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)研制而成的液位測量儀表。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) , 利用了時間量容易被高精度測量的特點 ,通過將液位信息轉(zhuǎn)變成時間量 ,以及對時間量的測量 ,來實現(xiàn)對液位、界位的高精度測量。目前 ,國內(nèi)外有關(guān)磁致伸縮技術(shù)應(yīng)用于傳感測量的研究很多。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、波導管、磁致伸縮波導絲以及內(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 。
移動的磁浮子在波導管中產(chǎn)生軸向磁場 ,脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖 ,沿著銅絲傳播 ,當遇到磁浮子的軸向磁場時形成螺旋型磁場 ,導致波導絲產(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管兩端傳播 ,超聲波被固定在波導管上的回波接收裝置接收轉(zhuǎn)化為電脈沖 ,該脈沖經(jīng)放大送到主要由計數(shù)器組成的電路中。因為超聲波在波導管中是以恒速傳播的 ,所以只要測出脈沖發(fā)射與脈沖接收之間的時間間隔 , 乘以波速(約為 3 km/ s) ,即可得到磁鐵的位置 ,實現(xiàn)位置測量。這個過程是連續(xù)不斷的 ,所以 ,每當磁鐵移動時 ,新的位置就會被測出來。由于測量單元可探測到由同一詢問脈沖產(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活動磁浮子 ,同時進行液位、界位多參數(shù)測量。
2.磁致伸縮液位傳感器的硬件測量電路設(shè)計
2.1.1 激勵脈沖發(fā)生器
磁致伸縮液位傳感器的測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、場效應(yīng)管驅(qū)動電路及充放電電路;接收電路包括輸入保護電路、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 ,進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磁致伸縮式傳感器輸出的微弱感應(yīng)電動勢進行調(diào)理輸出 ,并抑制激發(fā)時施加于傳感器的高壓激發(fā)脈沖 ,保護放大電路。
在磁致伸縮傳感器中 ,需要對波導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現(xiàn) , 電路由N溝道絕緣柵場效應(yīng)管、旁路電阻、能量儲存電容和二極管組成。如圖 3 所示 ,在場效應(yīng)管 Q 的柵極輸入控制脈沖 ,當 Q 的柵極為低電位時 ,柵 - 源極電壓差為零 ,Q 關(guān)斷 ,能量儲存電容 C 通過旁路電阻 R9 和二極管D1 充電 ,充電時間由時間常數(shù)決定 ,時間常數(shù)還決定了脈源電壓為正電壓。若 Q 導通 , C 存儲的能量通過Q 、及 D2 向波導絲放電 ,在波導絲中激發(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。
綜合考慮到電路實現(xiàn)過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)鍵器件場效應(yīng)管選為 IRF840 型 ,可以承受 8A電流。
驅(qū)動功率絕緣柵場效應(yīng)管相當于驅(qū)動帶容性負載的網(wǎng)絡(luò) ,在高頻工作時 ,絕緣場效應(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)動絕緣柵場效應(yīng)管的門脈沖時 , 會產(chǎn)生達幾 A 的門電流 ,這超出了 TTL 芯片的驅(qū)動能力。為提高脈沖幅值 ,需增強絕緣柵場效應(yīng)管的開關(guān)特性 ,可以采用雙極性三極管對管驅(qū)動電路。
驅(qū)動電路由起緩沖作用的電壓跟隨器 UC3140 、電阻及一對小功率開關(guān)三極管組成。當控制信號為低電平時 ,UC3140 輸出低電平 ,切效應(yīng)管Q 截止;當控制信號為高電平時 ,應(yīng)管Q 導通。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。這樣通過三極管對管和場效應(yīng)對管驅(qū)動 ,可以提高帶容性負載的能力 ,具有較大的峰值電流 ,且可以提高開關(guān)速度。
2.1.2 傳感器輸出信號接收/ 處理電路
由于傳感器輸出端信號的幅度只有 15 mV 左右 ,不便測量 ,需要增設(shè)放大電路 ,以便更準確地測得回波信號。采用 LM318 精密高速運算放大器可以滿足要求 ,LM318 具有 15 MHz 小信號帶寬 ,保證50 V/μs的轉(zhuǎn)換速度 ,在將信號放大 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)計高通和低通濾波器 ,使得頻率為 10～500 kHz 的信號可以通過 ,經(jīng)過試驗測得電路濾波范圍可以達到 918～468 kHz.
3磁致伸縮液位傳感器的軟件測量電路設(shè)計
傳感器通過測量脈沖發(fā)射和回波接收之間的時間間隔來確定液位 ,所以時間量的測量決定液位測量的精度。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、運算處理能力強 ,具有較大的 RAM、ROM. 同時由于傳感器的主要工作是高精度時間量計算 ,所以要求 MCU 必須具有良好的信號捕捉功能。TMS320LF2407 具有高達 40MIPS 的執(zhí)行速度 ,指令周期為 25 ns ,4 級流水線作業(yè) ,16 位可編程的計數(shù)器/ 定時器陣列帶 6 個捕獲/ 比較模塊 ,可以滿足高精度測量的需求 ,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 進行時間測量原理。首先利用電壓比較器LM393 將信號處理電路輸出的信號與設(shè)定的電壓進行比較 ,進而將輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)?TTL 電平的脈沖信號。由于 TMS320LF2407 的 I/ O 電平是 313 V 邏輯電平 ,所以需要在設(shè)計接口電路時增加電平轉(zhuǎn)換器件 74LVC4245 。TMS320LF2407 共有 6 個捕獲單元 ,每個捕獲單元都有 1 個施密特觸發(fā)器的捕獲輸入引腳。利用捕獲單元 4 (CAP4) 捕獲發(fā)射和回波信號脈沖的上升沿 ,事件管理器 B ( EVB) 的通用定時器 3 對脈沖進行計數(shù) ,用中斷的方式讀取計數(shù)值并將定時器的計數(shù)值裝入 FIFO 堆棧。此時計數(shù)器的計數(shù)值與液位儀中磁鐵和傳感器頭之間的距離成正比。這種原理的檢測精度取決于高頻時鐘 ,頻率越高 ,計算精度越高。如果選用比較高的計數(shù)頻率或者發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間間隔較長時 ,就可能會超過DSP 的捕獲時間 ,這時需要利用定時器溢出的方法再加上軟件計數(shù)來擴大計時范圍。
4.結(jié)束語
磁致伸縮液位傳感器測量范圍寬(可達18 m) ,測量精度高(一般為 0102 %～0105 %或 011～015 mm) ,重復性好(一般為 01002 %) ,且溫度系數(shù)較低(一般為 01005～0101 ℃) ,同時可以對油位/ 油水界面及多點溫度等多個參量進行測量。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定特性 ,再加上其安裝調(diào)試方便 ,輸出信號多樣(有模擬量、脈沖信號、數(shù)字信號) ,因此 ,磁致伸縮液位將會成為液位測量的主流產(chǎn)品。
