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磁致伸縮液位變送器(防爆)設計

來源:本站 編輯:admin 發布時間:2020-05-18 16:31:32 文章點擊數:913


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磁致伸縮線性位移傳感器(是綜合利用磁致伸縮 效應、電磁感應、電子技術、高精度時間間隔測量等多種技術而成的非接觸式測量儀器。由于它具有傳輸距 離遠、非接觸式測量、可靠性高且適應惡劣環境等特 點,被廣泛應用于各種控制領域。磁致伸縮線性位移傳感器具有更高的精度,設計增加HART現場總線通 信,使其具備總線通信能力,實現儀表之間以及和控制室設備的多種信息交換,可大大減少安裝、運行及維護的費用。在經濟效益方面,由于磁致伸縮線性位移傳感器擁有自主知識產權,產品自行開發、設計、生 產,充分利用自儀公司的集團優勢,因此產品的成本相對較低。


圖1為一種典型的安放于儲罐中的液位傳感器 總體結構圖。測量頭裝置在罐體之外,包括脈沖發生、 回波接收、信號檢測與處理電路。由不銹鋼或鋁合金材料做的保護套管套在波導管外,插入液體中直達罐底,底部固定在罐底。磁浮子可以有兩個,一個測量油位,另一個安放在波導管對應的油水界面處,用于測量界位。若在波導管底端再設置一塊磁鐵,還可以完成自校正功能,使傳感器無須定期標定。

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如圖2磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分:波導絲、保護管套、移動磁鐵、電路板部分。測量管是整個傳感器的核心傳感部分,這一部分又包括:偏置磁鐵、波導絲、保護管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環、轉換器輸出。

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在傳感器檢測電路得到的信號中,除了激勵脈沖 與液位感應脈沖外,又增加了一個界面位置感應脈沖,如圖3所示。通過測量界位感應脈沖與激勵脈沖的時間差,就可計算出相界面位置兩種液體相界面的位置。

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設計方案簡述、論證:

1、設計思想及原理

變送器采用磁致伸縮原理,物理學中稱作威德曼 效應。產品主要由不銹鋼管做的測桿、測量電路和套在測桿上的非接觸的磁環和浮球組成。測桿內裝有磁 致伸縮線(波導絲)。測桿由不銹鋼管制造成可靠地保 護波導絲。工作時,由電子電路產生一起始脈沖,此起始脈沖在波導絲中傳輸時,同時產生了一沿波導絲方向前進的旋轉磁場,當這個磁場與浮球中的永久磁場相遇時,產生磁致伸縮效應,使波導絲發生扭動,這一扭動被感應線圈所感知并轉換成相應的電流脈沖,通過電子電路計算出兩個脈沖之間的時間差,即可精確測出被測液位。

2、硬件方案(功能框圖、電路、關鍵元器件、元器件 通用性等)

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關鍵元器件由元器件銷售代理商直接供貨,普通 元器件采用通用元器件,在市場上可直接購買,硬件 電路選用成熟電路。

3、軟件方案(功能模塊、程序框圖等)

產品大部分功能有以下幾個模塊組成:

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開發過程中關鍵問題:

硬件方面:

開發本產品的關鍵問題有以下幾點:

1、二線制儀表低功耗的要求;

2、按照儀表結構要求電路部分被拆分成3塊板子 進行布局;

3、信號采樣的精度;

4、微弱信號檢測的問題;

5、樣機的全性能試驗;

6、HART協議技術掌握和應用。

開發過程中碰到問題的解決措施:

在器件選型時選用低功耗器件,保證儀表4mA電 流也能正常工作;

由于儀表的結構較小,所以拆分成了 3塊電路板, 根據功能分為電源板,主控板和顯示板;

為保證儀表精度選用了專用的時間測量芯片;

在信號輸入端,用兩個運放組成前級差動放大電路來檢測微弱的回波信號,再經過放大,比較電路得到的回波脈沖,用于時間測量與液位計算。

在全性能試驗中,EMC試驗也遇到了問題,我們 加了相應的防護措施,比如我們在電源端加了共模扼 流圈以防止共模電磁干擾,加了壓敏電阻來抗浪涌, 加了磁珠來抗靜電干擾和高頻噪聲,加了電感來抑制 低頻交流信號,還加了二極管來防反接。

軟件方面:

按鍵設定方法:

4mA和20mA設定可以通過兩種方式完成,一是 通過按鍵操作執行,另一種可由上位機通過Hart通訊 來完成,同時上位機可以設定傳感器量程和與Hart協 議相關的儀表信息.長時間同時按SET按鈕和ZERO 按鈕(超過5秒),進入輸出電流設定狀態,先設定對應 4毫安輸出的液位值(RmgeLow):顯示當前液位值,(液 位值變化用移動磁鋼來實現),當移動后的液位位置確認為4毫安對應液位時,單獨按ZERO按鈕,軟件記 錄當前液位值(RmgeLow)并且輸出為4毫安;再標定 對應20毫安輸出的液位值(RmgeHi):顯示當前液位 值(液位值變化用移動磁鋼來實現),當移動后的液位 位置確認為4毫安對應液位時,再單獨按SET按鈕,軟件記錄當前液位值(RangeHi)并且輸出20毫安同時 退出電流設定狀態。

在按鍵設定過程中,30秒內無按鈕輸入,退出電流 設定狀態。

開發過程中主要技術難點:

1、我們早期傳感器技術尚未掌握,如波導絲材料 的選取,如何安裝固定,脈沖激勵線圈參數如何確定 等一系列問題;后來通過查閱了相關資料與參照國外 同類產品技術,確定了波導絲的材料和安裝,并自己 線繞激勵線圈,不斷加以改進,解決了傳感器技術的 難題。

2、硬件電路上與傳感器相關部分的處理電路開始 時并沒有相關的基礎,通過參考國外產品的處理電路 后,結合了自己的傳感器特性后,設計了相應處理電 路,最后通過實際的調試與完善,確定了傳感器處理電 路。

3、測量精度的不斷提高,剛開始的產品信號處理 不夠穩定,所能達到的精度與目標精度0.05%相差很 遠,達到0.05%的儀表精度的困難很大,最后通過調 整信號處理電路電容、電阻的參數,調整運放參數,并 增加相應濾波小電容,數字地與機殼地之間放置高壓 瓷片電容,軟件加以濾波等一系列方法,終于達到精

…4、k度實驗開始很容易就超過標準范圍,溫度穩定性比較差,有時甚至會階躍跳變,經過對傳感器接 收的信號在不同溫度下的波形觀測,找出相應的溫度 變化規律,發現在接收波形變化相對平滑的情況下, 溫度性能比較好,而接收時比較電壓如果設置不當, 接收波形稍有變化就會發生錯誤。

5、儀表絕緣性能不佳,在做性能實驗的時候,發現傳感器保護套管由于比較長,中間有彎曲使得保護套 管與儀表外殼短路,造成了 EMC靜放電、浪涌等實驗 的故障,后來通過套熱縮套管再加強隔離,但是由于距 離還是太近,無法通過浪涌實驗,又增加了空氣放電管 和TVS管保護。

6、儀表精度要求筒,滿量程1M的儀表,0.05%的 精度,即為1個基本精度是0.5mm,普通的米尺等計 量設備根本無法滿足精度測量要求,而普通加液位的 方式也無法達到如此精度的液位控制,于是通過使用 2M長的0.1mm精度游標卡尺標定,人工模擬液位變 化的方式完成精度測試。而一般儀表使用的2點、5點 標定也無法滿足儀表精度,于是采用了 11點標定。

7、儀表回差是0.02%的精度要求,由于磁致伸縮 傳感器在原理上存在剩磁效應,所以在上下行程的過 程中,同一個點的測量值存在很大的誤差,通過分析 后,采用上下行程不同的標定方法,又增加了標定的 點,最后使用22個標定點滿足回差要求。

最后該產品達到的主要技術指標如下:

1、測量范圍:300~3000mm;誤差:±0.05%FS

2、模擬輸出:4?20mADC(HART通信可選,現場 指示可選)

3、適用環境:運行溫度-25?70°C(帶液晶)

4、供電電源:24VDC

5、負載輸出:0?62011

6、工作壓力:彡1.6Mpa

7、介質密度:^0.8g/cm3

UMD系列磁致伸縮液位變送 器,結構合理,產品的穩定性較強, 調試簡單方便,多樣安裝形式,能適 合各種惡劣環境、復雜場所的使用。 主要用于測量液位、廣泛使用在煉 油、化工、冶金、發電、制藥等行業, 能耐高溫、高壓,耐腐蝕。適用于各 種易燃易爆場合。輸出HART協議 的4?20mADC標準信號遠距離傳 送與集散控制DCS系統聯網使用, 實現工藝流程的自動檢測和自動控 制。

其性能與國外生產的老產品相 比,具有技術先進、結構簡單合理、 性能可靠、安裝調試使用維護方便、 性能價格比高等諸多優點。新產品 的開發適應了市場的需要,毛利率 達到33%,經濟效益尚好。

由于物美價廉,有廣闊的市場前景。


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