基于磁致伸缩效应的液体密度在线测量方法

磁致伸缩液位传感器利用智能材料的维德曼(Wiedemann)效应、维拉里(Viuary)效应及超声效应,将液位信息转换成最易高精度测量的时间量,实现了对液位和界位的高精度计量[1],其测量分辨率优于0.1 mm.由于磁致伸缩液位传感器几乎没有可动的机械部件,故具有可靠性高、安装维护方便及适用范围广等特点,是当前最理想的接触型大罐液位测量装置之一.但是,我国在油品贸易中一直采用质量结算体系,而m=ρV,磁致伸缩液位仪虽有极高的液位测量精度,但如果不能有效测量油品密度,仍然无法得到准确的油品质量值.此外,采用浮子作为液位和油水界面的感应元件,介质密度的变化将会给测量精度带来一定影响,这种影响有时甚至会远远超过液位计的最小分辨率.笔者针对上述问题,提出了“多浮子相对位移”密度测量法及液位测量值的密度校正算法,不仅能够在磁致伸缩液位仪上实现密度的在线高精度测量,而且使原有的液位测量结果更加准确,该密度测量方法已获得国家发明专利.

1　磁致伸缩液位传感器液位测量原理及测量精度

　　磁致伸缩液位传感器由传感头、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子组成(如图1所示).传感头安装在罐顶,波导管连同波导丝从罐顶插入罐内液体中,浮子浮于被测液体表面,随着液位变化而沿波导管上下滑动.工作时,传感头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号,根据电磁场理论,此电脉冲伴随一个环形磁场以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递.当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时,将与之进行矢量叠加,形成一个螺旋形磁场.根据磁致伸缩原理,当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时,磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会跟着发生变化[2],即维德曼(Wiedemann)效应.因此,当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时,磁致伸缩波导丝会产生沿螺旋形磁场的伸缩变形,导致波导丝产生扭曲形变,从而激发扭转波[3].该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到传感头中的感应线圈时,将转换成横向应力.

　　根据维拉里(Viuary)效应[4],磁致伸缩材料发生物理形变时,会在材料内部引起磁场强度的变化[5].因此,通过传感器线圈的磁通也将发生变化.根据法拉第电磁感应定律有

在传感器线圈两端将产生一个可被检测到的感应电动势ε.

　　超声扭转波的传播速度为

式中:G为磁致伸缩波导丝的弹性模量;ρ为磁致伸缩波导丝的密度.

　　由式(1)可见,超声扭转波的传播速度是一个常数.因此,通过测量发射电脉冲到检测到感应电动势ε的时间差T,就可根据,精确计算出浮子的位置.理论上,其测量精度仅与传感器的计时精度有关.超声扭转波的传播速度一般在1 800~2 000 m/s,所以,当计时精度达0.05 ms时,液位仪的测量分辨率就可达到0.1 mm.