1 引 言
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。感器 , 使這些問題得到了較好的解決。
其材料變形的大小用磁致伸縮系數λs 來度量 ,即λs = ΔL / L 。式中 L 是受外磁場作用的物體總長 ,ΔL 是物體長度尺寸變形量。常用磁性材料的磁致伸縮系數如下:
材料 Fe Co Ni 60Co40 Fe 60Ni40 Fe Co FeO
λs ×10 - 6 - 9 - 62 - 33 68 25 110
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位移傳感器。之后美國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。圖 1 中 ,位于的是磁致伸縮波導管 , 在它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間 ,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。
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成傾斜磁場 ,因周向磁場產生于瞬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 ,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。可以從兩方面考慮。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。可用于石油、液化氣、食品、飲料等各類儲罐的液位、界面及溫度的實時測量與監控
4 磁致伸縮液位傳感器的發展趨勢
近年來 ,各種迅猛發展 ,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 ( Co Fe) 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。另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。
