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磁致伸縮液位傳感器的應用與發展

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-04-02 13:28

  

       隨著科學技術的迅猛發展 ,尤其是新材料的不斷涌現和計算機、通信技術的飛速發展 ,液位測量原理和測量方法在不斷發展和更新。同時 ,工業生產也對液位測量提出了越來越高的要求 ,要同時滿足高準確度、大量程、多參數測量的要求 ,傳統的浮子式、電阻式、電容式、超聲波等液位傳感器都不能很好地滿足這些測量要求 ,采用磁致伸縮液位傳感器 ,使這些問題得到了較好的解決。
2、磁致伸縮液位傳感器的工作原理
2.1.1磁致伸縮效應
       磁致伸縮液位傳感器是基于磁致伸縮效應。鐵磁材料或亞鐵磁材料在居里點溫度以下于磁場中被磁化時 ,會沿磁化方向發生微量伸長和縮短 ,稱之為磁致伸縮效應 ,又稱焦耳效應。磁致伸縮的產生是由于鐵磁材料在居里點溫度以下發生自發磁化 ,形成大量磁疇 , 并在每個磁疇內晶格發生形變。在未加外磁場時 ,磁疇的磁化方向是隨機取向的 ,不顯示宏觀效應 ;在有外磁場作用時 ,大量磁疇的磁化方向轉向外磁場磁力線方向 ,其宏觀效應表現為材料在磁力線方向的伸長或縮短。相反 ,由于形狀變化致使磁場強度發生變化的現象 ,稱為磁致伸縮逆效應。
       20 世紀 80 年代少數工業國如美國和德國 ,利用磁致伸縮原理開發出了絕對位移傳感器。之后美國 M TS 公司首先將磁致伸縮原理用于液位測量技術上 ,開發出測量油罐液位的傳感器。磁致伸縮效應在測量長度、位移等方面得到了廣泛的應用 ,而在液位測量中的應用只有十幾年的歷史。
2.1.2  磁致伸縮液位傳感器總體結構
       磁致伸縮液位傳感器是由保護套管、波導管、磁性浮子和測量頭四個主要部分組成 ,圖 1 為一種典型的安放于儲罐中的液位傳感器總體結構圖。測量頭裝置在罐體之外 ,包括脈沖發生、回波接收、信號檢測與處理電路。由不銹鋼或鋁合金材料做的保護套管套在波導管外 ,插入液體中直達罐底 ,底部固定在罐底。磁浮子可以有兩個 ,一個測量油位 ,另一個安放在波導管對應的油水界面處 ,用于測量界位。若在波導管底端再設置一塊磁鐵 ,還可以完成自校正功能 ,使傳感器無須定期標定。
2.1.3  磁致伸縮液位傳感器工作原理
       其工作原理是 ,利用兩個不同的磁場相交使波導管發生波導扭曲 ,產生一個超聲波信號 ,然后計算這個信號被探測所需的時間 ,便能換算出動磁鐵的準確位置。 在波導管的軸向方向配置非接觸移動的磁浮子 ,為磁致伸縮波導管產生軸向磁場。當在金屬線上有一個軸向的電流脈沖時 ,在波導管上產生周向磁場 ,周向和軸向磁場矢量合成傾斜磁場 ,因周向磁場產生于瞬,所以傾斜磁場也瞬間產生。一旦磁場發生瞬間變化時 ,根據威德曼效應 ,波導管隨其瞬間變形產生波導扭曲 ,同時產生一個應變脈沖的超聲波信號 ,在波導管中以固定的速度向兩端傳播。當超聲波沿波導管傳到控制器一端時 ,超聲波被固連在波導管上的回波接受裝置接收轉換為電脈沖 ,該脈沖經放大送到主要由計數器組成的測量電路中。超聲波在波導管中是以恒速傳播的 ,測出脈沖發射與脈沖接收兩者之間的時間間隔 ,乘以這個固定速度 ,即可得到磁鐵的位置 ,實現位置檢測。磁浮子距離傳感器的電子檢測裝置越遠 ,聲波傳播所需的時間越長 ,傳感器測得的時間間隔也越長。這個過程是連續不斷的 ,所以每當磁鐵移動時 ,新的位置就被檢測出來。
        波導管中超聲波的傳播速度一般在 1800 ~2000m/ s。當計時頻率為 200MHz 時 ,以超聲波傳播速度 2000m/ s 為例 , 液位傳感器的測量分辨率Δ= (2000m/ s) / 200MHz = 0101mm。由此可見 ,只要計數脈沖的頻率足夠高 ,磁致伸縮液位傳感器的理論分辨率可以達到無窮小 ,實際上可以達到甚至優于 0101mm ,而且還可采用溫度補償等措施 ,所以磁致伸縮傳感器能夠達到很高的準確度。傳感器的測量頭內含單片機控制系統 ,可以探測到同一發射脈沖所產生的連續返回脈沖 ,所以在同一傳感器上安裝 2 個浮子 ,可以同時進行油位、水位的測量。若在波導管底部 (罐底) 固定一個磁環 ,還可完成自校準功能 ,消除溫度對波速的影響。設罐總高 L ,超聲波從油面、油水界面和罐底返回的時間分別為 T1、T2 和 T3 , 則油位 : L 1 = L ( T3 -T1) / T3 ; 水位 : L 2 = L ( T3 - T2) / T3。所以在同一傳感器上配多個活動磁浮子 ,可以同時進行液位、界位多參數測量。
磁致伸縮液位傳感器
3  磁致伸縮液位傳感器的使用特點
磁致伸縮液位傳感器在使用上有許多優點 :
(1) 測量精度可達 0101 %FS (全量程) ,其非線性精度能小于 0101 %FS ,重復精度能小于 01001 %FS。在現有液位傳感器中 ,只有伺服型浮子液位傳感器、雷達液位傳感器和光纖液位傳感器的測量精度可達到毫米量級。測量范圍大 ,硬桿式為 911m ,軟纜式可達 18m ,一般的測量范圍均可滿足。測量界面時 ,過去一般用浮筒式、磁浮子式較多 ,但效果不佳。射頻導納液位傳感器測界面有一定的優勢 ,但精度不高。磁致伸縮液位傳感器在測量界面上較以上各類界面儀均有優勢 ,它不僅可靠性高 ,受介質變化影響小 ,而且準確度也高。
(2) 由于采用波導管來傳播超聲波 ,故介質的霧化和蒸氣、介質表面的泡沫等都不會對測量精度造成較大的影響。輸出信號一般采用 4~20mA 標準電流信號或 RS485 數字信號 ,可直接接入 DCS 系統或其它計算機管理系統 ,便于用微機對信號進行處理。
(3) 液位傳感器的整個變送器密封在保護套管內 ,其傳感器元件和被測液體非接觸。雖然測量時 ,磁性浮球不斷移動 ,但不會對傳感器造成任何磨損 ,所以性能可靠 ,使用壽命長 ,無故障工作時間最長可達 23 年 ,適合多種惡劣環境。
(4) 安裝、調試、標定簡單方便。在現場安裝確定之后 ,可準確計算出液位 (或界面) 零點及滿量程在測量保護套管上的相應位置 ,在安裝前即可通電調試 ,把浮子分別置于零點和滿量程位置 ,調零點和滿量程輸出分別為 4mA 和 20mA ,無需通過液面(或界面) 升降來調試、標定。由于輸出信號反映的是絕對位置的輸出 ,而不是比例或需要再處理的信號 ,所以不存在信號漂移或變值的情況 ,不需要像其它類型的液位傳感器那樣進行定期標定和維護 ,大大節省了人力和物力 ,為用戶帶來極大的方便。
(5) 可進行多點、多參數的液位測量 ,有自校正、免維護等獨特功能。安全性高 ,磁致伸縮液位傳感器的防爆等級一般有隔爆型和本安型兩種 ,適合工作在各種易燃、易爆、高溫、高壓等危險場所 ,測量時無需人工開啟罐蓋 ,避免了人工測量帶來的不安全因素。
       但是當被測液體的密度分布不均時 ,其浮子在液體中的高度會有變化 ,需要以實際介質進行標定。尤其要注意被測介質的溫度變化有時會對測量造成較大的影響。由于采用磁性浮子作為液位和油水界面的感應元件 ,當被測介質受溫度影響引起密度變化時 ,會使浮子浸在液體中的高度發生變化 ,給測量準確度帶來影響。這種影響有時甚至會大大超過液位傳感器的測量精度 ,為此要減小介質密度隨溫度變化對測量的影響??梢詮膬煞矫婵紤]。一方面 ,從浮子材質及結構尺寸考慮 ,盡量減小浮子密度 ,使浮子浸入介質的深度減小。若不是柱狀浮子 (如球狀) ,減小其外徑 ,也可減小密度變化對測量的影響 ;另一方面 ,應考慮溫度影響的補償 ,目前美國可以減小溫度變化引起的密度變化對測量的影響。所以 ,磁致伸縮液位傳感器要實現高精度測量 ,必須配有高分辨率的信號檢測接口及溫度補償措施才能得以實現。此外 ,浮子沿著波導管外的保護套管上下移動 ,長期工作粘結污垢后 ,浮子容易被卡死 ;而且磁致伸縮液位傳感器價格較高 ;使用時的工作壓力也不宜太高 ,一般都在 30MPa 以下。
4 磁致伸縮液位傳感器的發展趨勢
       近年來 ,各種高新技術迅猛發展 ,使得磁致伸縮液位傳感器發生了很大變化。一方面是采用新材料、新工藝 ,以提高測量的精確度、可靠性和應用范圍 ,進而實現傳統傳感器不可能完成的全新更佳功能。如將稀土超磁致伸縮材料應用于磁致伸縮液位傳感器。稀土超磁致伸縮材料 ,是比傳統磁致伸縮材料如 Fe、Co 、Ni 等的磁致伸縮系數大 100~1000倍的一類磁致伸縮材料 , 例如 Pr2Co17 、SmFe2、 Tb (CoFe) 2等 ,其特點是隨磁場的變化產生敏銳而精確的長度變化。航天長征火箭技術有限公司將其用于磁致伸縮傳感器 ,用其制作傳感器的核心敏感元件 ———波導絲。這種波導絲與傳統的波導絲相比 ,具有應變值高、由機械應變轉換為超聲波能力強的優點。制作的傳感器在測量精度、測量范圍上都大大優于傳統的磁致伸縮液位傳感器。
       一方面是利用微電子、微機械、計算機和通訊等技術的發展 ,使得磁致伸縮液位傳感器朝著數字化、智能化以及柔性化方向發展。所謂智能化 ,即液位傳感器有自適應、自學習、自校正、自協調、自診斷、自修復等功能。柔性化指在現有電腦化的基礎上 ,采用硬件軟化、軟件集成、虛擬現實、軟測量等人工智能的方法和技術 ,實現傳感器的柔性化 ,研究開發出具有擬人智能的特性或功能 ,能夠自動完成某些測量任務或在程序指導下完成預定動作 ,實現復雜的控制功能 ,并能靈活地改變和擴展功能。 另外 ,隨著納米技術、生物工程技術的發展 ,納米技術和生物技術在液位測量傳感器中的應用也將會日益增多。
 


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