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化學(xué)工業(yè)過程工況環(huán)境復(fù)雜，液位測(cè)量面臨強(qiáng)腐蝕、高溫、高壓和高精度要求的挑戰(zhàn)。磁致伸縮液位計(jì)是利用磁致伸縮原理進(jìn)行液位測(cè)量的，具有較高的準(zhǔn)確度和良好的環(huán)境耐受性，而且其測(cè)量精度達(dá)±0.5mm，因而成為大型儲(chǔ)罐精確液位計(jì)量的首選。

在參考國外先進(jìn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研制出磁致伸縮液位計(jì)整機(jī)，主要由磁致伸縮波導(dǎo)絲、信號(hào)發(fā)生于拾取、電源、人機(jī)界面計(jì)通信等部分組成，其中信號(hào)發(fā)生與拾取是最關(guān)鍵的部分，其性能直接決定測(cè)量的準(zhǔn)確度與量程。在此將重點(diǎn)介紹扭轉(zhuǎn)波的機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換方法，同時(shí)給出一種對(duì)扭轉(zhuǎn)波信號(hào)具有自適應(yīng)能力的信號(hào)調(diào)理電路。

1、工作原理

磁致伸縮液位計(jì)由浮球、探桿和電子部件三部分組成，浮球內(nèi)含磁鋼；探桿內(nèi)中空，管內(nèi)繃緊一根磁致伸縮波導(dǎo)絲，當(dāng)液位變化時(shí)浮球帶著磁鋼沿探桿上下移動(dòng)，測(cè)得浮球位移即可獲知液位。測(cè)量過程為CPU控制激勵(lì)電路間歇性地想波導(dǎo)絲發(fā)生一個(gè)激勵(lì)電流脈沖，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)；激勵(lì)電流沿波導(dǎo)絲產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)Hc。當(dāng)環(huán)形磁場(chǎng)Hc與浮球磁場(chǎng)Hi疊加時(shí)，由于磁致伸縮效應(yīng)，波導(dǎo)絲上產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波從浮球位置向波導(dǎo)絲兩端傳播；方機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元接收到返回的扭轉(zhuǎn)波信號(hào)時(shí)，CPU停止計(jì)時(shí)，獲得一個(gè)時(shí)間T，將時(shí)間T乘以扭轉(zhuǎn)波的波速V即可得到浮球距離機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的距離。

對(duì)浮子位置的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是對(duì)時(shí)間T的測(cè)量。扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的傳播速度約為3km/s，當(dāng)前電子技術(shù)條件下，高分辨率的測(cè)量時(shí)間是較易實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)聲學(xué)原理，超聲波在波導(dǎo)絲中的傳播速度V=√G/ρ,其中G為磁致伸縮波導(dǎo)絲的彈性模量，ρ為磁致伸縮波導(dǎo)絲的密度，這兩個(gè)參量與外部環(huán)境條件無關(guān)，因此扭轉(zhuǎn)波的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。浮子與電子倉的距離S=V*T=T√G/ρ。

2、扭轉(zhuǎn)波的機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換

扭轉(zhuǎn)波的拾取是磁致伸縮液位變送器的關(guān)鍵技術(shù)之一。扭轉(zhuǎn)波屬機(jī)械波，因此拾取扭轉(zhuǎn)波的原件就是將機(jī)械能變換為電信號(hào)，目前有兩種方法：一種基于逆磁致伸縮效應(yīng)，一種基于壓電陶瓷。傳統(tǒng)方法是基于磁致伸縮效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)波拾取方法。在波導(dǎo)絲靠近電子倉的部分焊接有磁致伸縮金屬片，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波沿波導(dǎo)絲返回到拾取單元，引起磁致伸縮金屬片變形，根據(jù)你磁致伸縮效應(yīng)，即當(dāng)材料收到外力時(shí)材料的磁化狀態(tài)也隨之改變，在偏置磁場(chǎng)作用下，線圈會(huì)監(jiān)測(cè)到磁通量的變化，產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓。這種方法有兩個(gè)明顯的不足：零件樹木多，零件位置關(guān)系要精密配合，制造成本高；工藝復(fù)雜，繞制微型線圈繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，而且無法保證其一致性。

該設(shè)計(jì)方案中，選用基于壓電效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)波拾取方法。壓電陶瓷是一種應(yīng)用極廣的換能器材料，極化后的壓電材料受外力形變會(huì)產(chǎn)生電壓，及壓電效應(yīng)。利用壓電效應(yīng)可以把接收到的機(jī)械扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常用的壓電材料包括壓電單晶體、多晶的壓電陶瓷、壓電高聚物及壓電復(fù)合材料等。其中，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐溫、耐濕、成本低及機(jī)電耦合效果好等優(yōu)點(diǎn)，改設(shè)計(jì)方案即選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷作為換能器件，原因是：居里溫度盡可能高，因?yàn)閴弘娞沾尚枰c波導(dǎo)絲接觸，而真?zhèn)€探桿浸沒在介質(zhì)中，波導(dǎo)絲有很好的的導(dǎo)熱性，澤陽可以將壓電陶瓷工作溫度升高；壓電電壓常數(shù)盡可能大，保證在微弱扭轉(zhuǎn)條件下，能夠產(chǎn)生足夠的電壓信號(hào)；機(jī)電耦合系數(shù)高，保證信號(hào)轉(zhuǎn)換效率高。最終，該方案選定P51系列的壓電陶瓷片作為機(jī)電轉(zhuǎn)換材料。

該方案采用杠桿結(jié)構(gòu)形式的機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，將波導(dǎo)絲的圓周扭轉(zhuǎn)變換成直線方向形變。這樣，就減少了零件數(shù)量，其工藝步驟也得以簡化。壓電陶瓷片為厚度方向敏感，兩片壓電陶瓷必須同極性方向布置，構(gòu)成差動(dòng)信號(hào)輸出。杠桿把扭轉(zhuǎn)形變放大，然后再兩片壓電陶瓷上產(chǎn)生電荷，完成機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換。

3、信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路是整個(gè)信號(hào)前端處理的關(guān)鍵部分。機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元將扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)換成一個(gè)幾十微伏的電壓脈沖信號(hào)，而扭轉(zhuǎn)波傳播時(shí)間T必須通過一套信號(hào)調(diào)理電路才能完整獲得。MCU控制激勵(lì)電流發(fā)生器發(fā)生一個(gè)脈沖激勵(lì)電流（脈沖寬度10μs），電流沿波導(dǎo)絲傳播，同時(shí)MCU開始計(jì)時(shí)；激勵(lì)電流在波導(dǎo)絲上產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)，環(huán)形磁場(chǎng)與浮球磁鋼的磁場(chǎng)相遇的瞬間，由于磁致伸縮效應(yīng)，波導(dǎo)絲在浮球的位置處產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波沿波導(dǎo)絲向機(jī)電轉(zhuǎn)換單位傳播；機(jī)電轉(zhuǎn)換單位的壓電陶瓷吧扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)換成幾百微伏的電壓信號(hào)（脈沖），經(jīng)差動(dòng)放大器放大到伏級(jí)，然后高通濾波取出直流分量，進(jìn)入比較器；比較器以方便接收電壓脈沖信號(hào)，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的值進(jìn)行比較，入股電壓買產(chǎn)信號(hào)幅度足夠大，比較器輸出的電平邏輯翻轉(zhuǎn)，促使MCU停止計(jì)時(shí)，此時(shí)MCU獲得扭轉(zhuǎn)波從浮球位置傳播到機(jī)電轉(zhuǎn)換單元的時(shí)間T。

由前述可知，扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生于浮球磁鋼的位置，在波導(dǎo)絲上傳播到機(jī)電轉(zhuǎn)換單元才被轉(zhuǎn)換為點(diǎn)壓脈沖信號(hào)。工業(yè)過程的液位測(cè)量范圍在5-6m，而大型油庫儲(chǔ)罐量程可達(dá)22m，這意味著浮球在長達(dá)22m的范圍內(nèi)任意移動(dòng)，信號(hào)調(diào)理電路必須能有效識(shí)別出扭轉(zhuǎn)波所對(duì)應(yīng)的電壓脈沖信號(hào)。由于扭轉(zhuǎn)波的本質(zhì)是一種機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)在波導(dǎo)絲的傳播時(shí)必然存在衰減的。試驗(yàn)也表明，同樣一套試驗(yàn)樣機(jī)，浮球距離5m遠(yuǎn)時(shí)獲得的扭轉(zhuǎn)波對(duì)應(yīng)的電壓脈沖信號(hào)Vpp=1V，浮球1m遠(yuǎn)時(shí)扭轉(zhuǎn)波對(duì)應(yīng)的額電壓脈沖信號(hào)Vpp=3V，可見扭轉(zhuǎn)波傳播的路徑越遠(yuǎn)，最后的衰減越大。如果扭轉(zhuǎn)波信號(hào)衰減到一定程度，其幅度一單低于比較器的門檻值，則比較器不會(huì)翻轉(zhuǎn)，真?zhèn)€辛哈調(diào)理電路無法獲得扭轉(zhuǎn)波的傳播時(shí)間。

比較器的門檻電壓適時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)扭轉(zhuǎn)波脈沖幅度的變化。因此在電路設(shè)計(jì)撒花姑娘，利用單片機(jī)控制一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，書摩鉆器輸出的電壓作為比較器的門檻值。同時(shí)在單片機(jī)程序中做判斷，一旦發(fā)現(xiàn)本次激勵(lì)電流發(fā)出后，單片機(jī)在定時(shí)間內(nèi)未收到比較器翻轉(zhuǎn)信號(hào)，則單片機(jī)主動(dòng)將數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出值降低一個(gè)檔位，以適應(yīng)扭轉(zhuǎn)波幅度的變小。這樣，及時(shí)浮球原理機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，，扭轉(zhuǎn)波幅度明顯降低，信號(hào)調(diào)理電路仍然能夠有效捕獲扭轉(zhuǎn)波對(duì)應(yīng)的電壓脈沖信號(hào)。

4、結(jié) 論

在前期調(diào)研國內(nèi)外磁致伸縮液位計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)比了幾種扭轉(zhuǎn)波的拾取方法，最終選定壓電陶瓷作為扭轉(zhuǎn)波向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換手段。在硬件設(shè)計(jì)上，以過程自動(dòng)化常用的兩線制變動(dòng)器儀表為背景，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)激勵(lì)與脈沖采集，成功的測(cè)出刻度檢測(cè)報(bào)告。以Excel格式建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，試驗(yàn)工程的各種信息參數(shù)分類存儲(chǔ)，包括傳感器參數(shù)設(shè)置文件、歷史數(shù)據(jù)文件及刻度報(bào)告文件等。