HART 协议磁致伸缩液位仪的研制和应用

HART 协议磁致伸缩液位仪的研制和应用
作者：刘仁；张国锋；任克强；陈利；许全科






1、工作原理

       理论研究表明，有些铁磁性物质有较大的磁致伸缩效应，在磁场作用下，沿磁场方向产生与磁场强度二次方成线性关系的纵向应变，称为正磁致伸缩效应或焦耳效应；反之，当极化磁棒发生纵向应变时, 其内部磁场强度发生变化, 称为逆磁致伸缩效应或维拉里效应；当通过电流时产生扭转, 称为维德曼效应。利用以上效应，制成了磁致伸缩位移传感器。

       工作时，主控电路激发的电流查询脉冲沿磁致伸缩材料的波导丝向下传播，电流在波导丝周围产生的磁场遇到浮子内磁铁形成的磁场时相互叠加产生一个很强的瞬间螺旋磁场，从而使波导丝产生磁致伸缩效应，扭转并激发一扭转声波。此声波在波导丝中以固定声速上传返回至顶端的检测电路。电路检测到此脉冲，并计算出激发脉冲至返回脉冲的时间即可测得浮子的位置，从而测出液位。由于声波在波导丝中的声速不受介质影响，温度对声速的影响也较小，因此磁致伸缩液位仪有很高的测量精度。

      实验表明：浮子内偏置磁铁的磁场与返回信号的幅值呈抛物线关系, 在低磁场作用下, 返回信号的幅值随着偏置磁场的增加而增大, 在高偏置磁场作用下,返回信号的幅值随着偏置磁场的增加反而减小。

2、电路框图

       设计的电路主要包括信号检测部分、HART 调制解调部分、电源电路、4-20mA 电流电路、显示及按键接口等。

3 设计中关键技术的解决

3.1 功耗和测量分辨率的矛盾

       仪表使用两线制 4-20mA 带 HART 输出，对硬件的功耗有极高要求，正常工作并进行 HART 通讯时，总线功耗不能大于 4mA，所以采用一系列低功耗器件：低功耗运算放大器、低功耗 A/D、D/A 芯片、高性能低功耗单片机。测量分辨率取决于电子计数脉冲频率，频率越高，测量分辨率越高，但频率越高，电子线路的功耗会越大。当波导丝内的超声波声速为2800m/s 时，如采用 28MHz 的计数频率，分辨率为0.1mm，用 56MHz 的计数频率，分辨率约为 0.05mm。在电路设计中，选用 11MHz 的晶体振荡器，分辨率可达到 0.26mm，完全满足一般液位测量需求。

3.2 从噪声环境中检测出回波信号

       仪表工作时，主控板要周期性地发送查询脉冲，波导丝上产生瞬间大电流，易对周围产生电磁干扰，同时瞬间大电流会在检测线圈中产生感应电动势，此电动势相对于镍片的逆磁致伸缩效应产生的电动势而言，幅值很大，一定程度上会影响到回波的检测。为了增大回波信号，可以增加线圈的匝数，但考虑放大电路的要求，匝数过多会使线圈阻抗增大。设计时要互相权衡。为了保证信号完全差模，需要两边线圈、偏置磁铁的参数完全一致，且相对于波导丝轴对称。

3.3 抗干扰措施

        为了提高仪表的抗干扰能力，在易受干扰的信号放大电路周围做了电磁屏蔽，采用左右对称的结构，使得共模信号相互抵消，传感器整体振动、热噪声等干扰均为共模信号。放大电路采用了差分放大，放大了差模，抑制了共模，同时电源回路采用了共模扼流圈抑制共模干扰。还有，将采集电路板密封在传感器的不锈钢套管内，电源线采用双绞线或屏蔽线。实践证明，采用以上措施，效果良好，仪表供电可采用普通双绞线。

4 磁致伸缩液位仪的优点

       磁致伸缩液位仪是一种绝对位置传感器，输出信号是绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，不必像其它液位传感器一样需要定期重标和维护。其输出提供相对于一个固定基准的距离读数，而不是相对于前一个位置的读数。即使电源中断重接也不会对数据测量造成影响，更无须重新调整零位，且由于传感组件都是非接触的，也不会对传感器造成任何磨损。测量过程是不断重复的，一般约 1 次/100ms，所以实时性很好。

       研制的磁致伸缩液位仪，其波导丝内的声速，经过测量，为 2880 m/s；对于 4m 长的测杆，从激励脉冲发出到信号返回，用时约 1.4ms，检测速度非常快。

       波导丝是磁致伸缩探棒的关键材料，检测精度取决于波导丝的加工工艺。如果能够保证声波在波导丝中匀速传播，就可以保证检测的精度，如加工工艺不到位，材料内元素不均匀，或有碎弯，均会影响检测精度。

       测量精度仅与计时精度和波导丝的均匀度相关，而与周围的压力、温度等无关。

       磁致液位伸缩探棒从结构上讲测杆内只有波导丝，波导丝又是铁镍合金制造的。在没有剧烈氧化的条件下不会损坏，是非易损部件，可靠性很好。

       由于磁致伸缩液位仪的测量精度高，±0.1mm 精度的液位仪应用于大型油罐时，可通过长时间观察液位值的变化，间接地检测油罐有无漏油、偷油现象发生。

5 工业现场的应用情况

        2006 年 9 月以来，在兰州石油化工公司银滩、中心、安达三个加油站和污水处理厂安装了 16 台研制的磁致伸缩液位仪，利用上位机的监控软件通过HART Modem 与液位仪通讯，在控制室实时监视液位变化情况。每台液位仪都工作在多点模式，输出电流固定在4mA，使用自制的 HART 协议电源阻抗匹配器，通讯效果良好。同时还可使用上位机的组态软件或手持器对每台仪表进行组态，如设置量程上下限等。在应用现场还可通过仪表的按键对仪表进行设置，通过表上的液晶显示屏读取液位值，方便实用。

       研制的磁致伸缩液位仪还在以下工业装置场合进行了安装应用，代替原有的电浮筒液位变送器和法兰液位变送器，长期运行正常可靠，液位检测和显示均达到设计指标和用户要求。在兰州石化公司常减压装置 12 单元卧式污油罐上安装应用了 1 台量程 2.8m的磁致伸缩液位仪；在兰州白银银光公司硝化车间 2 具 3.2m药品罐上安装应用了 2 台量程 3.0m 磁致伸缩液位仪，用户反映该液位仪输出信号稳定可靠，减少了现场罐区人工检尺的次数；在兰州石油化工公司仪表厂成套车间表面处理中心的电镀液槽上安装应用2 台量程4.0m磁致伸缩液位仪；在兰州石油化工公司仪表厂水流量标定装置安装应用 4 台量程 2.0m 的磁致伸缩液位仪，经受住了运行在旁边的 75kW 电机的强电磁干扰考验。目前仪表运行平稳可靠，液位反应准确。





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