磁致伸缩液位变送器的原理与应用

李 利 曲秋江

（辽宁金洋科技发展集团有限公司，辽宁 丹东 118000）

随着传感器技术和通信技术的发展，使得液位测量原理和测量方法不断的发展与更新。同时工业生产对液位的测量要求也越来越高，因此需要我们研发更加先进的液位测量技术以满足市场的需求。磁致伸缩液位变送器就是新一代液位测量产品中的佼佼者。它具有质量稳定、性能优越、使用寿命长、安装简单、性价比高的等优点，能同时满足大量程、高精度、多参数的测量要求，有非常好的发展前景。本文将对磁致伸缩液位变送器的原理、应用和故障分析进行阐述。

1 磁致伸缩液位变送器原理

1.1 磁致伸缩效应

磁致伸缩效应是指磁体材料受外磁场作用时，在磁场方向材料长度发生微小的变化。磁致伸缩效应于1842年由焦耳（Joule，J. P）发现，故又称焦耳效应。磁致伸缩效应的微观来源是由于强磁体中的磁电子磁矩系统与晶格系统的耦合作用，即通过磁自旋波与晶格弹性波之间的相互作用而产生的。施加外磁场后，其宏观效应是材料在磁力线方向的伸长或缩短。长度为L的磁体在磁场强度H的磁场中发生相对伸缩的值A=△L/L，即A为磁致伸缩常数。

1.2 传感器组成与工作原理

磁致伸缩液位变送器原理是基于磁致伸缩效应。在保护套管内部有一根波导管。借助微处理器控制的传感器电路，沿波导管发射电流脉冲，从而在波导管周围产生一个环形磁场。浮子内部有一组永久磁铁，其磁场使波导管沿轴向磁化。两个磁场叠加处会产生一个扭转脉冲，它沿波导管传达到传感器顶端，脉冲传送时间将被电路单元获取并计算。

通过检测发射脉冲与返回弹性波的时间差，即可计算出液位。由于电流以光速传播，从发射端到磁浮子之间的时间可以忽略不计，所以只要测量出磁浮子反馈信号到检测端的时间就可以知道磁浮子与检测端的距离h。由于脉冲是连续不断的，所以距离h是实时更新的。即 h=VT，L=H-VT

其中V为弹性波速度，m/s；T为时间差，s；H为油罐高度，m；L为液位高度，m。

1.3 磁致伸缩传感器的检测方法

从上述分析可得，磁致伸缩传感器是通过检测脉冲发射与回波接受之间的时间差，然后计算得到液位高度。由此可见，计数器的脉冲时间直接决定了磁致伸缩液位变送器的测量精度。

在发射脉冲电流的同时触发计数器开始计时。产生回波经脉冲经放大后使计数器复位，则计数器N正比于时间间隔T。

时间分辨率为 △ T=T/N=1/f （a）

液位高度为 L=H-VT （b）

其中f为计数器脉冲频率，Hz。

由式a可以看出时间分辨率△T与频率的关系。计时频率越高，间隔时间越精确，测量距离越准确。

波导管中传送返回弹性波速度一般在1800—2000m/s。如果当计时频率为200MHz时，以弹性波传播速度2000m/s为例，液位变送器的测量分辨率为△=（2000m/s）/200MHz=0.01mm。

2 磁致伸缩液位变送器构成

磁致伸缩液位变送器是由变送器表头（包括脉冲发生源、回波接收器、信号检测与处理电路、外壳），保护套管，波导管和磁浮子组成。变送器表头放置在罐体之外，在波导管外面有不锈钢或哈氏合金构成的保护套管，直接固定在罐体顶部。如果波导管是软管的话，底部需要用重锤或者挂环来固定。

变送器表头里有单片机控制系统，可以探测到同一发射脉冲所产生的连续返回脉冲，所以可以在波导管上安装2个浮子，分别用来测量液位和界位。在波导管底部固定一个校正磁环，可以完成自动校准功能。设罐体总高H，返回脉冲从油面、油水界面和罐底返回的时间分别为T1、T2、T3，则：

油位：H1=H（T3-T1）/T3

水位：H2=H（T3-T2）/T3

故可以在液位变送器上配多个浮子，同时进行液位和界位的测量。

3 磁致伸缩液位变送器的故障分析

3.1 变送器在现场校验的时候，会出现浮子上下移动不灵活。大多数这种现象是有安装不当引起的。检查上下法兰的中心是否在一条直线上，调整导波管使其垂直于水平面。

3.2 变送器使用一段时间以后会出现浮子上下移动困难的现象。这主要是由于磁浮子上沾有铁屑或其他杂质。要先排空罐体，取出浮子，清除磁浮子上的铁屑或其他杂质即可。

3.3 变送器在使用过程中，如果输出信号产生不规则波动或有干扰源存在，要检查该屏蔽电缆是否可靠接地，工作接地电阻是否满足要求。

3.4 变送器在使用过程中，不要用强磁铁在连通管外上下拉动浮子检查，以防止磁浮子磁化而改变极性。

3.5 选用本安型变送器时，注意变送器与安全栅是否匹配。

4 磁致伸缩液位变送器的应用及发展前景

随着技术发展，高新技术在各行业中得到了更广泛的应用，高科技含量的磁致伸缩液位变送器既能用于直线位移测量，又能用于各类液罐的液位测量，且能给出位移移动信号，具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点，因此在石油、化工、食品等领域内取代了原有的传统计量仪表。

磁致伸缩技术不光可以用于罐区测量，它还在声纳的水声换能器技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、自动化技术、燃油喷射技术、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

结语

通过对磁致伸缩液位变送器原理的研究和分析，说明了该变送器精度高的原因。当然要想达到变送器高精度测量还必须配备精度高、稳定性好的信号检测电路。最后列举了一下该变送器常见故障以及变送器发展前景。

[1]李国栋.当代磁学[M].中国科学技术大学出版社，1999.

[2]任波，陈祥光，姜波等.磁致伸缩液位变送器机理研究[J].传感器技术，2003，22（01）：15-18.