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磁致伸縮液位變送器（防爆）設(shè)計(jì)

磁致伸縮線性位移傳感器（是綜合利用磁致伸縮效應(yīng)

、電磁感應(yīng)、電子技術(shù)

、高精度時(shí)間間隔測(cè)量等多種技術(shù)而成的非接觸式測(cè)量儀器

。由于它具有傳輸距離遠(yuǎn)

、非接觸式測(cè)量、可靠性高且適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點(diǎn)

，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域．磁致伸縮線性位移傳感器具有更高的精度

，設(shè)計(jì)增加HART現(xiàn)場(chǎng)總線通信，使其具備總線通信能力

，實(shí)現(xiàn)儀表之間以及和控制室設(shè)備的多種信息交換

，可大大減少安裝、運(yùn)行及維護(hù)的費(fèi)用．在經(jīng)濟(jì)效益方面

，由于磁致伸縮線性位移傳感器擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

，產(chǎn)品自行丌發(fā)、設(shè)計(jì)

、生產(chǎn)，充分利用自儀公司的集團(tuán)優(yōu)勢(shì)

，因此產(chǎn)品的成本相對(duì)比較低

。

圖1為一種典型的安放于儲(chǔ)罐中的液位傳感器總體結(jié)構(gòu)圖。測(cè)量頭裝置在罐體之外

，包括脈沖發(fā)生

、回波接收、信號(hào)檢測(cè)與處理電路．由不銹鋼或鋁合金材料做的保護(hù)套管套在波導(dǎo)管外

，插入液體中直達(dá)罐底

，底部固定在罐底。磁浮子可以有兩個(gè)

，一個(gè)測(cè)量油位

，另一個(gè)安放在波導(dǎo)管對(duì)應(yīng)的油水界面處，用于測(cè)量界位

。若在波導(dǎo)管底端再設(shè)置一塊磁鐵

，還可以完成自校正功能，使傳感器無須定期標(biāo)定

。

如圖2磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導(dǎo)絲

、保護(hù)管套

、移動(dòng)磁鐵、電路板部分

。測(cè)量管是整個(gè)傳感器的核心傳感部分

，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導(dǎo)絲

、保護(hù)管套

、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環(huán)

、轉(zhuǎn)換器輸出

。

在傳感器檢測(cè)電路得到的信號(hào)中，除了激勵(lì)脈沖與液位感應(yīng)脈沖外

，又增加了一個(gè)界面位置感應(yīng)脈沖

，如圖3所示。通過測(cè)量界位感應(yīng)脈沖與激勵(lì)脈沖的時(shí)間差

，就可計(jì)算出相界面位置兩種液體相界面的位置

。

設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述、論證：

、設(shè)計(jì)思想及原理

變送器采用磁致伸縮原理

，物理學(xué)中稱作威德曼效應(yīng)。產(chǎn)品主要由不銹鋼管做的測(cè)桿

、測(cè)量電路和套在測(cè)桿上的非接觸的磁環(huán)和浮球組成

。測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮線（波導(dǎo)絲）。測(cè)桿由不銹鋼管制造成可靠地保護(hù)波導(dǎo)絲

。工作時(shí)

，由電子電路產(chǎn)生一起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)

，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)

，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)

，這一扭動(dòng)被感應(yīng)線圈所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差

，即可精確測(cè)出被測(cè)液位

。

2、硬件方案（功能框圖

、電路

、關(guān)鍵元器件、元器件通用性等）

關(guān)鍵元器件由元器件銷售代理商直接供貨，普通元器件采用通用元器件

，在市場(chǎng)上幾直接購買

，硬件電路選用成熟電路。

、軟件方案（功能模塊

、程序框圖等）

產(chǎn)品大部分功能有以下幾個(gè)模塊組成：

開發(fā)過程中關(guān)鍵問題：

硬件方面：

開發(fā)本產(chǎn)品的關(guān)鍵問題有以下幾點(diǎn)：

1、二線制儀表低功耗的要求

；

、按照儀表結(jié)構(gòu)要求電路部分被拆分成3塊板子進(jìn)行布局；

、信號(hào)采樣的精度

；

4、微弱信號(hào)檢測(cè)的問題

；

、樣機(jī)的全性能試驗(yàn)；

、HART協(xié)議技術(shù)掌握和應(yīng)用

。．

開發(fā)過程中碰到問題的解決措施：

在器件選型時(shí)選用低功耗器件，保證儀表4mA電流也能正常工作

；

由于儀表的結(jié)構(gòu)較小

，所以拆分成了3塊電路板，根據(jù)功能分為電源板

，主控板和顯示板

；

為保證儀表精度選用了專用的時(shí)間測(cè)量芯片；

在信號(hào)輸入端

，用兩個(gè)運(yùn)放組成前級(jí)差動(dòng)放大電路來檢測(cè)微弱的回波信號(hào)

，再經(jīng)過放大，比較電路得到的回波脈沖

，用于時(shí)間測(cè)量與液位計(jì)算

在全性能試驗(yàn)中，EMC試驗(yàn)也遇到了問題

，我們加了相應(yīng)的防護(hù)措施

，比如我們?cè)陔娫炊思恿斯材６罅魅σ苑乐构材ｋ姶鸥蓴_，加了壓敏電阻來抗浪涌

，加了磁珠來抗靜電T擾和高頻噪聲

，加了電感來抑制低頻交流信號(hào)，還加了二極管來防反接

。

軟件方面：

按鍵設(shè)定方法：

4mA和20mA設(shè)定可以通過兩種方式完成

，一是通過按鍵操作執(zhí)行，另一種可由上位機(jī)通過Hart通訊來完成

，同時(shí)上位機(jī)可以設(shè)定傳感器量程和與Hart協(xié)議相關(guān)的儀表信息長時(shí)間同時(shí)按SET按鈕和ZERO按鈕（超過5秒）

，進(jìn)入輸出電流設(shè)定狀態(tài)

，先設(shè)定對(duì)應(yīng)4毫安輸出的液位值(RangeLow)：顯示當(dāng)前液位值，（液位值變化用移動(dòng)磁鋼來實(shí)現(xiàn)）

，當(dāng)移動(dòng)后的液位位置確認(rèn)為4毫安對(duì)應(yīng)液位時(shí)

，單獨(dú)按ZERO按鈕，軟件記錄當(dāng)前液位值（RangeLow）并且輸出為4毫安

；再標(biāo)定對(duì)應(yīng)20毫安輸出的液位值（RangeHi）：顯示當(dāng)前液位值（液位值變化用移動(dòng)磁鋼來實(shí)現(xiàn)）

，當(dāng)移動(dòng)后的液位位置確認(rèn)為4毫安對(duì)應(yīng)液位時(shí)，再單獨(dú)按SET按鈕

，軟件記錄當(dāng)前液位值(RangeHi)并且輸出20毫安同時(shí)退出電流設(shè)定狀態(tài)

。

在按鍵設(shè)定過程中，30秒內(nèi)無按鈕輸入

，退出電流設(shè)定狀態(tài)

。

開發(fā)過程中主要技術(shù)難點(diǎn)：

1、我們?cè)缙趥鞲衅骷夹g(shù)尚未掌握

，如波導(dǎo)絲材料的選取

，如何安裝固定，脈沖激勵(lì)線圈參數(shù)如何確定等一系列問題

；后來通過查閱了相關(guān)資料與參照國外同類產(chǎn)品技術(shù)

，確定了波導(dǎo)絲的材料和安裝，并自己線繞激勵(lì)線圈

，不斷加以改進(jìn)

，解決了傳感器技術(shù)的難題。

、硬件電路上與傳感器相關(guān)部分的處理電路開始時(shí)并沒有相關(guān)的基礎(chǔ)

，通過參考國外產(chǎn)品的處理電路后，結(jié)合了自己的傳感器特性后

，設(shè)計(jì)了相應(yīng)處理電路

，最后通過實(shí)際的調(diào)試與完善，確定了傳感器處理電路

。

、測(cè)量精度的不斷提高，剛丌始的產(chǎn)品信號(hào)處理不夠穩(wěn)定

，所能達(dá)到的精度與目標(biāo)精度0.05%相差很遠(yuǎn)

，達(dá)到0.05%的儀表精度的困難很大，最后通過調(diào)整信號(hào)處理電路電容

、電阻的參數(shù)

，調(diào)整運(yùn)放參數(shù)，并增加相應(yīng)濾波小電容，數(shù)字地與機(jī)殼地之間放置高壓瓷片電容

，軟件加以濾波等一系列方法

，終于達(dá)到精度要求。

、溫度實(shí)驗(yàn)丌始很容易就超過標(biāo)準(zhǔn)范圍

，溫度穩(wěn)定性比較差，有時(shí)甚至?xí)A躍眺變

，經(jīng)過對(duì)傳感器接收的信號(hào)在不同溫度下的波形觀測(cè)

，找出相應(yīng)的溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在接收波形變化相對(duì)平滑的情況下

，溫度性能比較好

，而接收時(shí)比較電壓如果設(shè)置不當(dāng)，接收波形稍有變化就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤．

、儀表絕緣性能不佳

，在做性能實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)傳感器保護(hù)套管由于比較長

，中間有彎曲使得保護(hù)套管與儀表外殼短路

，造成了EMC：靜放電、浪涌等實(shí)驗(yàn)的故障

，后來通過套熱縮套管再加強(qiáng)隔離

，但是由于距離還是太近，無法通過浪涌實(shí)驗(yàn)

，又增加了空氣放電管和TVS管保護(hù)

。

6、儀表精度要求高

，滿量程1M的儀表

，0.05%的精度，即為1個(gè)基本精度是0.5mm

，普通的米尺等計(jì)量設(shè)備根本無法滿足精度測(cè)量要求

，而普通加液位的方式也無法達(dá)到如此精度的液位控制，于是通過使用2M長的0.1mm精度游標(biāo)卡尺標(biāo)定

，人工模擬液位變化的方式完成精度測(cè)試．而一般儀表使用的2點(diǎn)

、5點(diǎn)標(biāo)定也無法滿足儀表精度，于是采用了11點(diǎn)標(biāo)定

。

7、儀表回差是0.02%的精度要求

，由于磁致伸縮傳感器在原理上存在剩磁效應(yīng)

，所以在上下行程的過程中，同一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值存在很大的誤差，通過分析后

，采用上下行程不同的標(biāo)定方法

，又增加了標(biāo)定的點(diǎn)，最后使用22個(gè)標(biāo)定點(diǎn)滿足回差要求

。

最后該產(chǎn)品達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下．

、測(cè)量范圍：300～3000mm；誤差：±0.05%FS

、模擬輸出：4-20mADC（HART通信可選

，現(xiàn)場(chǎng)指示可選）

3、適用環(huán)境：運(yùn)行溫度25-70℃（帶液晶）

、供電電源：24VDC.

、負(fù)載輸出：0～620W

6、工作壓力：≤1.6Mpa

、介質(zhì)密度：≥0．8g/cm3

UMD系列磁致伸縮液位變送器

，結(jié)構(gòu)合理，產(chǎn)品的穩(wěn)定性較強(qiáng)

，調(diào)試簡(jiǎn)單方便

，多樣安裝形式，能適合各種惡劣環(huán)境

、復(fù)雜場(chǎng)所的使用

。主要用于測(cè)量液位、廣泛使用在煉油

、化工

、冶金、發(fā)電

、制藥等行業(yè)

，能耐高溫、高壓

，耐腐蝕

。適用于各種易燃易爆場(chǎng)合。輸出HART協(xié)議的4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送與集散控制DCS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用

，實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制

。

其性能與國外生產(chǎn)的老產(chǎn)品相比，具有技術(shù)先進(jìn)

、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理

、性能可靠、安裝調(diào)試使用維護(hù)方便

、性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)點(diǎn)

。新產(chǎn)品的開發(fā)適應(yīng)了市場(chǎng)的需要

，毛利率達(dá)到33%，經(jīng)濟(jì)效益尚好

。

由于物美價(jià)廉

，有廣闊的市場(chǎng)前景。

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，務(wù)實(shí)拼搏求突破”—自儀十一廠召開2012上半年度經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議下一篇：核電項(xiàng)目“AP1000-JE02壓力差壓變送器”海陽核電站一期產(chǎn)品順利通過驗(yàn)收

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