磁致伸缩液位变送器（防爆）设计

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，产品自行丌发、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比较低。

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场，当这个磁场与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，在市场上几直接购买，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；

由于仪表的结构较小，所以拆分成了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T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(RangeLow)：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（RangeLow）并且输出为4毫安；再标定对应20毫安输出的液位值（RangeHi）：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，如波导丝材料的选取，如何安装固定，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础，通过参考国外产品的处理电路后，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，刚丌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，终于达到精度要求。

4、温度实验丌始很容易就超过标准范围，温度稳定性比较差，有时甚至会阶跃眺变，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、仪表精度要求高，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通信可选，现场指示可选）

3、适用环境：运行温度25-70℃（带液晶）

4、供电电源：24VDC.

5、负载输出：0～620W

6、工作压力：≤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。