磁致伸缩式液位传感器

磁致伸缩式液位传感器
作者：伍艮常




       磁致伸缩液位传感器是综合利用磁致伸缩效应、浮力原理、电磁感应、电子技术等多种技术研制而成的液位测量仪表。利用了稀土超磁材料的维德曼效应、维拉里效应及超声效应 , 利用了时间量容易被高精度测量的特点 ,通过将液位信息转变成时间量 ,以及对时间量的测量 ,来实现对液位、界位的高精度测量。目前 ,国内外有关磁致伸缩技术应用于传感测量的研究很多。虽还不是很完善 ,但已初步显示出磁致伸缩技术的作用和巨大潜力 。

1.磁致伸缩液位传感器工作原理

       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工作 。

       移动的磁浮子在波导管中产生轴向磁场 ,脉冲发生电路产生脉冲 ,沿着铜丝传播 ,当遇到磁浮子的轴向磁场时形成螺旋型磁场 ,导致波导丝产生扭曲形变 ,从而激发扭转弹性波 ,弹性波以恒定的超声波速向波导管两端传播 ,超声波被固定在波导管上的回波接收装置接收转化为电脉冲 ,该脉冲经放大送到主要由计数器组成的电路中。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之间的时间间隔 , 乘以波速(约为 3 km/ s) ,即可得到磁铁的位置 ,实现位置测量。这个过程是连续不断的 ,所以 ,每当磁铁移动时 ,新的位置就会被测出来。由于测量单元可探测到由同一询问脉冲产生的连续返回脉冲 ,所以可以在同一传感器上配上多个活动磁浮子 ,同时进行液位、界位多参数测量。

2.磁致伸缩液位传感器的硬件测量电路设计

2.1.1 激励脉冲发生器

       磁致伸缩液位传感器的测量电路由脉冲超声波激发电路和接收电路组成。激发电路包括多谐振荡电路、场效应管驱动电路及充放电电路;接收电路包括输入保护电路、放大电路和滤波电路。激发电路的功能是在外接的磁致伸缩式超声传感器上施加高压脉冲 ,产生脉冲磁场 ,进而在磁致伸缩丝中激发脉冲超声波;接收电路的主要功能是对磁致伸缩式传感器输出的微弱感应电动势进行调理输出 ,并抑制激发时施加于传感器的高压激发脉冲 ,保护放大电路。

       在磁致伸缩传感器中 ,需要对波导丝施加高压瞬间脉冲 ,激发脉冲超声波 。利用电容瞬间放电的方法实现 , 电路由N沟道绝缘栅场效应管、旁路电阻、能量储存电容和二极管组成。如图 3 所示 ,在场效应管 Q 的栅极输入控制脉冲 ,当 Q 的栅极为低电位时 ,栅 - 源极电压差为零 ,Q 关断 ,能量储存电容 C 通过旁路电阻 R9 和二极管D1 充电 ,充电时间由时间常数决定 ,时间常数还决定了最大脉源电压为正电压。若 Q 导通 , C 存储的能量通过Q 、及 D2 向波导丝放电 ,在波导丝中激发出超声波。R10用于调节激发能量 ,改变激发超声波幅值的大小。

综合考虑到电路实现过程中可能存在的诸多干扰 ,以及所选用器件需要承受大电流 ,将关键器件场效应管选为 IRF840 型 ,可以承受 8A电流。

       驱动功率绝缘栅场效应管相当于驱动带容性负载的网络 ,在高频工作时 ,绝缘场效应管电容的充、放电造成的损耗十分显著 ,结电容越小 ,充、放电引起的损耗越小。在产生驱动绝缘栅场效应管的门脉冲时 , 会产生最高达几 A 的门电流 ,这超出了 TTL 芯片的驱动能力。为提高脉冲幅值 ,需增强绝缘栅场效应管的开关特性 ,可以采用双极性三极管对管驱动电路。

       驱动电路由起缓冲作用的电压跟随器 UC3140 、电阻及一对小功率开关三极管组成。当控制信号为低电平时 ,UC3140 输出低电平 ,切效应管Q 截止;当控制信号为高电平时 ,应管Q 导通。R7 的作用是与功率三极管基极相连 , 在基极回路中形成电流。这样通过三极管对管和场效应对管驱动 ,可以提高带容性负载的能力 ,具有较大的峰值电流 ,且可以提高开关速度。

2.1.2 传感器输出信号接收/ 处理电路

       由于传感器输出端信号的幅度只有 15 mV 左右 ,不便测量 ,需要增设放大电路 ,以便更准确地测得回波信号。采用 LM318 精密高速运算放大器可以满足要求 ,LM318 具有 15 MHz 小信号带宽 ,保证50 V/μs的转换速度 ,在将信号放大 100 倍后 ,仍然可以保证约 100 kHz的带宽。

       为了消除杂波干扰 ,还需要在放大电路后面增加滤波电路。激发出的超声波频率一般为几十～几百 kHz. 采用有源滤波的形式 ,设计高通和低通滤波器 ,使得频率为 10～500 kHz 的信号可以通过 ,经过试验测得电路滤波范围可以达到 918～468 kHz.

3磁致伸缩液位传感器的软件测量电路设计

       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 ,所以时间量的测量决定液位测量的精度。作为高精度智能型数字传感器 ,要求其核心处理器必须具有速度快、功耗低、运算处理能力强 ,具有较大的 RAM、ROM. 同时由于传感器的主要工作是高精度时间量计算 ,所以要求 MCU 必须具有良好的信号捕捉功能。TMS320LF2407 具有高达 40MIPS 的执行速度 ,指令周期为 25 ns ,4 级流水线作业 ,16 位可编程的计数器/ 定时器阵列带 6 个捕获/ 比较模块 ,完全可以满足高精度测量的需求 ,所以 TMS320LF2407 成为磁致伸缩液位传感器核心处理器的理想选择。

       利用 TMS320LF2407 进行时间测量原理。首先利用电压比较器LM393 将信号处理电路输出的信号与设定的电压进行比较 ,进而将输出信号转变为 TTL 电平的脉冲信号。由于 TMS320LF2407 的 I/ O 电平是 313 V 逻辑电平 ,所以需要在设计接口电路时增加电平转换器件 74LVC4245 。TMS320LF2407 共有 6 个捕获单元 ,每个捕获单元都有 1 个施密特触发器的捕获输入引脚。利用捕获单元 4 (CAP4) 捕获发射和回波信号脉冲的上升沿 ,事件管理器 B ( EVB) 的通用定时器 3 对脉冲进行计数 ,用中断的方式读取计数值并将定时器的计数值装入 FIFO 堆栈。此时计数器的计数值与液位仪中磁铁和传感器头之间的距离成正比。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。如果选用比较高的计数频率或者发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔较长时 ,就可能会超过DSP 的最大捕获时间 ,这时需要利用定时器溢出的方法再加上软件计数来扩大计时范围。

4.结束语

       磁致伸缩液位传感器测量范围宽(最大可达18 m) ,测量精度高(一般为 0102 %～0105 %或 011～015 mm) ,重复性好(一般为 01002 %) ,且温度系数较低(一般为 01005～0101 ℃) ,同时可以对油位/ 油水界面及多点温度等多个参量进行测量。由于磁致伸缩液位传感器采用非接触传感元件 ,故具有较高的使用寿命和标定特性 ,再加上其安装调试方便 ,输出信号多样(有模拟量、脉冲信号、数字信号) ,因此 ,磁致伸缩液位将会成为液位测量的主流产品。





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