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磁致伸缩位移/液位传感器的应用与发展

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2022-07-15 09:05

  

1 引
         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。感器 , 使这些问题得到了较好的解决。
        其材料变形的大小用磁致伸缩系数λs 来度量 ,即λs = ΔL /  L 。式中  L  是受外磁场作用的物体总长 ,ΔL 是物体长度尺寸变形量。常用磁性材料的磁致伸缩系数如下:
材料 Fe Co Ni 60Co40 Fe    60Ni40 Fe Co FeO
λs ×10 - 6 -  9 -  62 -  33 68 25 110
        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。
磁致伸缩液位传感器
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。图 1 中 ,位于中央的是磁致伸缩波导管 , 在它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间 ,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成倾斜磁场 ,因周向磁场产生于瞬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。可用于石油、液化气、食品、饮料等各类储罐的液位、界面及温度的实时测量与监控
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 ( Co Fe) 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。另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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