磁致伸缩液位传感器机理研究

　　磁致伸缩液位传感器机理研究
作者：任波；陈祥光；姜波；余向明；张晓钟





       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 ,液位测量原理和方法也不断发展和更新。同时 ,工艺的要求也对液位测量提出了越来越高的要求。例如高达几十米的大型储油罐油位、水位等测量 ,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、雷达式等液位传感器都不能满足测量要求 ,磁致伸缩原理的引入 ,使这个问题得到了解决。相对于传统传感器 ,磁致伸缩液位传感器具有寿命长、准确度高、多参数测量、安全性好、易于安装和维护 ;便于系统自动化工作等优点。国外的产品 ,量程为 18 m 的磁致伸缩液位仪准确度可达0. 025 %FS 或 0. 508 mm ,并且同时可测量液位、界面和温度等多参数 。形成了系列化的产品 ,国内的研究还处于起步阶段 ,本文对磁致伸缩液位传感器的机理进行了深入的分析与研究。

       磁致伸缩液位传感器是由测量头 (包括脉冲发生 ,回波接收 ,信号检测与处理电路) ,波导管和磁浮子组成。其中测量头装置在罐体之外 ,波导管外有不锈钢或铝合金的保护套管 ,插入液体中直达罐底 ,底部固定在罐底 ,磁浮子可以有两个 ,一个测量液位 ,一个测量界位。
       磁致伸缩液位传感器是综合利用浮力效应、磁致伸缩效应、电磁效应、磁机械 (超声) 效应等原理进行工作 ,通过检测从发生电脉冲至接收到磁浮子的返回脉冲之间的时间间隔来计算液面和界面的位置。由于时间量检测可以达到很高的准确度 ,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 。

       移动的磁浮子在波导管中产生一轴向磁场 ,脉冲发生电路产生电脉冲 ,沿着铜丝传播 ,在铜丝周围产生一环形磁场随着电脉冲一道以光速传播 ,当遇到磁浮子的轴向磁场时合成一个瞬间的倾斜磁场 ,根据威德曼 ( Wiedemann) 效应 ,将在波导管中产生一个扭转弹性波 ,弹性波以恒定的超声速向波导管两端传播 ,在测量头一端被回波接收器接收转换为电脉冲 ,通过检测两个电脉冲的时间差 ,即可计算出液位。

       在波导管对应与界面 (如油水界面) 有一个磁浮子 ,使得传感器可同时测量液位和界位 ,达到多参数的要求 ,同时 ,若在波导管底端再设置一个磁铁 ,还可以完成自校正功能 ,使传感器无须定期标定。

2 　传感器机理分析

2. 1 　磁致伸缩原理

       铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下 ,在磁场中被磁化时 ,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 (Joule) 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。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; 在外磁场中 , 大量磁畴的磁化方向转向外场 , 其宏观效应即是材料在磁力线方向的伸长或缩短。长度为 L 的磁性体外加磁场 H时 ,相对伸缩的值λ = ΔL / L ,λ即为磁致伸缩常数。晶体磁致伸缩一般是各向异性的。

相反 ,由于形状变化 ,致使磁化强度发生变化的现象 ,称为磁致伸缩逆效应 (Villary 效应) 。

2. 2 　磁致伸缩位移传感原理

        磁致伸缩效应在位移检测中已得到广泛应用 ,利用磁致伸缩波导管来测量磁铁位移的工作原理是 ,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。图 3 中 ,位于中央的是形成机械弹性波的磁致伸缩波导管 , 在它的轴向方向配置非接触移动的磁体 ,给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 , 在波导管上则产生周向磁场 ,周向和轴向磁场矢量合成倾斜磁场 ,因周向磁场产生于瞬间 , 所以 , 倾斜磁场也瞬间产生。一旦波导管中的磁场瞬间变化时 ,根据威德曼效应 ,金属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。

       由于 G和ρ均是恒定 (对于一定的波导管来说)的 ,所以传播速度也恒定 , 约为 3 km/ s。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所组成的测量电路中。因为超声波在波导管中是以恒速传播的 , 所以只要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。这个过程是连续不断的 , 所以 , 每当磁铁移动时 , 新的位置就被感测出来 。

磁铁位置 = 时差传送速度 - 零点位置

       由于磁铁距离传感器的电子检测装置越远 , 声波传播所需的时间就越长 , 所以传感器的更新时间与距离成正比。

最长更新时间 = (量程 +零点位置) / 传送速度
2. 3 　液位测量原理

       在上述的位移传感器中 , 若将磁环装置在浮子中 ,而将波导管垂直安装在罐中 , 则磁环 (磁浮子)随着液面 (界面) 的变化上下滑动 , 与上述原理相同 ,即可测得磁浮子的位置从而得出液面 (界面) 。

2. 4 　采用管状传递超声波机理分析

       波导管是一根外径为 0. 55 mm , 壁厚 0. 05 mm的细长管子 ,管子里面装有一根绝缘铜丝 ,为了保护和屏蔽 ,在波导管外套一个屏蔽管 ,屏蔽管可以是不锈钢或铝合金等 , 波导管材料的成分主要是铁镍合金。Wiedemann 效应既可发生在波导线中 , 也可发生在波导管中 ,采用波导管和铜线的结构是因为波导管和铜线功能分离 ,互不干扰。波导管只需传递扭转波 ,因此只需考虑其磁导率;铜导线用来传递电脉冲。若仅采用波导线 , 除了要考虑它的磁导率外 , 还得考虑它的电导率 , 无疑给波导管材料的选择带来困难。相同外径的波导管和波导线在同样大小的扭转波的作用下 ,材料变形量显然是前者大 , 后者小 , 也就是说波导管的信号更容易被回波接收装置转变成电脉冲信号加以接收。

       由于趋肤效应 , 电流脉冲在固体铁磁波导线中传播时 ,电脉冲沿波导线最外层传播 ,因而不能得到完全的磁感应。当铜导线在波导管内传递电脉冲时 ,管中得到完全的磁感应 , 从而可得到更强感应的应力脉冲 ,该脉冲宽度较窄 , 亦即可得到高频响应 , 使测量值更好。

2. 5 　弹性回波的接收

       波导管上焊接的两条窄金属带上绕着线圈 ,线圈处在由小磁铁产生的旁路磁场中 ,当弹性扭转回波传到这里时 , 转变为对这两条金属带的推力和拉力 ,金属带和波导管是用相同的磁致伸缩材料制成的 , 由于 Villary 效应 , 两条金属带在拉力和推力的作用下 ,发生伸缩 (一伸一缩) ,而引起线圈内磁感应量的变化 ,在永久磁铁的磁场作用下 ,线圈中感应出电脉冲。图示结构采用的是差动方式 ,两条金属带完全相同 ,一伸一缩 ,从而线圈中的感应电势大小相同 ,方向相反 , 将两个脉冲迭加 , 则一方面可以得到增大一倍的信号 ,同时可以消除共模干扰。两条带子的终端是阻尼元件 ,吸收金属带的纵波。根据分析可知 ,机电转换是先将扭转波脉冲转换成两金属带的纵波脉冲 , 然后再根据纵向磁致伸缩的逆效应 —Villary 效应进行接收。也可直接采用Villary 效应 ,利用波导管内的铜线或在波导管上绕有线圈 ,将波导管扭转波直接转换成电脉冲。

2. 6 　时间量的测量

       传感器通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔来确定液位的位置 , 所以时间量的测量直接决定着液位测量的精度。时间量的测量有多种方法 ,采用脉冲记数方法 ,可达到很高的准确度 ,还可以直接输出数字信号。

       由于发射的电流脉冲 I T 以光速传播 ,所以其传播时间可以忽略 , 令脉冲电流发射时触发测量电路的计数器开始计数 , 产生的波导扭曲经回波接收装置转换为电脉冲 U R ,经整形放大后对计数器复位 ,使其停止计数 ,则计数器的计数值即正比于时间间隔 td ,知道计数脉冲频率即可求出 td 。在电流脉冲频率适当的情况下 , 回波脉冲的频率与 T 相对应且U R 较 I T 有一段延迟 ,即 td。

       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力可以达到无穷小 , 所以传感器可以达到非常高的准确度。

2. 7 　温度补偿

       由于磁致伸缩传感器是采用浮子作为液位感应元件 ,因此当介质密度变化时 ,将给测量准确度带来影响。在这里主要是温度变化引起介质的密度变化 ,使浮子浸在介质中的高度发生变化给测量带来误差。在高准确度磁致伸缩液位测量中 , 温度的影响是不可忽视的。目前美国磁致伸缩传感器产品 ,沿传感器波导管安装多个温敏元件 ,检测液体的温度变化 ,采用单片机系统自动进行温度补偿。

       另外减小浮子的密度 , 使浮子浸入液体的高度减小 ,也可以减小温度变化引起的密度变化对测量的影响。

2. 8 　抗干扰措施

      在测量过程中 , 传感器内的发射电流脉冲和应变脉冲不可避免地会对测量的输出信号产生一定的干扰。为了提高采样的可靠性 , 减小虚假信息的影响 ,采用数字滤波 , 具有硬件滤波器的功效 , 却不需要硬件投资。

       数字滤波即进行连续多次测量 , 然后求平均值作为有效采样值。采样次数越大 , 效果越好 , 但系统灵敏度要下降。也可采用滑动平均滤波算法 ,这种算法只采样一次 ,将这一次采样值和过去若干次采样值一起求平均 ,得到有效的采样值。如果取 n 个采样值求平均 , RAM 中必须开辟 n 个数据暂存区。每新采集一个数据便存入暂存区 , 同时去掉一个最老的数据。保持这 n 个数据始终是最近的数据。这种数据存放方式可以用环行队列结构方便地实现 , 每存入一个新数据便自动冲去一个最老的数据。然后将这n 个采样值求平均即可得到有效采样值。

3 　结束语

       磁致伸缩液位传感器一经问世就以其高准确度 ,多参数、安全可靠等优点迅速应用到成品油、化工原料的检测计量等工业领域。国外的许多公司都推出了自己的系列产品 ,而国内在此方面尚处于起步阶段。因此 ,传感器的机理分析与研究将提供传感器设计和应用以理论指导 ,可促进国内液位仪表技术的发展。同时 ,此传感器原理还可应用于注塑机、木材加工、切割机床、液压系统等的检测控制系统中。随着更深层次的研究和开发 ,它必将广泛应用于我国的各项工业领域中。

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