許 剛，王景林，陳洪巖，趙廣巖

（1 遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧阜新123000；2 遼寧省煤制天然氣工程技術(shù)研究中心，遼寧阜新123000；3 遼寧省煤制天然氣工程研究中心，遼寧阜新123000；4 遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司企業(yè)博士后科研基地，遼寧阜新123000）

磁致伸縮現(xiàn)象，是指一種鐵磁物質(zhì) （磁性材料）由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化。大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng) （或縮短），去掉外磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮現(xiàn)象 （或效應(yīng)）。

1 工作原理

圖1展示了磁致伸縮產(chǎn)品的主要測(cè)量原理。在磁致桿的內(nèi)部有一根被繃緊的磁致伸縮線 （圖1中1），電子模塊向磁致伸縮線上發(fā)射脈沖信號(hào)并且通過(guò)磁致伸縮線傳送 （圖1中2），在周?chē)a(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) （圖1中3）；磁致桿中 （或者附近）的浮子，內(nèi)部有一永久磁鐵 （圖1中4）；當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)到達(dá)浮子時(shí)，與浮子的永久磁場(chǎng)相互作用。其結(jié)果導(dǎo)致磁致伸縮線將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的扭力 （圖1中5），同時(shí)產(chǎn)生返回脈沖，該脈沖沿磁致伸縮線向兩端傳送，一端傳向傳感管的頂端；另一端傳向傳感管的底部。脈沖傳播的速度是一個(gè)恒定值，因此通過(guò)計(jì)算起始脈沖與返回脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地計(jì)算出被測(cè)液體的液位或界位。磁致伸縮產(chǎn)品主要由波導(dǎo)絲、電子部件和浮子等部件組成。

圖1 磁致伸縮產(chǎn)品的主要測(cè)量原理

2 高精度和高可靠性

在20世紀(jì)90年代，將這技術(shù)引入了液位和界位測(cè)量，也將液位測(cè)量水平大幅度提高，進(jìn)口的磁致的測(cè)量精度可以達(dá)到±0.25 mm，長(zhǎng)距離也是同樣的指標(biāo)，分辨率優(yōu)于±0.1 mm。與其它同類(lèi)的儀表精度說(shuō)法不同，大多數(shù)儀表的精度是按照量程的百分?jǐn)?shù)或者為讀數(shù)的百分?jǐn)?shù)，這里是絕對(duì)距離的誤差，使用的線性化處理方式不同。圖2為一支3000 mm長(zhǎng)的磁致正行程 （從小到大，上曲線）標(biāo)定曲線；下曲線為反行程，上下2根線為±0.25 mm的標(biāo)定上下精度范圍。一次標(biāo)定可以標(biāo)8支，每2 mm標(biāo)定一個(gè)點(diǎn)，約1 min可以來(lái)回標(biāo)定1次，整個(gè)過(guò)程為全自動(dòng)的標(biāo)定。

圖2 磁致正反行程示意圖

3 主要運(yùn)用和安裝方法

磁致伸縮變送器成為一種高精度 （可以作為貿(mào)易級(jí)）、高穩(wěn)定性和低功耗的液位／介位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)二線制儀表，輸出是4～20 m A或者4～20 m A＋HART輸出，提供全方位的儲(chǔ)罐液位和界位信息。磁致伸縮變送器可以使用在各種工況比較復(fù)雜的行業(yè)，如石油、化工、電力、造紙、船舶等行業(yè)；可以用于過(guò)程罐、儲(chǔ)罐的液位測(cè)量；可以是單獨(dú)頂部安裝使用，也可以與磁翻板外綁、外浮筒頂部安裝（單腔／雙腔）使用，使用方法簡(jiǎn)單和靈活。因此，只要有液位罐，需要信號(hào)遠(yuǎn)傳就有它的 “用武”之地。磁致伸縮變送器有3種安裝方式，滿(mǎn)足不同介質(zhì)和罐體情況的需要。

（1）與磁翻版捆綁使用 ［圖3（a）］ 借磁翻板中浮子傳遞液位／界位；由于磁翻版的浮子可以承受比較高的壓力和溫度、比較小的密度，因?yàn)榇欧逯械母∽又醒霙](méi)有孔，空腔的體積比較大，可以做到壓力35 MPA、450℃、密度0.4 g／cm3。可以適應(yīng)許多高溫高壓的場(chǎng)合，如汽包水位、高壓水、腐蝕介質(zhì)等都可以選擇這種方案。

圖3 磁致伸縮變送器安裝方式

（2）外浮筒＋頂部安裝 ［圖3（b）］ 通常用于罐內(nèi)有攪拌、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的過(guò)程罐，零點(diǎn)和滿(mǎn)度固定，只要頂部卡套式接頭的位置正確就能夠保證全量程的正確。安裝時(shí)，需要注意零點(diǎn)／滿(mǎn)度標(biāo)定時(shí)所作的標(biāo)記 （用于固定卡套式接頭上螺帽的位置）。

（3）罐頂安裝 ［圖3（c）］ 對(duì)于這種應(yīng)用，安裝和調(diào)試比較復(fù)雜。因?yàn)榇胖律炜s桿不一定插到底，有一定的盲區(qū) （Mo），探桿本身也有一定的盲區(qū) （起碼是半個(gè)浮子和底部定位環(huán)的高度）。同時(shí)罐體的滿(mǎn)度 （20 m A）與罐頂?shù)木嚯x通常也不確定，安裝支架的高度也不確定，所以通常需要在訂購(gòu)時(shí)，探桿長(zhǎng)度需要留有足夠的余度。選型時(shí)會(huì)根據(jù)圖示要求確定探桿長(zhǎng)度，采購(gòu)和安裝前，需要在圖紙上注明各點(diǎn)的距離，用于4 m A和20 m A的離線標(biāo)定，出廠時(shí)有標(biāo)示卡套式接頭的固定位置。

如果需要同時(shí)測(cè)量液位還界位，就需要2個(gè)浮子，分別浮在液位上和界位上，磁致將有2路獨(dú)立的4～20 m A輸出，或者通過(guò)HART遠(yuǎn)傳給DCS。

就磁致伸縮而言，核心技術(shù)在波導(dǎo)絲、傳導(dǎo)磁致伸縮現(xiàn)象的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的浮子。中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出了波導(dǎo)絲，開(kāi)始生產(chǎn)出一些低端的工業(yè)用波導(dǎo)絲，但目前高端波導(dǎo)絲還是受?chē)?guó)外壟斷和控制。

4 穩(wěn)定性

由于浮子是穿在測(cè)量桿上，可以用于有攪拌的過(guò)程罐中，所以穩(wěn)定性好，不像導(dǎo)波雷達(dá)的 （軟纜＋重錘）需要有固定 （在有攪拌時(shí)），液位變化基本上是按照實(shí)際的液位變化，靈敏度高，實(shí)時(shí)性好（比干簧管要靈敏的多）；由于電子部分只是發(fā)送脈沖信號(hào)，不需要什么功率部件，功耗很小，很容易實(shí)現(xiàn)二線制，供電范圍寬，最大功耗為1 W。德國(guó)原裝的磁致伸縮的平均無(wú)故障率可以達(dá)到大于400年，達(dá)到SILII（國(guó)際安全等級(jí)2級(jí)），出產(chǎn)品故障的概率小于0.1%。

5 量 程

量程范圍通常為200～6000 mm（硬桿），軟纜一般可以到20 m左右。由于產(chǎn)品原理的要求，必須將波導(dǎo)絲繃直，少許一點(diǎn)不直，就不能正常工作，所以大多數(shù)的應(yīng)用是選擇硬桿方式。對(duì)于軟纜，通常進(jìn)口磁致與國(guó)產(chǎn)的磁致做法不太相同，一個(gè)是外導(dǎo)管，國(guó)產(chǎn)的大多為重錘方式。總的來(lái)說(shuō)，磁致的軟纜可靠性遠(yuǎn)不如硬桿的磁致，不太建議使用軟纜。用導(dǎo)波雷達(dá)或者射空雷達(dá)來(lái)取代。

6 離線標(biāo)定

由于磁致伸縮是可以離線標(biāo)定4～20 m A，不需要與被測(cè)介質(zhì)實(shí)標(biāo) （許多物理量型的液位產(chǎn)品需要實(shí)標(biāo)），這里只要離線 （用浮子的上下移動(dòng)）按動(dòng)幾次按鍵，將可以確定零點(diǎn)和滿(mǎn)度，可以是頂?shù)?～20 m A，或者底頂4～20 m A；同時(shí)可以設(shè)定出錯(cuò)模式，可以是3.5 m A或者21.5 m A。整個(gè)設(shè)置工作只需要1 min內(nèi)完成。

7 與其它不同原理產(chǎn)品相比較

液位測(cè)量是古老的話(huà)題，有許多測(cè)量方法和產(chǎn)品。

（1）磁致伸縮 屬于浮子類(lèi)的產(chǎn)品，需要一個(gè)浮子浮在液面上，中央有一個(gè)12 mm的鋼管，有隨液位變化而移動(dòng)的浮子。有移動(dòng)部件，如果介質(zhì)會(huì)掛料或者介質(zhì)黏度比較大，就有可能會(huì)卡；同時(shí)有浮子，存在密度問(wèn)題，因此密度必須合適才可以保證相關(guān)的精度。界位測(cè)量和測(cè)量精度都是依靠浮子的設(shè)計(jì)精度。

（2）干簧管 情形基本相同，只是干簧管測(cè)量精度比較低（10 mm／5 mm），可靠性要低得多（電阻回路全部為串聯(lián)電路），但是價(jià)格要便宜的多。

（3）導(dǎo)波雷達(dá)產(chǎn)品 沒(méi)有移動(dòng)部件，但是有一根導(dǎo)波纜或者桿；對(duì)于掛料和高黏度有類(lèi)似的問(wèn)題，當(dāng)然要比磁致好的多。導(dǎo)波雷達(dá)的測(cè)量原理是需要知道介電常數(shù)的大小，與密度無(wú)關(guān)，所以受溫度壓力影響不大。

（4）射頻導(dǎo)納 不受溫度壓力影響，只是與罐壁與探桿之間的電容、電阻、電感有關(guān)，與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，但是需要實(shí)標(biāo)零點(diǎn)和滿(mǎn)度。

8 常見(jiàn)故障

（1）浮子過(guò)壓進(jìn)水，浮子的承壓裕度不夠 在試壓過(guò)程和系統(tǒng)調(diào)試中，壓力超過(guò)或者接近浮子設(shè)計(jì)壓力，所以數(shù)據(jù)表一定要描述清楚工作壓力和設(shè)計(jì)壓力。由于磁致的浮子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不太容易同時(shí)滿(mǎn)足高壓高溫和低密度，浮子最高壓力一般比設(shè)計(jì)壓力高出1.2倍左右就很不錯(cuò)了。所以在高壓打壓時(shí)，不能過(guò)壓太大和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或者將浮子取出來(lái)。

（2）磁鋼高溫消磁 一般磁致的浮子磁鋼為鋁鎳硼或者鋁鎳鈷，最高溫度可以達(dá)450℃，長(zhǎng)期工作溫度可以維持在350℃左右，所以波導(dǎo)絲和浮子溫度范圍是一個(gè)產(chǎn)品的重要指標(biāo)，波導(dǎo)絲的溫度通常有－40～125℃、－65～250℃和－40～450℃之分，不同的溫度 （標(biāo)準(zhǔn)，高溫，超高溫），產(chǎn)品價(jià)格不同，所以需要根據(jù)介質(zhì)工作溫度選擇合適的產(chǎn)品溫度范圍和溫度等級(jí)，不然會(huì)導(dǎo)致超過(guò)該產(chǎn)品的額定溫度 （居里溫度點(diǎn)），波導(dǎo)絲將不再出現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象，產(chǎn)品無(wú)法正常工作，但是溫度降低之后，產(chǎn)品仍然可以正常工作。但是浮子長(zhǎng)期在高溫之下，浮子中的磁鐵將永久消磁，必須更換。

（3）產(chǎn)品腔體內(nèi)部進(jìn)水造成波導(dǎo)絲生銹斷 由于電氣接口的標(biāo)準(zhǔn)原因，原廠家一般配有帶防水的M16×1.5類(lèi)型接口，里面有一個(gè)防水密封墊；但是用戶(hù)側(cè)通常希望為1／2″NPT，而NPT接口中央是空心的，沒(méi)有可以收緊的橡膠密封圈，安裝接線時(shí)也沒(méi)有將導(dǎo)線安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，或者就沒(méi)有擰／擰緊固定螺帽，導(dǎo)致在下雨時(shí)，有水進(jìn)入腔體內(nèi)部。由于工業(yè)用是波導(dǎo)絲都是鐵鎳絲，主要成分為鐵絲，受水泡了之后，自然就斷了，無(wú)法正常工作。

（4）低溫冷凝水 如果介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度差超過(guò)－30℃之后，如果接線端子沒(méi)有密封好，沒(méi)有有效隔絕空氣的話(huà)，就會(huì)有潮濕氣體進(jìn)入波導(dǎo)絲腔，在波導(dǎo)絲上形成冷凝水，無(wú)法出現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象。解決方法就是將內(nèi)外結(jié)合部用硅膠等密封材料將進(jìn)線口嚴(yán)格密封就可以了。這類(lèi)問(wèn)題是常發(fā)生在低溫介質(zhì)中。

（5）輸出突跳 這類(lèi)問(wèn)題有所會(huì)出現(xiàn)在與磁翻板外棒的產(chǎn)品組合，由于磁翻板中的浮子磁鋼結(jié)構(gòu)差異，要求外綁的磁致的位置有一定要求，與磁翻板翻片有一個(gè)夾角要求，如30°或者45°。如果安裝位置不正確，或者某種原因，讓磁翻板的浮子發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，就會(huì)讓浮子中的磁鋼失去對(duì)磁致的控制，出現(xiàn)磁致的輸出跳到出錯(cuò)模式。輸出將出現(xiàn)突跳，直到浮子有轉(zhuǎn)回來(lái)。所以對(duì)于磁翻板外綁磁致方式需要定期檢查安裝位置。

9 結(jié) 語(yǔ)

過(guò)程自動(dòng)化環(huán)節(jié)是一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)控制，要想提高企業(yè)自動(dòng)化水平和管理水平，就一定要解決好傳感器的選擇，市場(chǎng)中眾多的不同產(chǎn)品，不一定最貴的產(chǎn)品為最合適的。在企業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品選擇中，首先要根據(jù)工藝參數(shù)和要求，確定傳感器的工作原理，確定使用什么類(lèi)型的傳感器，然后再看具體參數(shù)，比較不同廠家的相同點(diǎn)和差異性，比較各自的特點(diǎn)，要將可靠性和產(chǎn)品穩(wěn)定性放在第一位，千萬(wàn)不要將價(jià)格放在第一位，因?yàn)樽詣?dòng)化儀表在現(xiàn)場(chǎng)需要一天運(yùn)行24 h，一周7天，一年365天，分分秒秒需要它堅(jiān)守崗位和職責(zé)，停機(jī)維修將會(huì)帶來(lái)更大的損失。

磁致伸縮液位計(jì)是一個(gè)高精度和高可靠性的產(chǎn)品，安裝簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)單，與其它原理的產(chǎn)品相比，服務(wù)少，故障少，只是安裝方式需要根據(jù)工藝條件來(lái)選擇，根據(jù)溫度壓力和密度選擇合適的產(chǎn)品和指標(biāo)。