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            HART 協議磁致伸縮液位儀的研制和應用

            來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-05-31 11:58

              

            1、工作原理
                   理論研究表明,有些鐵磁性物質有較大的磁致伸縮效應,在磁場作用下,沿磁場方向產生與磁場強度二次方成線性關系的縱向應變,稱為正磁致伸縮效應或焦耳效應;反之,當極化磁棒發生縱向應變時, 其內部磁場強度發生變化, 稱為逆磁致伸縮效應或維拉里效應;當通過電流時產生扭轉, 稱為維德曼效應。利用以上效應,制成了磁致伸縮位移傳感器。
                   工作時,主控電路激發的電流查詢脈沖沿磁致伸縮材料的波導絲向下傳播,電流在波導絲周圍產生的磁場遇到浮子內磁鐵形成的磁場時相互疊加產生一個很強的瞬間螺旋磁場,從而使波導絲產生磁致伸縮效應,扭轉并激發一扭轉聲波。此聲波在波導絲中以固定聲速上傳返回至頂端的檢測電路。電路檢測到此脈沖,并計算出激發脈沖至返回脈沖的時間即可測得浮子的位置,從而測出液位。由于聲波在波導絲中的聲速不受介質影響,溫度對聲速的影響也較小,因此磁致伸縮液位儀有很高的測量精度。
                  實驗表明:浮子內偏置磁鐵的磁場與返回信號的幅值呈拋物線關系, 在低磁場作用下, 返回信號的幅值隨著偏置磁場的增加而增大, 在高偏置磁場作用下,返回信號的幅值隨著偏置磁場的增加反而減小。
            2、電路框圖
                   設計的電路主要包括信號檢測部分、HART 調制解調部分、電源電路、4-20mA 電流電路、顯示及按鍵接口等。
            3 設計中關鍵技術的解決
            3.1 功耗和測量分辨率的矛盾
                   儀表使用兩線制 4-20mA 帶 HART 輸出,對硬件的功耗有極高要求,正常工作并進行 HART 通訊時,總線功耗不能大于 4mA,所以采用一系列低功耗器件:低功耗運算放大器、低功耗 A/D、D/A 芯片、高性能低功耗單片機。測量分辨率取決于電子計數脈沖頻率,頻率越高,測量分辨率越高,但頻率越高,電子線路的功耗會越大。當波導絲內的超聲波聲速為2800m/s 時,如采用 28MHz 的計數頻率,分辨率為0.1mm,用 56MHz 的計數頻率,分辨率約為 0.05mm。在電路設計中,選用 11MHz 的晶體振蕩器,分辨率可達到 0.26mm,完全滿足一般液位測量需求。
            磁致伸縮位移傳感器
            3.2 從噪聲環境中檢測出回波信號
                   儀表工作時,主控板要周期性地發送查詢脈沖,波導絲上產生瞬間大電流,易對周圍產生電磁干擾,同時瞬間大電流會在檢測線圈中產生感應電動勢,此電動勢相對于鎳片的逆磁致伸縮效應產生的電動勢而言,幅值很大,一定程度上會影響到回波的檢測。為了增大回波信號,可以增加線圈的匝數,但考慮放大電路的要求,匝數過多會使線圈阻抗增大。設計時要互相權衡。為了保證信號完全差模,需要兩邊線圈、偏置磁鐵的參數完全一致,且相對于波導絲軸對稱。
            3.3 抗干擾措施
                    為了提高儀表的抗干擾能力,在易受干擾的信號放大電路周圍做了電磁屏蔽,采用左右對稱的結構,使得共模信號相互抵消,傳感器整體振動、熱噪聲等干擾均為共模信號。放大電路采用了差分放大,放大了差模,抑制了共模,同時電源回路采用了共模扼流圈抑制共模干擾。還有,將采集電路板密封在傳感器的不銹鋼套管內,電源線采用雙絞線或屏蔽線。實踐證明,采用以上措施,效果良好,儀表供電可采用普通雙絞線。
            4 磁致伸縮液位儀的優點
                   磁致伸縮液位儀是一種絕對位置傳感器,輸出信號是絕對位置輸出,而不是比例的或需要再放大處理的信號,所以不存在信號漂移或變值的情況,不必像其它液位傳感器一樣需要定期重標和維護。其輸出提供相對于一個固定基準的距離讀數,而不是相對于前一個位置的讀數。即使電源中斷重接也不會對數據測量造成影響,更無須重新調整零位,且由于傳感組件都是非接觸的,也不會對傳感器造成任何磨損。測量過程是不斷重復的,一般約 1 次/100ms,所以實時性很好。
                   研制的磁致伸縮液位儀,其波導絲內的聲速,經過測量,為 2880 m/s;對于 4m 長的測桿,從激勵脈沖發出到信號返回,用時約 1.4ms,檢測速度非???。
                   波導絲是磁致伸縮探棒的關鍵材料,檢測精度取決于波導絲的加工工藝。如果能夠保證聲波在波導絲中勻速傳播,就可以保證檢測的精度,如加工工藝不到位,材料內元素不均勻,或有碎彎,均會影響檢測精度。
                   測量精度僅與計時精度和波導絲的均勻度相關,而與周圍的壓力、溫度等無關。
                   磁致液位伸縮探棒從結構上講測桿內只有波導絲,波導絲又是鐵鎳合金制造的。在沒有劇烈氧化的條件下不會損壞,是非易損部件,可靠性很好。
                   由于磁致伸縮液位儀的測量精度高,±0.1mm 精度的液位儀應用于大型油罐時,可通過長時間觀察液位值的變化,間接地檢測油罐有無漏油、偷油現象發生。
            5 工業現場的應用情況
                    2006 年 9 月以來,在蘭州石油化工公司銀灘、中心、安達三個加油站和污水處理廠安裝了 16 臺研制的磁致伸縮液位儀,利用上位機的監控軟件通過HART Modem 與液位儀通訊,在控制室實時監視液位變化情況。每臺液位儀都工作在多點模式,輸出電流固定在4mA,使用自制的 HART 協議電源阻抗匹配器,通訊效果良好。同時還可使用上位機的組態軟件或手持器對每臺儀表進行組態,如設置量程上下限等。在應用現場還可通過儀表的按鍵對儀表進行設置,通過表上的液晶顯示屏讀取液位值,方便實用。
                   研制的磁致伸縮液位儀還在以下工業裝置場合進行了安裝應用,代替原有的電浮筒液位變送器和法蘭液位變送器,長期運行正??煽?,液位檢測和顯示均達到設計指標和用戶要求。在蘭州石化公司常減壓裝置 12 單元臥式污油罐上安裝應用了 1 臺量程 2.8m的磁致伸縮液位儀;在蘭州白銀銀光公司硝化車間 2 具 3.2m藥品罐上安裝應用了 2 臺量程 3.0m 磁致伸縮液位儀,用戶反映該液位儀輸出信號穩定可靠,減少了現場罐區人工檢尺的次數;在蘭州石油化工公司儀表廠成套車間表面處理中心的電鍍液槽上安裝應用2 臺量程4.0m磁致伸縮液位儀;在蘭州石油化工公司儀表廠水流量標定裝置安裝應用 4 臺量程 2.0m 的磁致伸縮液位儀,經受住了運行在旁邊的 75kW 電機的強電磁干擾考驗。目前儀表運行平穩可靠,液位反應準確。
             


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