劉 娜，張 斌，張志超

（青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

引言

近年來，利用磁致伸縮原理進(jìn)行測(cè)量的液位儀在自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中得到了一定應(yīng)用，提高了野外儲(chǔ)罐液位測(cè)量的準(zhǔn)確度及自動(dòng)化水平。磁致伸縮液位儀傳感器的工作原理主要是利用磁效應(yīng)和超聲效應(yīng)的結(jié)合來達(dá)到測(cè)量目的，即維德曼效應(yīng)和維拉里效應(yīng)。磁致伸縮液位儀傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有：精度高、可靠性高、安全性高、安裝維護(hù)方便、便于自動(dòng)化管理等。

1 系統(tǒng)具體研究

根據(jù)野外儲(chǔ)罐測(cè)量方面的特點(diǎn)、對(duì)環(huán)境的要求發(fā)現(xiàn)，磁致伸縮液位儀是最理想的野外儲(chǔ)罐液位測(cè)量裝置，選用磁致伸縮液位傳感器作為液位和溫度信息采集的傳感器，所做的具體研究?jī)?nèi)容如下。

1.1 磁致伸縮絲（波導(dǎo)絲）

磁致伸縮位移傳感器相比而言具有更大的動(dòng)態(tài)范圍、更高的靈敏度，應(yīng)用廣泛。磁致伸縮波導(dǎo)絲的材料大多為金屬合金，因其具有可拉成細(xì)絲、可軋成薄帶等特點(diǎn)，從而保證了波導(dǎo)絲的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量。此外，開發(fā)磁致伸縮液位儀的關(guān)鍵因素是保證大而穩(wěn)定的伸縮系數(shù)。磁致伸縮絲的參數(shù)直接影響測(cè)量的精度，主要有如下情況。

1）導(dǎo)波速度。采用單片機(jī)來計(jì)算波導(dǎo)絲從施加電流脈沖到返回扭轉(zhuǎn)波的時(shí)間確定浮球的位置，導(dǎo)波速度越小分辨率越高。

2）磁致伸縮率。伸縮率越高，得到的扭轉(zhuǎn)波越高，要求在較小的磁場(chǎng)下獲得較大的磁致伸縮系數(shù)，有足夠強(qiáng)的矯頑力、飽和磁致伸縮系數(shù)較高、飽和磁化強(qiáng)度夠大。盡量減小渦流和磁滯損失，有較高的機(jī)電耦合系數(shù)。

3）波導(dǎo)絲直徑。磁致伸縮波導(dǎo)絲要求為1.0 mm或者更細(xì)的絲材，具有良好的機(jī)械性能，易于加工。

4）波導(dǎo)絲電阻率和耐腐蝕性要好，導(dǎo)電能力強(qiáng)。

5）熱膨脹系數(shù)小。能在高溫區(qū)測(cè)量大量程的位移變化，具有高的居里點(diǎn)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

6）彈性模量不因溫度、磁場(chǎng)的變化而變化。

1.2 脈沖扭轉(zhuǎn)波傳播速度的計(jì)算

從磁致伸縮波導(dǎo)絲的材料、本身參數(shù)以及加工工藝來看，脈沖在波導(dǎo)絲上傳播的速度不是固定的?？梢圆捎靡环N比較法來間接計(jì)算脈沖在波導(dǎo)絲上的傳播速度。準(zhǔn)備一支高精度光柵尺（光柵尺的精度可以達(dá)到0.05 μm），磁致伸縮液位儀探針，通過支架將磁致伸縮液位儀探針和光柵尺平行固定好。緩緩從下到上浮動(dòng)磁致伸縮液位儀探針的浮球，在不同的位置讀出磁致伸縮液位儀記錄的脈沖數(shù)和光柵尺高度。根據(jù)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)變量的關(guān)系無法用解析式表示，只能得到一些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)。如何利用這些離散數(shù)據(jù)點(diǎn)來估算兩個(gè)變量的關(guān)系，得到未知數(shù)據(jù)點(diǎn)的具體值，需要用擬合直線方法來實(shí)現(xiàn)。

該方法可采用MATLAB軟件中曲線擬合工具箱的Plot函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)。通過程序計(jì)算出斜率，由于磁致伸縮液位儀探針計(jì)量的脈沖數(shù)是頂部電子倉(cāng)發(fā)出和返回的脈沖數(shù)，將脈沖數(shù)換算成高度數(shù)，通俗地講是計(jì)量的頂部高度，而光柵尺計(jì)量的是底部的高度，用-1來除以斜率，得到1個(gè)脈沖代表的高度，即脈沖在磁致伸縮絲上的傳播速度。對(duì)磁致伸縮液位儀探針來說，實(shí)測(cè)點(diǎn)越多越密集，計(jì)算出的波導(dǎo)絲傳播速度越精準(zhǔn)，但同時(shí)會(huì)降低實(shí)際的生產(chǎn)效率，因此一般采集點(diǎn)的高度差設(shè)定為10 cm左右。

1.3 波導(dǎo)絲扭轉(zhuǎn)信號(hào)拾取與處理和波導(dǎo)絲電流脈沖發(fā)送電路

采用電感線圈拾取波導(dǎo)絲扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，采用高速儀表放大器進(jìn)行信號(hào)放大。放大后的信號(hào)接到單片機(jī)的輸入捕獲端，單片機(jī)不需要實(shí)時(shí)關(guān)照，捕獲定時(shí)器自動(dòng)就能記錄事件時(shí)間。在這一單元，減少電信號(hào)干擾是至關(guān)重要的，另外，脈沖寬度、脈沖電流大小、脈沖電路的EMC設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵。磁致伸縮液位儀傳感器的原理框圖如圖1。

圖1 傳感器電路原理框圖

在磁致伸縮液位儀傳感器中，激勵(lì)脈沖發(fā)送方法是需要通過電路對(duì)磁致伸縮絲施加瞬時(shí)高壓脈沖，利用電容放電的方法實(shí)現(xiàn)，電路由場(chǎng)效應(yīng)管、輔助電路、儲(chǔ)電電容和其他二極管組成。相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖2。

1.4 溫度檢測(cè)

磁致伸縮液位儀包含溫度測(cè)量功能，溫度傳感器采用的是DS18B20，DS18B20的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間大約750 ms。主要有功耗低、反應(yīng)迅速、體積小巧、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。可以應(yīng)用于多種環(huán)境中進(jìn)行溫度檢測(cè)，DS18B20傳感器在外觀上與三極管類似,這也讓其在硬件設(shè)計(jì)上非常簡(jiǎn)單，接線僅需要通過外置兩個(gè)引腳接入電源，中間的通信引腳與單片機(jī)相連即可，DS18B20是典型的單線通信元件。只需要注意讀取數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)序控制，即可讀取環(huán)境中的溫度數(shù)據(jù)。

圖2 激勵(lì)脈沖發(fā)送電路圖

2 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)可以及時(shí)掌握野外儲(chǔ)罐的液位、溫度狀態(tài)參數(shù)，計(jì)量準(zhǔn)確，大大提高了儲(chǔ)罐進(jìn)油、儲(chǔ)油和管理的工作效率，增強(qiáng)油料裝備保障能力及保障效率、安全監(jiān)測(cè)防衛(wèi)效益、業(yè)務(wù)管理水平，為更高一級(jí)、更大范圍的信息化建設(shè)提供基礎(chǔ)信息源。