磁致伸縮液位變送器的原理與應用

李 利 曲秋江

（遼寧金洋科技發展集團有限公司，遼寧 丹東 118000）

隨著傳感器技術和通信技術的發展，使得液位測量原理和測量方法不斷的發展與更新。同時工業生產對液位的測量要求也越來越高，因此需要我們研發更加先進的液位測量技術以滿足市場的需求。磁致伸縮液位變送器就是新一代液位測量產品中的佼佼者。它具有質量穩定、性能優越、使用壽命長、安裝簡單、性價比高的等優點，能同時滿足大量程、高精度、多參數的測量要求，有非常好的發展前景。本文將對磁致伸縮液位變送器的原理、應用和故障分析進行闡述。

1 磁致伸縮液位變送器原理

1.1 磁致伸縮效應

磁致伸縮效應是指磁體材料受外磁場作用時，在磁場方向材料長度發生微小的變化。磁致伸縮效應于1842年由焦耳（Joule，J. P）發現，故又稱焦耳效應。磁致伸縮效應的微觀來源是由于強磁體中的磁電子磁矩系統與晶格系統的耦合作用，即通過磁自旋波與晶格彈性波之間的相互作用而產生的。施加外磁場后，其宏觀效應是材料在磁力線方向的伸長或縮短。長度為L的磁體在磁場強度H的磁場中發生相對伸縮的值A=△L/L，即A為磁致伸縮常數。

1.2 傳感器組成與工作原理

磁致伸縮液位變送器原理是基于磁致伸縮效應。在保護套管內部有一根波導管。借助微處理器控制的傳感器電路，沿波導管發射電流脈沖，從而在波導管周圍產生一個環形磁場。浮子內部有一組永久磁鐵，其磁場使波導管沿軸向磁化。兩個磁場疊加處會產生一個扭轉脈沖，它沿波導管傳達到傳感器頂端，脈沖傳送時間將被電路單元獲取并計算。

通過檢測發射脈沖與返回彈性波的時間差，即可計算出液位。由于電流以光速傳播，從發射端到磁浮子之間的時間可以忽略不計，所以只要測量出磁浮子反饋信號到檢測端的時間就可以知道磁浮子與檢測端的距離h。由于脈沖是連續不斷的，所以距離h是實時更新的。即 h=VT，L=H-VT

其中V為彈性波速度，m/s；T為時間差，s；H為油罐高度，m；L為液位高度，m。

1.3 磁致伸縮傳感器的檢測方法

從上述分析可得，磁致伸縮傳感器是通過檢測脈沖發射與回波接受之間的時間差，然后計算得到液位高度。由此可見，計數器的脈沖時間直接決定了磁致伸縮液位變送器的測量精度。

在發射脈沖電流的同時觸發計數器開始計時。產生回波經脈沖經放大后使計數器復位，則計數器N正比于時間間隔T。

時間分辨率為 △ T=T/N=1/f （a）

液位高度為 L=H-VT （b）

其中f為計數器脈沖頻率，Hz。

由式a可以看出時間分辨率△T與頻率的關系。計時頻率越高，間隔時間越精確，測量距離越準確。

波導管中傳送返回彈性波速度一般在1800—2000m/s。如果當計時頻率為200MHz時，以彈性波傳播速度2000m/s為例，液位變送器的測量分辨率為△=（2000m/s）/200MHz=0.01mm。

2 磁致伸縮液位變送器構成

磁致伸縮液位變送器是由變送器表頭（包括脈沖發生源、回波接收器、信號檢測與處理電路、外殼），保護套管，波導管和磁浮子組成。變送器表頭放置在罐體之外，在波導管外面有不銹鋼或哈氏合金構成的保護套管，直接固定在罐體頂部。如果波導管是軟管的話，底部需要用重錘或者掛環來固定。

變送器表頭里有單片機控制系統，可以探測到同一發射脈沖所產生的連續返回脈沖，所以可以在波導管上安裝2個浮子，分別用來測量液位和界位。在波導管底部固定一個校正磁環，可以完成自動校準功能。設罐體總高H，返回脈沖從油面、油水界面和罐底返回的時間分別為T1、T2、T3，則：

油位：H1=H（T3-T1）/T3

水位：H2=H（T3-T2）/T3

故可以在液位變送器上配多個浮子，同時進行液位和界位的測量。

3 磁致伸縮液位變送器的故障分析

3.1 變送器在現場校驗的時候，會出現浮子上下移動不靈活。大多數這種現象是有安裝不當引起的。檢查上下法蘭的中心是否在一條直線上，調整導波管使其垂直于水平面。

3.2 變送器使用一段時間以后會出現浮子上下移動困難的現象。這主要是由于磁浮子上沾有鐵屑或其他雜質。要先排空罐體，取出浮子，清除磁浮子上的鐵屑或其他雜質即可。

3.3 變送器在使用過程中，如果輸出信號產生不規則波動或有干擾源存在，要檢查該屏蔽電纜是否可靠接地，工作接地電阻是否滿足要求。

3.4 變送器在使用過程中，不要用強磁鐵在連通管外上下拉動浮子檢查，以防止磁浮子磁化而改變極性。

3.5 選用本安型變送器時，注意變送器與安全柵是否匹配。

4 磁致伸縮液位變送器的應用及發展前景

隨著技術發展，高新技術在各行業中得到了更廣泛的應用，高科技含量的磁致伸縮液位變送器既能用于直線位移測量，又能用于各類液罐的液位測量，且能給出位移移動信號，具有精度高、環境適應性強、安裝方便等特點，因此在石油、化工、食品等領域內取代了原有的傳統計量儀表。

磁致伸縮技術不光可以用于罐區測量，它還在聲納的水聲換能器技術、電聲換能器技術、海洋探測與開發技術、微位移驅動、減振與防振、減噪與防噪系統、自動化技術、燃油噴射技術、泵、波動采油等高技術領域有廣泛的應用前景。

結語

通過對磁致伸縮液位變送器原理的研究和分析，說明了該變送器精度高的原因。當然要想達到變送器高精度測量還必須配備精度高、穩定性好的信號檢測電路。最后列舉了一下該變送器常見故障以及變送器發展前景。

[1]李國棟.當代磁學[M].中國科學技術大學出版社，1999.

[2]任波，陳祥光，姜波等.磁致伸縮液位變送器機理研究[J].傳感器技術，2003，22（01）：15-18.