,给测量准确度带来影响。这种影响有时甚至会大大超过液位传感器的测量精度 ,为此要减小介质密度随温度变化对测量的影响。可以从两方面考虑。一方面 ,从浮子材质及结构尺寸考虑 ,尽量减小浮子密度 ,使浮子浸入介质的深度减小。若不是柱状浮子 (如球状) ,减小其外径 ,也可减小密度变化对测量的影响 ;另一方面 ,应考虑温度影响的补偿 ,目前美国可以减小温度变化引起的密度变化对测量的影响。所以 ,磁致伸缩液位传感器要实现高精度测量 ,必须配有高分辨率的信号检测接口及温度补偿措施才能得以实现。此外 ,浮子沿着波导管外的保护套管上下移动 ,长期工作粘结污垢后 ,浮子容易被卡死 ;而且磁致伸缩液位传感器价格较高 ;使用时的工作压力也不宜太高 ,一般都在 30MPa 以下。

4　磁致伸缩液位传感器的发展趋势

       近年来 ,各种高新技术迅猛发展 ,使得磁致伸缩液位传感器发生了很大变化。一方面是采用新材料、新工艺 ,以提高测量的精确度、可靠性和应用范围 ,进而实现传统传感器不可能完成的全新更佳功能。如将稀土超磁致伸缩材料应用于磁致伸缩液位传感器。稀土超磁致伸缩材料 ,是比传统磁致伸缩材料如 Fe、Co 、Ni 等的磁致伸缩系数大 100～1000倍的一类磁致伸缩材料 , 例如 Pr2Co17 、SmFe2、 Tb (CoFe) 2等 ,其特点是随磁场的变化产生敏锐而精确的长度变化。航天长征火箭技术有限公司将其用于磁致伸缩传感器 ,用其制作传感器的核心敏感元件 ———波导丝。这种波导丝与传统的波导丝相比 ,具有应变值高、由机械应变转换为超声波能力强的优点。制作的传感器在测量精度、测量范围上都大大优于传统的磁致伸缩液位传感器。

       一方面是利用微电子、微机械、计算机和通讯等技术的发展 ,使得磁致伸缩液位传感器朝着数字化、智能化以及柔性化方向发展。所谓智能化 ,即液位传感器有自适应、自学习、自校正、自协调、自诊断、自修复等功能。柔性化指在现有电脑化的基础上 ,采用硬件软化、软件集成、虚拟现实、软测量等人工智能的方法和技术 ,实现传感器的柔性化 ,研究开发出具有拟人智能的特性或功能 ,能够自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作 ,实现复杂的控制功能 ,并能灵活地改变和扩展功能。 另外 ,随着纳米技术、生物工程技术的发展 ,纳米技术和生物技术在液位测量传感器中的应用也将会日益增多。

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