磁致伸縮液位傳感器和磁翻板液位計相結(jié)合解決液位測量難題

根據(jù)筆者了解， 工業(yè)領(lǐng)域目前對于濃酸、濃堿液罐內(nèi)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(xiàn)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(jié)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(yōu)點，超聲波液位計對酸堿液位信息通過線路傳輸?shù)接嬎銠C(jī), 進(jìn)行實時觀測。但是據(jù)該廠技術(shù)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(yán)重影響了測量準(zhǔn)確度, 需要工作人員定時對超聲波探頭進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的可靠性, 該廠技術(shù)人員提出增加一套液位檢測裝置的要求, 并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化遠(yuǎn)程傳輸。為此, 作者利用磁致伸縮傳感器和磁翻板相結(jié)合的辦法, 以求實現(xiàn)酸堿液位的非接觸式測量, 并利用單片機(jī)和 GSM技術(shù), 實現(xiàn)磁致伸縮液位信號的無線傳輸。完美地實現(xiàn)了液位數(shù)的測量與數(shù)據(jù)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(dǎo)磁的不銹鋼管(測桿)、磁致伸縮線(波導(dǎo)線)、可隨液面或界面移動的浮球(內(nèi)含磁環(huán))和電子部件等組成(見圖 1), 其工作原理是: 脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖, 經(jīng)電子部件可轉(zhuǎn)換成沿波導(dǎo)線(Waveguide)傳播的波導(dǎo)脈沖( 起始脈沖); 其磁場與浮球內(nèi)的磁環(huán)磁場矢量相加形成螺旋磁場, 產(chǎn)生瞬時扭力, 使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生應(yīng)力脈沖(Strainpulse)。這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)線傳回, 在電子部件的感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)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(xù)不斷的, 所以每當(dāng)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(dǎo)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(zhuǎn), 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(shè)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(qiáng)酸強(qiáng)堿的接觸, 我們把磁致伸縮傳感器與磁翻板液位計相結(jié)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(shè)計思路。我們把磁翻板中的磁浮子和磁致伸縮
桿上的磁環(huán)磁場進(jìn)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(qiáng)磁場位置在圓片中心位置, 約 150 T; 緊繞圓片周邊的磁場強(qiáng)度約 80 T, 沿徑向磁場依次減小。磁致伸縮傳感器的感應(yīng)桿上一般設(shè)置浮動鐵氧體磁環(huán)作為磁浮子, 其磁場見圖 4, 磁環(huán)中心位置的磁場強(qiáng),約 60 T。為把磁致伸縮桿上的磁環(huán)去掉, 采用磁翻板的磁浮子周邊磁場來代替磁環(huán)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(dāng)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(zhuǎn), 顏色發(fā)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(chǎn)生脈沖信號, 感應(yīng)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(qiáng)酸強(qiáng)堿罐液位檢測系統(tǒng)
如圖 6 所示, 由于舊式的磁翻板液位計都沒有數(shù)據(jù)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(jìn)行液位測量。把磁致伸縮產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)液位信號通過單片機(jī)進(jìn)行測量, 存儲。并設(shè)定為實時測量模式, 測量頻率可根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)定為每分鐘1 次。為了實現(xiàn)工作人員隨時了解液位情況, 并減少線路布線, 本系統(tǒng)采用了基于單片機(jī)與 GSM( 移動短消息傳輸)的數(shù)據(jù)無線傳送方式。工作時, 工作人員的手機(jī)號碼被設(shè)定為 GSM短消息傳輸號, 工作人員只需向GSM發(fā)送調(diào)用指令, GSM便可把液位數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送到工作人員的手機(jī)上。

 

3 實驗與結(jié)論
我們把圖 5 所示的一體化檢測裝置進(jìn)行了水位檢測實驗, 其檢測結(jié)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(jī)測控儀讀取的數(shù)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(zhǔn)確度高; 磁翻板的測量精度為 1 cm, 但測量結(jié)果與實際值都吻合。我們通過單片機(jī)控制把磁致伸縮傳感器測量值進(jìn)行無線遠(yuǎn)傳, 實現(xiàn)了酸堿罐液位的實時監(jiān)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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