HART协议磁致伸缩液位仪的研制和应用

　　1 工作原理

　　理论研究表明，有些铁磁性物质有较大的磁致伸缩效应，在磁场作用下，沿磁场方向产生与磁场强度二次方成线性关系的纵向应变，称为正磁致伸缩效应或焦耳效应;反之，当极化磁棒发生纵向应变时, 其内部磁场强度发生变化, 称为逆磁致伸缩效应或维拉里效应;当通过电流时产生扭转, 称为维德曼效应。利用以上效应，制成了磁致伸缩位移传感器。其磁浮球示意图和工作波形图如图 1 所示。

　　工作时，主控电路激发的电流查询脉冲沿磁致伸缩材料的波导丝向下传播，电流在波导丝周围产生的磁场遇到浮子内磁铁形成的磁场时相互叠加产生一个很强的瞬间螺旋磁场，从而使波导丝产生磁致伸缩效应，扭转并激发一扭转声波。此声波在波导丝中以固定声速上传返回至顶端的检测电路。电路检测到此脉冲，并计算出激发脉冲至返回脉冲的时间即可测得浮子的位置，从而测出液位。由于声波在波导丝中的声速不受介质影响，温度对声速的影响也较小，因此磁致伸缩液位仪有很高的测量精度。

　　实验表明：浮子内偏置磁铁的磁场与返回信号的幅值呈抛物线关系, 在低磁场作用下, 返回信号的幅值随着偏置磁场的增加而增大, 在高偏置磁场作用下,返回信号的幅值随着偏置磁场的增加反而减小。

　　2 电路框图

　　设计的电路主要包括信号检测部分、HART 调制解调部分、电源电路、4~20mA 电流电路、显示及按键接口等，如图 2 所示。

　　3 设计中关键技术的解决

　　3.1 功耗和测量分辨率的矛盾

　　仪表使用两线制 4~20mA 带 HART 输出，对硬件的功耗有极高要求，正常工作并进行 HART 通讯时，总线功耗不能大于 4mA，所以采用一系列低功耗器件：低功耗运算放大器、低功耗 A/D、D/A 芯片、高性能低功耗单片机。测量分辨率取决于电子计数脉冲频率，频率越高，测量分辨率越高，但频率越高，电子线路的功耗会越大。当波导丝内的超声波声速为2800m/s 时，如采用 28MHz 的计数频率，分辨率为0.1mm，用 56MHz 的计数频率，分辨率约为 0.05mm。在电路设计中，选用 11MHz 的晶体振荡器，分辨率可达到 0.26mm，完全满足一般液位测量需求。

　　3.2 从噪声环境中检测出回波信号

　　仪表工作时，主控板要周期性地发送查询脉冲，波导丝上产生瞬间大电流，易对周围产生电磁干扰，同时瞬间大电流会在检测线圈中产生感应电动势，此电动势相对于镍片的逆磁致伸缩效应产生的电动势而言，幅值很大，一定程度上会影响到回波的检测。为了增大回波信号，可以增加线圈的匝数，但考虑放大电路的要求，匝数过多会使线圈阻抗增大。设计时要互相权衡。为了保证信号完全差模，需要两边线圈、偏置磁铁的参数完全一致，且相对于波导丝轴对称，如图 3 所示。