磁致伸縮液位傳感器是綜合利用磁致伸縮效應(yīng)、浮力原理、電磁感應(yīng)、電子技術(shù)等多種技術(shù)研制而成的液位測(cè)量?jī)x表。利用了稀土超磁材料的維德曼效應(yīng)、維拉里效應(yīng)及超聲效應(yīng) , 利用了時(shí)間量容易被高精度測(cè)量的特點(diǎn) ,通過(guò)將液位信息轉(zhuǎn)變成時(shí)間量 ,以及對(duì)時(shí)間量的測(cè)量 ,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位、界位的高精度測(cè)量。目前 ,國(guó)內(nèi)外有關(guān)磁致伸縮技術(shù)應(yīng)用于傳感測(cè)量的研究很多。雖還不是很完善 ,但已初步顯示出磁致伸縮技術(shù)的作用和巨大潛力 。
1.磁致伸縮液位傳感器工作原理
磁致伸縮液位傳感器由傳感器頭、波導(dǎo)管、磁致伸縮波導(dǎo)絲以及內(nèi)含磁鐵的浮子組成。傳感器主要利用磁致伸縮效應(yīng)工作 。
移動(dòng)的磁浮子在波導(dǎo)管中產(chǎn)生軸向磁場(chǎng) ,脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖 ,沿著銅絲傳播 ,當(dāng)遇到磁浮子的軸向磁場(chǎng)時(shí)形成螺旋型磁場(chǎng) ,導(dǎo)致波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭曲形變 ,從而激發(fā)扭轉(zhuǎn)彈性波 ,彈性波以恒定的超聲波速向波導(dǎo)管兩端傳播 ,超聲波被固定在波導(dǎo)管上的回波接收裝置接收轉(zhuǎn)化為電脈沖 ,該脈沖經(jīng)放大送到主要由計(jì)數(shù)器組成的電路中。因?yàn)槌暡ㄔ诓▽?dǎo)管中是以恒速傳播的 ,所以只要測(cè)出脈沖發(fā)射與脈沖接收之間的時(shí)間間隔 , 乘以波速(約為 3 km/ s) ,即可得到磁鐵的位置 ,實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)不斷的 ,所以 ,每當(dāng)磁鐵移動(dòng)時(shí) ,新的位置就會(huì)被測(cè)出來(lái)。由于測(cè)量單元可探測(cè)到由同一詢問(wèn)脈沖產(chǎn)生的連續(xù)返回脈沖 ,所以可以在同一傳感器上配上多個(gè)活動(dòng)磁浮子 ,同時(shí)進(jìn)行液位、界位多參數(shù)測(cè)量。
2.磁致伸縮液位傳感器的硬件測(cè)量電路設(shè)計(jì)
2.1.1 激勵(lì)脈沖發(fā)生器
磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量電路由脈沖超聲波激發(fā)電路和接收電路組成。激發(fā)電路包括多諧振蕩電路、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路及充放電電路;接收電路包括輸入保護(hù)電路、放大電路和濾波電路。激發(fā)電路的功能是在外接的磁致伸縮式超聲傳感器上施加高壓脈沖 ,產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng) ,進(jìn)而在磁致伸縮絲中激發(fā)脈沖超聲波;接收電路的主要功能是對(duì)磁致伸縮式傳感器輸出的微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)理輸出 ,并抑制激發(fā)時(shí)施加于傳感器的高壓激發(fā)脈沖 ,保護(hù)放大電路。
在磁致伸縮傳感器中 ,需要對(duì)波導(dǎo)絲施加高壓瞬間脈沖 ,激發(fā)脈沖超聲波 。利用電容瞬間放電的方法實(shí)現(xiàn) , 電路由N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管、旁路電阻、能量?jī)?chǔ)存電容和二極管組成。如圖 3 所示 ,在場(chǎng)效應(yīng)管 Q 的柵極輸入控制脈沖 ,當(dāng) Q 的柵極為低電位時(shí) ,柵 - 源極電壓差為零 ,Q 關(guān)斷 ,能量?jī)?chǔ)存電容 C 通過(guò)旁路電阻 R9 和二極管D1 充電 ,充電時(shí)間由時(shí)間常數(shù)決定 ,時(shí)間常數(shù)還決定了脈源電壓為正電壓。若 Q 導(dǎo)通 , C 存儲(chǔ)的能量通過(guò)Q 、及 D2 向波導(dǎo)絲放電 ,在波導(dǎo)絲中激發(fā)出超聲波。R10用于調(diào)節(jié)激發(fā)能量 ,改變激發(fā)超聲波幅值的大小。
綜合考慮到電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可能存在的諸多干擾 ,以及所選用器件需要承受大電流 ,將關(guān)鍵器件場(chǎng)效應(yīng)管選為 IRF840 型 ,可以承受 8A電流。
驅(qū)動(dòng)功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)帶容性負(fù)載的網(wǎng)絡(luò) ,在高頻工作時(shí) ,絕緣場(chǎng)效應(yīng)管電容的充、放電造成的損耗十分顯著 ,結(jié)電容越小 ,充、放電引起的損耗越小。在產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的門脈沖時(shí) , 會(huì)產(chǎn)生達(dá)幾 A 的門電流 ,這超出了 TTL 芯片的驅(qū)動(dòng)能力。為提高脈沖幅值 ,需增強(qiáng)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)特性 ,可以采用雙極性三極管對(duì)管驅(qū)動(dòng)電路。
驅(qū)動(dòng)電路由起緩沖作用的電壓跟隨器 UC3140 、電阻及一對(duì)小功率開(kāi)關(guān)三極管組成。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí) ,UC3140 輸出低電平 ,切效應(yīng)管Q 截止;當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí) ,應(yīng)管Q 導(dǎo)通。R7 的作用是與功率三極管基極相連 , 在基極回路中形成電流。這樣通過(guò)三極管對(duì)管和場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管驅(qū)動(dòng) ,可以提高帶容性負(fù)載的能力 ,具有較大的峰值電流 ,且可以提高開(kāi)關(guān)速度。
2.1.2 傳感器輸出信號(hào)接收/ 處理電路
由于傳感器輸出端信號(hào)的幅度只有 15 mV 左右 ,不便測(cè)量 ,需要增設(shè)放大電路 ,以便更準(zhǔn)確地測(cè)得回波信號(hào)。采用 LM318 精密高速運(yùn)算放大器可以滿足要求 ,LM318 具有 15 MHz 小信號(hào)帶寬 ,保證50 V/μs的轉(zhuǎn)換速度 ,在將信號(hào)放大 100 倍后 ,仍然可以保證約 100 kHz的帶寬。
為了消除雜波干擾 ,還需要在放大電路后面增加濾波電路。激發(fā)出的超聲波頻率一般為幾十～幾百 kHz. 采用有源濾波的形式 ,設(shè)計(jì)高通和低通濾波器 ,使得頻率為 10～500 kHz 的信號(hào)可以通過(guò) ,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得電路濾波范圍可以達(dá)到 918～468 kHz.
3磁致伸縮液位傳感器的軟件測(cè)量電路設(shè)計(jì)
傳感器通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)射和回波接收之間的時(shí)間間隔來(lái)確定液位 ,所以時(shí)間量的測(cè)量決定液位測(cè)量的精度。作為高精度智能型數(shù)字傳感器 ,要求其核心處理器必須具有速度快、功耗低、運(yùn)算處理能力強(qiáng) ,具有較大的 RAM、ROM. 同時(shí)由于傳感器的主要工作是高精度時(shí)間量計(jì)算 ,所以要求 MCU 必須具有良好的信號(hào)捕捉功能。TMS320LF2407 具有高達(dá) 40MIPS 的執(zhí)行速度 ,指令周期為 25 ns ,4 級(jí)流水線作業(yè) ,16 位可編程的計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器陣列帶 6 個(gè)捕獲/ 比較模塊 ,可以滿足高精度測(cè)量的需求 ,所以 TMS320LF2407 成為磁致伸縮液位傳感器核心處理器的理想選擇。
利用 TMS320LF2407 進(jìn)行時(shí)間測(cè)量原理。首先利用電壓比較器LM393 將信號(hào)處理電路輸出的信號(hào)與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較 ,進(jìn)而將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?TTL 電平的脈沖信號(hào)。由于 TMS320LF2407 的 I/ O 電平是 313 V 邏輯電平 ,所以需要在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)增加電平轉(zhuǎn)換器件 74LVC4245 。TMS320LF2407 共有 6 個(gè)捕獲單元 ,每個(gè)捕獲單元都有 1 個(gè)施密特觸發(fā)器的捕獲輸入引腳。利用捕獲單元 4 (CAP4) 捕獲發(fā)射和回波信號(hào)脈沖的上升沿 ,事件管理器 B ( EVB) 的通用定時(shí)器 3 對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ,用中斷的方式讀取計(jì)數(shù)值并將定時(shí)器的計(jì)數(shù)值裝入 FIFO 堆棧。此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與液位儀中磁鐵和傳感器頭之間的距離成正比。這種原理的檢測(cè)精度取決于高頻時(shí)鐘 ,頻率越高 ,計(jì)算精度越高。如果選用比較高的計(jì)數(shù)頻率或者發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)時(shí) ,就可能會(huì)超過(guò)DSP 的捕獲時(shí)間 ,這時(shí)需要利用定時(shí)器溢出的方法再加上軟件計(jì)數(shù)來(lái)擴(kuò)大計(jì)時(shí)范圍。
4.結(jié)束語(yǔ)
磁致伸縮液位傳感器測(cè)量范圍寬(可達(dá)18 m) ,測(cè)量精度高(一般為 0102 %～0105 %或 011～015 mm) ,重復(fù)性好(一般為 01002 %) ,且溫度系數(shù)較低(一般為 01005～0101 ℃) ,同時(shí)可以對(duì)油位/ 油水界面及多點(diǎn)溫度等多個(gè)參量進(jìn)行測(cè)量。由于磁致伸縮液位傳感器采用非接觸傳感元件 ,故具有較高的使用壽命和標(biāo)定特性 ,再加上其安裝調(diào)試方便 ,輸出信號(hào)多樣(有模擬量、脈沖信號(hào)、數(shù)字信號(hào)) ,因此 ,磁致伸縮液位將會(huì)成為液位測(cè)量的主流產(chǎn)品。
會(huì)員1.png)