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磁致伸缩液位变送器(防爆)设计

来源:自仪公司 编辑:上仪销售网 发布时间:2012-08-03 文章点击数:2361


磁致伸缩线性位移传感器(是综合利用磁致伸缩 效应、电磁感应、电子技术、高精度时间间隔测量等多种技术而成的非接触式测量仪器。由于它具有传输距 离远、非接触式测量、可靠性高且适应恶劣环境等特 点,被广泛应用于各种控制领域。磁致伸缩线性位移传感器具有更高的精度,设计增加HART现场总线通 信,使其具备总线通信能力,实现仪表之间以及和控制室设备的多种信息交换,可大大减少安装、运行及维护的费用。在经济效益方面,由于磁致伸缩线性位移传感器拥有自主知识产权,产品自行开发、设计、生 产,充分利用自仪公司的集团优势,因此产品的成本相对较低。


图1为一种典型的安放于储罐中的液位传感器 总体结构图。测量头装置在罐体之外,包括脉冲发生、 回波接收、信号检测与处理电路。由不锈钢或铝合金材料做的保护套管套在波导管外,插入液体中直达罐底,底部固定在罐底。磁浮子可以有两个,一个测量油位,另一个安放在波导管对应的油水界面处,用于测量界位。若在波导管底端再设置一块磁铁,还可以完成自校正功能,使传感器无须定期标定。


如图2磁致伸缩位移传感器主要包括以下几部分:波导丝、保护管套、移动磁铁、电路板部分。测量管是整个传感器的核心传感部分,这一部分又包括:偏置磁铁、波导丝、保护管套、末端衰减阻尼装置、非接触磁环、转换器输出。


在传感器检测电路得到的信号中,除了激励脉冲 与液位感应脉冲外,又增加了一个界面位置感应脉冲,如图3所示。通过测量界位感应脉冲与激励脉冲的时间差,就可计算出相界面位置两种液体相界面的位置。


设计方案简述、论证:

1、设计思想及原理

变送器采用磁致伸缩原理,物理学中称作威德曼 效应。产品主要由不锈钢管做的测杆、测量电路和套在测杆上的非接触的磁环和浮球组成。测杆内装有磁 致伸缩线(波导丝)。测杆由不锈钢管制造成可靠地保 护波导丝。工作时,由电子电路产生一起始脉冲,此起始脉冲在波导丝中传输时,同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁。?闭飧龃懦∮敫∏蛑械挠谰么懦∠嘤鍪,产生磁致伸缩效应,使波导丝发生扭动,这一扭动被感应线圈所感知并转换成相应的电流脉冲,通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差,即可精确测出被测液位。

2、硬件方案(功能框图、电路、关键元器件、元器件 通用性等)


关键元器件由元器件销售代理商直接供货,普通 元器件采用通用元器件,在市场上可直接购买,硬件 电路选用成熟电路。

3、软件方案(功能模块、程序框图等)

产品大部分功能有以下几个模块组成:


开发过程中关键问题:

硬件方面:

开发本产品的关键问题有以下几点:

1、二线制仪表低功耗的要求;

2、按照仪表结构要求电路部分被拆分成3块板子 进行布局;

3、信号采样的精度;

4、微弱信号检测的问题;

5、样机的全性能试验;

6、HART协议技术掌握和应用。

开发过程中碰到问题的解决措施:

在器件选型时选用低功耗器件,保证仪表4mA电 流也能正常工作;

由于仪表的结构较。??圆鸱殖闪 3块电路板, 根据功能分为电源板,主控板和显示板;

为保证仪表精度选用了专用的时间测量芯片;

在信号输入端,用两个运放组成前级差动放大电路来检测微弱的回波信号,再经过放大,比较电路得到的回波脉冲,用于时间测量与液位计算。

在全性能试验中,EMC试验也遇到了问题,我们 加了相应的防护措施,比如我们在电源端加了共模扼 流圈以防止共模电磁干扰,加了压敏电阻来抗浪涌, 加了磁珠来抗静电干扰和高频噪声,加了电感来抑制 低频交流信号,还加了二极管来防反接。

软件方面:

按键设定方法:

4mA和20mA设定可以通过两种方式完成,一是 通过按键操作执行,另一种可由上位机通过Hart通讯 来完成,同时上位机可以设定传感器量程和与Hart协 议相关的仪表信息.长时间同时按SET按钮和ZERO 按钮(超过5秒),进入输出电流设定状态,先设定对应 4毫安输出的液位值(RmgeLow):显示当前液位值,(液 位值变化用移动磁钢来实现),当移动后的液位位置确认为4毫安对应液位时,单独按ZERO按钮,软件记 录当前液位值(RmgeLow)并且输出为4毫安;再标定 对应20毫安输出的液位值(RmgeHi):显示当前液位 值(液位值变化用移动磁钢来实现),当移动后的液位 位置确认为4毫安对应液位时,再单独按SET按钮,软件记录当前液位值(RangeHi)并且输出20毫安同时 退出电流设定状态。

在按键设定过程中,30秒内无按钮输入,退出电流 设定状态。

开发过程中主要技术难点:

1、我们早期传感器技术尚未掌握,如波导丝材料 的选。?绾伟沧肮潭,脉冲激励线圈参数如何确定 等一系列问题;后来通过查阅了相关资料与参照国外 同类产品技术,确定了波导丝的材料和安装,并自己 线绕激励线圈,不断加以改进,解决了传感器技术的 难题。

2、硬件电路上与传感器相关部分的处理电路开始 时并没有相关的基。?ü?慰脊?獠?返拇?淼缏 后,结合了自己的传感器特性后,设计了相应处理电 路,最后通过实际的调试与完善,确定了传感器处理电 路。

3、测量精度的不断提高,刚开始的产品信号处理 不够稳定,所能达到的精度与目标精度0.05%相差很 远,达到0.05%的仪表精度的困难很大,最后通过调 整信号处理电路电容、电阻的参数,调整运放参数,并 增加相应滤波小电容,数字地与机壳地之间放置高压 瓷片电容,软件加以滤波等一系列方法,终于达到精

…4、k度实验开始很容易就超过标准范围,温度稳定性比较差,有时甚至会阶跃跳变,经过对传感器接 收的信号在不同温度下的波形观测,找出相应的温度 变化规律,发现在接收波形变化相对平滑的情况下, 温度性能比较好,而接收时比较电压如果设置不当, 接收波形稍有变化就会发生错误。

5、仪表绝缘性能不佳,在做性能实验的时候,发现传感器保护套管由于比较长,中间有弯曲使得保护套 管与仪表外壳短路,造成了 EMC静放电、浪涌等实验 的故障,后来通过套热缩套管再加强隔离,但是由于距 离还是太近,无法通过浪涌实验,又增加了空气放电管 和TVS管保护。

6、仪表精度要求筒,满量程1M的仪表,0.05%的 精度,即为1个基本精度是0.5mm,普通的米尺等计 量设备根本无法满足精度测量要求,而普通加液位的 方式也无法达到如此精度的液位控制,于是通过使用 2M长的0.1mm精度游标卡尺标定,人工模拟液位变 化的方式完成精度测试。而一般仪表使用的2点、5点 标定也无法满足仪表精度,于是采用了 11点标定。

7、仪表回差是0.02%的精度要求,由于磁致伸缩 传感器在原理上存在剩磁效应,所以在上下行程的过 程中,同一个点的测量值存在很大的误差,通过分析 后,采用上下行程不同的标定方法,又增加了标定的 点,最后使用22个标定点满足回差要求。

最后该产品达到的主要技术指标如下:

1、测量范围:300~3000mm;误差:±0.05%FS

2、模拟输出:4?20mADC(HART通信可。?殖 指示可。

3、适用环境:运行温度-25?70°C(带液晶)

4、供电电源:24VDC

5、负载输出:0?62011

6、工作压力:彡1.6Mpa

7、介质密度:^0.8g/cm3

UMD系列磁致伸缩液位变送 器,结构合理,产品的稳定性较强, 调试简单方便,多样安装形式,能适 合各种恶劣环境、复杂场所的使用。 主要用于测量液位、广泛使用在炼 油、化工、冶金、发电、制药等行业, 能耐高温、高压,耐腐蚀。适用于各 种易燃易爆场合。输出HART协议 的4?20mADC标准信号远距离传 送与集散控制DCS系统联网使用, 实现工艺流程的自动检测和自动控 制。

其性能与国外生产的老产品相 比,具有技术先进、结构简单合理、 性能可靠、安装调试使用维护方便、 性能价格比高等诸多优点。新产品 的开发适应了市场的需要,毛利率 达到33%,经济效益尚好。

由于物美价廉,有广阔的市场前景。


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