高精度磁致伸缩液位计及其应用

许 刚，王景林，陈洪岩，赵广岩

（1 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2 辽宁省煤制天然气工程技术研究中心，辽宁阜新123000；3 辽宁省煤制天然气工程研究中心，辽宁阜新123000；4 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司企业博士后科研基地，辽宁阜新123000）

磁致伸缩现象，是指一种铁磁物质 （磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长 （或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象 （或效应）。

1 工作原理

图1展示了磁致伸缩产品的主要测量原理。在磁致杆的内部有一根被绷紧的磁致伸缩线 （图1中1），电子模块向磁致伸缩线上发射脉冲信号并且通过磁致伸缩线传送 （图1中2），在周围产生一旋转磁场 （图1中3）；磁致杆中 （或者附近）的浮子，内部有一永久磁铁 （图1中4）；当旋转磁场到达浮子时，与浮子的永久磁场相互作用。其结果导致磁致伸缩线将产生一个瞬时的扭力 （图1中5），同时产生返回脉冲，该脉冲沿磁致伸缩线向两端传送，一端传向传感管的顶端；另一端传向传感管的底部。脉冲传播的速度是一个恒定值，因此通过计算起始脉冲与返回脉冲之间的时间差就可以精确地计算出被测液体的液位或界位。磁致伸缩产品主要由波导丝、电子部件和浮子等部件组成。

图1 磁致伸缩产品的主要测量原理

2 高精度和高可靠性

在20世纪90年代，将这技术引入了液位和界位测量，也将液位测量水平大幅度提高，进口的磁致的测量精度可以达到±0.25 mm，长距离也是同样的指标，分辨率优于±0.1 mm。与其它同类的仪表精度说法不同，大多数仪表的精度是按照量程的百分数或者为读数的百分数，这里是绝对距离的误差，使用的线性化处理方式不同。图2为一支3000 mm长的磁致正行程 （从小到大，上曲线）标定曲线；下曲线为反行程，上下2根线为±0.25 mm的标定上下精度范围。一次标定可以标8支，每2 mm标定一个点，约1 min可以来回标定1次，整个过程为全自动的标定。

图2 磁致正反行程示意图

3 主要运用和安装方法

磁致伸缩变送器成为一种高精度 （可以作为贸易级）、高稳定性和低功耗的液位／介位测量现场二线制仪表，输出是4～20 m A或者4～20 m A＋HART输出，提供全方位的储罐液位和界位信息。磁致伸缩变送器可以使用在各种工况比较复杂的行业，如石油、化工、电力、造纸、船舶等行业；可以用于过程罐、储罐的液位测量；可以是单独顶部安装使用，也可以与磁翻板外绑、外浮筒顶部安装（单腔／双腔）使用，使用方法简单和灵活。因此，只要有液位罐，需要信号远传就有它的 “用武”之地。磁致伸缩变送器有3种安装方式，满足不同介质和罐体情况的需要。

（1）与磁翻版捆绑使用 ［图3（a）］ 借磁翻板中浮子传递液位／界位；由于磁翻版的浮子可以承受比较高的压力和温度、比较小的密度，因为磁翻板中的浮子中央没有孔，空腔的体积比较大，可以做到压力35 MPA、450℃、密度0.4 g／cm3。可以适应许多高温高压的场合，如汽包水位、高压水、腐蚀介质等都可以选择这种方案。

图3 磁致伸缩变送器安装方式

（2）外浮筒＋顶部安装 ［图3（b）］ 通常用于罐内有搅拌、结构比较复杂的过程罐，零点和满度固定，只要顶部卡套式接头的位置正确就能够保证全量程的正确。安装时，需要注意零点／满度标定时所作的标记 （用于固定卡套式接头上螺帽的位置）。

（3）罐顶安装 ［图3（c）］ 对于这种应用，安装和调试比较复杂。因为磁致伸缩杆不一定插到底，有一定的盲区 （Mo），探杆本身也有一定的盲区 （起码是半个浮子和底部定位环的高度）。同时罐体的满度 （20 m A）与罐顶的距离通常也不确定，安装支架的高度也不确定，所以通常需要在订购时，探杆长度需要留有足够的余度。选型时会根据图示要求确定探杆长度，采购和安装前，需要在图纸上注明各点的距离，用于4 m A和20 m A的离线标定，出厂时有标示卡套式接头的固定位置。

如果需要同时测量液位还界位，就需要2个浮子，分别浮在液位上和界位上，磁致将有2路独立的4～20 m A输出，或者通过HART远传给DCS。

就磁致伸缩而言，核心技术在波导丝、传导磁致伸缩现象的压电陶瓷结构和高质量的浮子。中国科学家已经研发出了波导丝，开始生产出一些低端的工业用波导丝，但目前高端波导丝还是受国外垄断和控制。

4 稳定性

由于浮子是穿在测量杆上，可以用于有搅拌的过程罐中，所以稳定性好，不像导波雷达的 （软缆＋重锤）需要有固定 （在有搅拌时），液位变化基本上是按照实际的液位变化，灵敏度高，实时性好（比干簧管要灵敏的多）；由于电子部分只是发送脉冲信号，不需要什么功率部件，功耗很小，很容易实现二线制，供电范围宽，最大功耗为1 W。德国原装的磁致伸缩的平均无故障率可以达到大于400年，达到SILII（国际安全等级2级），出产品故障的概率小于0.1%。

5 量 程

量程范围通常为200～6000 mm（硬杆），软缆一般可以到20 m左右。由于产品原理的要求，必须将波导丝绷直，少许一点不直，就不能正常工作，所以大多数的应用是选择硬杆方式。对于软缆，通常进口磁致与国产的磁致做法不太相同，一个是外导管，国产的大多为重锤方式。总的来说，磁致的软缆可靠性远不如硬杆的磁致，不太建议使用软缆。用导波雷达或者射空雷达来取代。

6 离线标定

由于磁致伸缩是可以离线标定4～20 m A，不需要与被测介质实标 （许多物理量型的液位产品需要实标），这里只要离线 （用浮子的上下移动）按动几次按键，将可以确定零点和满度，可以是顶底4～20 m A，或者底顶4～20 m A；同时可以设定出错模式，可以是3.5 m A或者21.5 m A。整个设置工作只需要1 min内完成。

7 与其它不同原理产品相比较

液位测量是古老的话题，有许多测量方法和产品。

（1）磁致伸缩 属于浮子类的产品，需要一个浮子浮在液面上，中央有一个12 mm的钢管，有随液位变化而移动的浮子。有移动部件，如果介质会挂料或者介质黏度比较大，就有可能会卡；同时有浮子，存在密度问题，因此密度必须合适才可以保证相关的精度。界位测量和测量精度都是依靠浮子的设计精度。

（2）干簧管 情形基本相同，只是干簧管测量精度比较低（10 mm／5 mm），可靠性要低得多（电阻回路全部为串联电路），但是价格要便宜的多。

（3）导波雷达产品 没有移动部件，但是有一根导波缆或者杆；对于挂料和高黏度有类似的问题，当然要比磁致好的多。导波雷达的测量原理是需要知道介电常数的大小，与密度无关，所以受温度压力影响不大。

（4）射频导纳 不受温度压力影响，只是与罐壁与探杆之间的电容、电阻、电感有关，与介质的相对介电常数有关，但是需要实标零点和满度。

8 常见故障

（1）浮子过压进水，浮子的承压裕度不够 在试压过程和系统调试中，压力超过或者接近浮子设计压力，所以数据表一定要描述清楚工作压力和设计压力。由于磁致的浮子结构比较复杂，不太容易同时满足高压高温和低密度，浮子最高压力一般比设计压力高出1.2倍左右就很不错了。所以在高压打压时，不能过压太大和时间过长，或者将浮子取出来。

（2）磁钢高温消磁 一般磁致的浮子磁钢为铝镍硼或者铝镍钴，最高温度可以达450℃，长期工作温度可以维持在350℃左右，所以波导丝和浮子温度范围是一个产品的重要指标，波导丝的温度通常有－40～125℃、－65～250℃和－40～450℃之分，不同的温度 （标准，高温，超高温），产品价格不同，所以需要根据介质工作温度选择合适的产品温度范围和温度等级，不然会导致超过该产品的额定温度 （居里温度点），波导丝将不再出现磁致伸缩现象，产品无法正常工作，但是温度降低之后，产品仍然可以正常工作。但是浮子长期在高温之下，浮子中的磁铁将永久消磁，必须更换。

（3）产品腔体内部进水造成波导丝生锈断 由于电气接口的标准原因，原厂家一般配有带防水的M16×1.5类型接口，里面有一个防水密封垫；但是用户侧通常希望为1／2″NPT，而NPT接口中央是空心的，没有可以收紧的橡胶密封圈，安装接线时也没有将导线安装标准进行，或者就没有拧／拧紧固定螺帽，导致在下雨时，有水进入腔体内部。由于工业用是波导丝都是铁镍丝，主要成分为铁丝，受水泡了之后，自然就断了，无法正常工作。

（4）低温冷凝水 如果介质温度与环境温度差超过－30℃之后，如果接线端子没有密封好，没有有效隔绝空气的话，就会有潮湿气体进入波导丝腔，在波导丝上形成冷凝水，无法出现磁致伸缩现象。解决方法就是将内外结合部用硅胶等密封材料将进线口严格密封就可以了。这类问题是常发生在低温介质中。

（5）输出突跳 这类问题有所会出现在与磁翻板外棒的产品组合，由于磁翻板中的浮子磁钢结构差异，要求外绑的磁致的位置有一定要求，与磁翻板翻片有一个夹角要求，如30°或者45°。如果安装位置不正确，或者某种原因，让磁翻板的浮子发生了旋转，就会让浮子中的磁钢失去对磁致的控制，出现磁致的输出跳到出错模式。输出将出现突跳，直到浮子有转回来。所以对于磁翻板外绑磁致方式需要定期检查安装位置。

9 结 语

过程自动化环节是一个复杂的闭环控制，要想提高企业自动化水平和管理水平，就一定要解决好传感器的选择，市场中众多的不同产品，不一定最贵的产品为最合适的。在企业自动化产品选择中，首先要根据工艺参数和要求，确定传感器的工作原理，确定使用什么类型的传感器，然后再看具体参数，比较不同厂家的相同点和差异性，比较各自的特点，要将可靠性和产品稳定性放在第一位，千万不要将价格放在第一位，因为自动化仪表在现场需要一天运行24 h，一周7天，一年365天，分分秒秒需要它坚守岗位和职责，停机维修将会带来更大的损失。

磁致伸缩液位计是一个高精度和高可靠性的产品，安装简单，调试简单，与其它原理的产品相比，服务少，故障少，只是安装方式需要根据工艺条件来选择，根据温度压力和密度选择合适的产品和指标。