磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究

　　1　引言

　　各种原理构成的液位测量方法很多,如钢带浮子式、磁浮子式、静压式、电容式、伺服式、超声波式、雷达式液位测量等。对于一般情况的液位测量都能满足要求。但是,对于大量程、多参数、高精度的液位测量,以上方法都存在不理想之处。例如,对于较大直径及高度的储油罐,油位和水位的高精度测量决定着油料容积和质量的精确测量以及油料输送系统的高精度控制。几毫米的测量误差,将会带来巨大的经济损失。像这样的储油罐,有的高达20多米,对于这么大量程的液位测量,若能达到在不同环境条件下,测量误差只有几毫米是非常不容易的。即使采用精度为0·1%的液位测量仪表,还存在20 mm的误差。

　　随着新型功能材料的开发以及电子技术的发展,美国MTS系统公司和Veeder Root公司研制出了磁致伸缩液位传感器。它具有重复精度高(可达0·01%F.S.),不用定期标定及维修,安装容易,可同时测量液位、界位及平均温度等独特优点。

　　2　工作原理

　　磁致伸缩效应是铁磁材料在磁场中会发生形变的物理现象,即在外磁场作用下,材料内部随机取向的磁畴发生旋转至与外磁场方向一致,使之在几何尺寸上出现沿外磁场方向的伸长或缩短现象。磁致伸缩效应在长度、位移测量等方面得到了广泛的应用,在液位测量中的应用只有十几年的历史,而中国目前还处在引进国外产品的应用研究与开发阶段。

　　磁致伸缩液位传感器是基于磁致伸缩效应、浮力原理、电磁感应、电子技术等综合技术所研制的高精度液位测量仪表。该仪表由波导管、外管、磁性浮子和电子部件组成,其工作原理如图1所示。

　　测量时,电子部件向波导管内的铜线发出一询问脉冲,此脉冲电流同时产生一垂直于铜线的环行磁场;沿外管随液位升降的浮子内置一组永久磁铁,产生一轴向磁场。当两磁场相交时,产生一螺旋磁场使波导管应变,并以超声波速运行到电子部件的感应线圈。测量从发射电流脉冲的时刻到返回应变脉冲的时间t乘以应变波运行的速度v,就可得到被测液位L.

　　L=tv (1)

　　该传感器采用磁致伸缩原理,将浮子式位移量检测的接触法测量变为磁浮子式时间量检测的非接触法测量,从而获得高精度。并且由于电子部件可探测由同一询问脉冲所产生的连续返回脉冲,所以可以在同一传感器上配多个活动磁浮子,同时进行液位、界位多参数测量。

　　3　实现高精度测量的分析与研究

　　磁致伸缩液位传感器是利用波导管产生应变,测量应变波的返回时间来确定磁浮子的位置。从而可知,要保证高精度的测量,必须具有检测时间量的高分辨率,同时还应考虑应变波速变化以及液体密度变化对测量的影响。因此,实现高精度,必须解决以下几方面问题。