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)行測量的液位儀在自動計量系統(tǒng)中得到了一定應(yīng)用，提高了野外儲罐液位測量的準(zhǔn)確度及自動化水平。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)點有：精度高、可靠性高、安全性高、安裝維護(hù)方便、便于自動化管理等。

1 系統(tǒng)具體研究

根據(jù)野外儲罐測量方面的特點、對環(huán)境的要求發(fā)現(xiàn)，磁致伸縮液位儀是最理想的野外儲罐液位測量裝置，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，所做的具體研究內(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，從而保證了波導(dǎo)絲的機械強度和彈性模量。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)直接影響測量的精度，主要有如下情況。

1）導(dǎo)波速度。采用單片機來計算波導(dǎo)絲從施加電流脈沖到返回扭轉(zhuǎn)波的時間確定浮球的位置，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，要求在較小的磁場下獲得較大的磁致伸縮系數(shù)，有足夠強的矯頑力、飽和磁致伸縮系數(shù)較高、飽和磁化強度夠大。盡量減小渦流和磁滯損失，有較高的機電耦合系數(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。

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

6）彈性模量不因溫度、磁場的變化而變化。

1.2 脈沖扭轉(zhuǎn)波傳播速度的計算

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。可以采用一種比較法來間接計算脈沖在波導(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)實測發(fā)現(xiàn)兩個變量的關(guān)系無法用解析式表示，只能得到一些離散的數(shù)據(jù)點。如何利用這些離散數(shù)據(jù)點來估算兩個變量的關(guān)系，得到未知數(shù)據(jù)點的具體值，需要用擬合直線方法來實現(xiàn)。

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

1.3 波導(dǎo)絲扭轉(zhuǎn)信號拾取與處理和波導(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，采用高速儀表放大器進(jìn)行信號放大。放大后的信號接到單片機的輸入捕獲端，單片機不需要實時關(guān)照，捕獲定時器自動就能記錄事件時間。在這一單元，減少電信號干擾是至關(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，激勵脈沖發(fā)送方法是需要通過電路對磁致伸縮絲施加瞬時高壓脈沖，利用電容放電的方法實現(xiàn)，電路由場效應(yīng)管、輔助電路、儲電電容和其他二極管組成。相關(guān)的硬件設(shè)計電路圖如圖2。

1.4 溫度檢測

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

圖2 激勵脈沖發(fā)送電路圖

2 結(jié)語

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