磁致伸缩罐储多参数测量系统

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1、 第七届工业仪表与自动化学术会议第七届工业仪表与自动化学术会议 1 磁致伸缩罐储多参数测量系统磁致伸缩罐储多参数测量系统 徐 伟 （枣庄学院，山东 277160） 摘摘 要：要： 磁致伸缩式液位计是引用磁致伸缩线性位移传感器进行测量的高精度大量程新型液位计， 能同时测量液位和液液界 面及罐储内部多点温度。系统主要解决了原液位测量仪表精度低，安全性差，不能进行多参数测量，以及自动化程度低、不 能构成网络控制和进行远程维修等诸多问题，并使其具有无磨损，可靠耐用，不受介质密度影响，不受过程压力变化影响的 特性。 关键词：关键词：磁致伸缩 罐储 多参数测量 远程维护 本安防爆 0 引言引言 检测仪表与

2、执行器是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，随着工业自动化技术的发展，发挥着越来 越重要的作用。如果没有性能好、精度高、质量可靠的仪表检测现场各种有关的信息，要实现高水平的自动化 就是一句空话。在这一领域，近年来我国研究开发的新成果迭出。物位仪表当前发展的重要领域是罐区管理及 其计量自动化。储罐计量是指对大型储罐内储液存量进行的测量，从而获得储库库存量，它是一个企业掌握库 存资料，以便指导生产和销售的重要管理项目。采用储罐计量会比采用流量计更经济、精度更高。因此，库存 量测量要求高的测量精度和高的测量复现性。现用测量方法有 3 种：一种是体积测量法，通过液位和温度测量 且计算出储液体积，然后

3、再换算成重量，主要由压力传感器，温度传感器和具有分析计算作用的软件等几部分 组成；另一种是重量测量法，通过液柱静压强测量且计算出储液重量，主要包括压力传感器和具有分析计算作 用的软件等部分组成；第三种是混合式测量系统，其优点是能实现高精度液位和界位测量，能获得高精度的体 积，又能实现高精度平均密度的测量，从而获得高精度的质量计量，测量系统的构成中和了 1、2 两种情况。因 此，能否高精度的测量储罐液位及油水界面是系统的关键，其中液位计的选择至关重要。目前在大量程液位计 中可达到 1 mm 精度的有雷达物位计、伺服型浮子液位计和磁致伸缩式液位计，相比之下，将磁致伸缩式物位 计装在储罐顶，同时在罐

4、底安装高精度压力变送器，然后配上一套包括数据采集器的现场监测计算机管理系统 和一套供业务管理的远程计算机管理系统，就可以组成十分完善的混合式储罐计算系统。该系统同时应具有测 量精度高、稳定可靠、寿命长、结构精巧、环境适应性强等优点，可以安全、方便、快捷地完成顶部安装，并 可广泛应用于石油、化工、制药、食品、饮料等各种液罐的液位计量。 1 液位计的组成液位计的组成 磁致伸缩式液位计是引用磁致伸缩线性位移传感器进行测量的高精度大量程新型液位计，能同时测量液 位、液液界面及罐储内部多点温度。传感元件是非接触式的，由一根测杆和套在杆上可滑动浮子组成，两个不 同比重的浮子浮在液面和油水界面，测杆由保护外

5、管、波导管及引线部分三层组成。液位测量系统设计目标主 要解决原来液位测量仪表的液位测量精度低、安全防爆性能差、不能进行多参数测量、自动化程度低、不能形 成网络控制和远程维修等诸多问题，并使其具有无磨损，耐高温、高压、不受介质比重影响，不受过程压力变 化影响的许多优异特性。 磁致伸缩液位计由三部分组成：探测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环或浮球组成。探测杆内装有 磁致伸缩线 （波导丝） ， 探测杆由非导磁材料不锈钢管制成， 可靠地保护了波导丝。 波导丝直径设计为 0.635 mm， 经挤压和热处理过程后仍保持电磁特性。进行液位测量时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲 在波导丝中传

6、输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇 时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知，并转换成相应的 电流脉冲，通过计时电路计算出两个脉冲之间的时差，即可精确测出被测的位移和液位。详见图 1-液位计安装 示意图、图 2-液位测量系统组成图、图 3-探杆结构图及图 4-浮子结构图。 第七届工业仪表与自动化学术会议第七届工业仪表与自动化学术会议 2 2 系统工作原理系统工作原理 2.1 电路的工作原理电路的工作原理 24 V DC 和 5 V DC 电源由直流稳压电源提供，24 V DC 直流电源用于信号整形放大电路

7、和高频脉冲电流放 大器及温度测量电路使用，5 V DC 直流电源供单片机电路、单片机电源监控电路、RS485 信号收发电路使用。 由时钟电路产生单片机电路工作时所需要的时钟脉冲，频率为 11 MHZ，可以满足 1 mm 的测量误差需要，同时 对单片机的性能要求亦不是很高，使系统具有较高的性价比。 当温度传感器完成温度的现场测量以后，将温度电流或电压信号通过温度参数转换电路进行换算，然后输 入单片机，单片机以五个温度测量点的平均数据为基准，完成罐内温度的计量和校准工作，并将温度数据进行 数模转换，然后输出至上位机，完成温度测量、被测液体密度计算，如超过警戒温度，则发出声光报警信号。 单片机在某一

8、时刻发出脉冲信号，开启高频脉冲电流放大器，放大器将输出一大电流高频脉冲信号，高频 脉冲信号电流经波导丝向前传递，然后返回放大器，构成一个闭环回路，由电磁转换原理，高频电流将在波导 丝的轴向形成环行磁场，当环行磁场和浮子的永久磁场叠加时，将会改变磁场的分布形式，从而导致波导丝的 形变，在此称为磁致形变，形变所产生的回波沿波导丝回传，并在波导丝的轴向上产生环行的磁场变化，当磁 场的变化被信号接受线圈接受后即转换为电流信号，经信号接受和放大器整形电路，输入单片机，单片机通过 测量高频信号发出和回波接收的时间差，将时间差经过单片机内置程序的运算，就可以确定液位的高低和液界 面的位置，然后将信号数字化，

9、通过 RS485 信号收发电路，传输至上位机，以显示液面和液界的高度、存量、 温度，完成了液位和液液界面的测量任务。在此测量过程中，单片机内置或外置监控电路将检测时间差的大小 是否在预期时间范围内，超出预期设定时间量，此次测量无效，重新开始测量的新循环。通过单片机电源监控 电路检测单片机的工作状态，并保持数据状态。 在上位机内通过建立各种油品的密度-温度对应数据库和专门的管理系统，共同形成完善的检测和控制网 络，同时通过以太网完成远程检测和维修、系统更新等任务 上位机内管理系统予设量程选择开关主要用来满足不同量程的需要。 以下示图为：图 5-液位计结构原理图；图 6-系统接线原理图；图 7-电

10、路原理框图；图 8-温度测量元件安装 示意图。 2.2 系统主要技术参数及功能系统主要技术参数及功能 测量杆采用不锈钢材料制造 电源 24 V DC 5 V DC； 通讯协议 EIA-485 串行接口； 测量范围 6003 800 mm； 液面精度 0.5 mm； 界面精度 2 mm； 分辨率 0.1 mm； 第七届工业仪表与自动化学术会议第七届工业仪表与自动化学术会议 3 检测速度 0.01 s/次； 温度测点 15 可选； 温度检测分辨率 0.1； 界面下盲区 11 mm； 液界盲区 95 mm； 无界面时液面下盲区 2030 mm； 液面上盲区 110 mm； 测量液体温度范围 -257

11、0； 使用环境温度范围 -2570； 防爆等级 Exia BT4； 硬杆不锈钢传感器量程可选； 安装方式可选，浮子可选； 无须调试。 2.3 系统适用范围系统适用范围 一般过程控制；液态储罐的过程控制；就地 和远程储罐控制；燃油、原油多参数罐储自动计 量；各种化学试剂罐储自动计量；水及污水处理 和洪水控制。 3 结束语结束语 由于磁致伸缩液位计采用波导原理，无机械可动部分，故无摩擦，无磨损。整个变换器封闭在不锈钢管内， 和测量介质非接触，传感器工作可靠，寿命长因此系统具有较强的可靠性；由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工 作，工作中通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，因此测量精度高，分

12、辨率优于 0.01%FS， 这是用其它传感器难以达到的精度；由于磁致伸缩液位计电路设计为本安防爆，因此防爆性能高，使用安全， 特别适合对化工原料和易燃液体的测量，同时测量时无需开启罐盖，避免人工测量所存在的不安全性；磁致伸 缩液位仪一般通过罐顶已有管口进行安装，特别适用于地下储罐和已投运储罐的安装，并可在安装过程中不影 响正常生产；磁致伸缩液位计的二次仪表采用标准输出信号，便于微机对信号进行处理，容易实现联网工作， 提高了整个测量系统的自动化程度，并易于安装维护 。 收稿日期：2006-04-04。 第一作者徐伟，男，1968 年生，1990 年毕业于青岛科技大学化工自动化控制专业，高级工程师；主要从事化工生产过程控制技术的应用和开发 研究。