磁致伸縮液位傳感器和磁翻板液位計相結合解決液位測量難題

根據筆者了解， 工業領域目前對于濃酸、濃堿液罐內的液位檢測方法，主要使用超聲波液位檢測儀、磁翻板液位計、接觸式防腐蝕液位等檢測儀表，2014年8 月, 通過參觀陽城電廠的液位儀表的使用情況, 對陽城電廠的酸堿罐液位檢測裝置有了深入的了解; 該廠現有大小 20 余個酸堿罐中酸堿液位的檢測, 大都采用超聲波液位計與磁翻板液位計相結合的方式。

超聲波液位計屬于非接觸式測量方式，有著其本身的優點，超聲波液位計對酸堿液位信息通過線路傳輸到計算機, 進行實時觀測。但是據該廠技術人員介紹,超聲波液位計有一個致命缺點, 就是安裝在罐頂部的超聲波探頭很容易被酸霧或堿霧籠罩, 嚴重影響了測量準確度, 需要工作人員定時對超聲波探頭進行清洗。無形中增加了使用的人力成本，也降低了使用效率。磁翻板液位計沒有數據的自動傳輸功能, 需要工作人員定時地去觀察液位刻度。為了確保酸堿液位數據的可靠性, 該廠技術人員提出增加一套液位檢測裝置的要求, 并能實現數據的自動化遠程傳輸。為此, 作者利用磁致伸縮傳感器和磁翻板相結合的辦法, 以求實現酸堿液位的非接觸式測量, 并利用單片機和 GSM技術, 實現磁致伸縮液位信號的無線傳輸。完美地實現了液位數的測量與數據的傳輸。

1 磁致伸縮液位傳感器和磁翻板液位計的測量原理

1.1 磁致伸縮液位傳感器的工作原理
磁致伸縮線性液位傳感器, 采用不導磁的不銹鋼管(測桿)、磁致伸縮線(波導線)、可隨液面或界面移動的浮球(內含磁環)和電子部件等組成(見圖 1), 其工作原理是: 脈沖發生器產生電流脈沖, 經電子部件可轉換成沿波導線(Waveguide)傳播的波導脈沖( 起始脈沖); 其磁場與浮球內的磁環磁場矢量相加形成螺旋磁場, 產生瞬時扭力, 使波導線扭動并產生應力脈沖(Strainpulse)。這個脈沖以固定的速度沿波導線傳回, 在電子部件的感應線圈兩端產生感應電流脈沖 (終止脈沖)。通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間周期, 并乘以這個固定的速度, 即可精確地確定被測對象的位移或液位。整個測量過程是連續不斷的, 所以每當浮球(磁鐵)被移動時, 新的位置很快就會被感測出來。

1.2 磁翻板液位傳感器的工作原理

磁浮式翻板液位計屬于浮力式液位計, 浮子是磁性的, 浮子隨液位的變化而上升或下降, 見圖 2。安裝在浮子旁的翻板是薄導磁金屬片 ( 有的是圓柱的) 制成的, 兩面涂有不同的顏色。磁性浮子升降時帶動翻板繞軸翻轉, 浮子以上的翻板是一種顏色(如白色), 浮子以下的翻板為另一種顏色( 如紅色) , 通過觀察外面的顏色可知道液位的高低

2 磁致伸縮- 磁組合一體化翻板液位測量裝置的設計
2.1 磁致伸縮- 磁翻板共用磁浮子的實驗
為了避免磁致伸縮液位傳感器與強酸強堿的接觸, 我們把磁致伸縮傳感器與磁翻板液位計相結合,采取磁翻板液位計和磁致伸縮傳感器共用一個磁浮子的設計思路。我們把磁翻板中的磁浮子和磁致伸縮
桿上的磁環磁場進行了測量。磁翻板中的磁浮子用的是一個水平放置的鐵氧體磁鐵圓片, 其磁場見圖 3,強磁場位置在圓片中心位置, 約 150 T; 緊繞圓片周邊的磁場強度約 80 T, 沿徑向磁場依次減小。磁致伸縮傳感器的感應桿上一般設置浮動鐵氧體磁環作為磁浮子, 其磁場見圖 4, 磁環中心位置的磁場強,約 60 T。為把磁致伸縮桿上的磁環去掉, 采用磁翻板的磁浮子周邊磁場來代替磁環的磁場; 即把磁致伸縮桿垂直豎立在磁翻板旁邊, 形成磁致伸縮- 磁翻板一體化液位測量裝置, 其實驗裝置圖見圖 5。當磁翻板的液體管中的液面上下變化時, 磁浮子上下浮動, 磁翻板的小圓柱狀磁棍翻轉, 顏色發生變化, 利用旁邊的刻度尺可以觀察罐中的液位變化。同時, 磁致伸縮桿也由于磁浮子的上下浮動而產生脈沖信號, 感應為位移的變化, 從而檢測了管中液面的變化。

2.2 磁致伸縮- 磁翻板組合檢測裝置的強酸強堿罐液位檢測系統
如圖 6 所示, 由于舊式的磁翻板液位計都沒有數據自動記錄和存儲功能, 我們把磁致伸縮桿安裝在磁翻板旁邊位置即可進行液位測量。把磁致伸縮產生的標準液位信號通過單片機進行測量, 存儲。并設定為實時測量模式, 測量頻率可根據現場需要設定為每分鐘1 次。為了實現工作人員隨時了解液位情況, 并減少線路布線, 本系統采用了基于單片機與 GSM( 移動短消息傳輸)的數據無線傳送方式。工作時, 工作人員的手機號碼被設定為 GSM短消息傳輸號, 工作人員只需向GSM發送調用指令, GSM便可把液位數據以短消息的形式發送到工作人員的手機上。

 

3 實驗與結論
我們把圖 5 所示的一體化檢測裝置進行了水位檢測實驗, 其檢測結果與實際水位值見表 1。表 1 中實際水位值是精度為 1 mm 的直尺測量值, 磁致伸縮傳感器測量值是通過單片機測控儀讀取的數值, 磁翻板測量值是通過對液位柱顯示的值人工讀取的。可以看出, 磁致伸縮傳感器的液位讀取精度在1%, 且準確度高; 磁翻板的測量精度為 1 cm, 但測量結果與實際值都吻合。我們通過單片機控制把磁致伸縮傳感器測量值進行無線遠傳, 實現了酸堿罐液位的實時監測。因而, 磁致伸縮- 磁翻板一體化組合裝置對酸堿罐液位的檢測是可行的。

 

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