野外储罐自动计量系统

刘 娜，张 斌，张志超

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

引言

近年来，利用磁致伸缩原理进行测量的液位仪在自动计量系统中得到了一定应用，提高了野外储罐液位测量的准确度及自动化水平。磁致伸缩液位仪传感器的工作原理主要是利用磁效应和超声效应的结合来达到测量目的，即维德曼效应和维拉里效应。磁致伸缩液位仪传感器的主要优点有：精度高、可靠性高、安全性高、安装维护方便、便于自动化管理等。

1 系统具体研究

根据野外储罐测量方面的特点、对环境的要求发现，磁致伸缩液位仪是最理想的野外储罐液位测量装置，选用磁致伸缩液位传感器作为液位和温度信息采集的传感器，所做的具体研究内容如下。

1.1 磁致伸缩丝（波导丝）

磁致伸缩位移传感器相比而言具有更大的动态范围、更高的灵敏度，应用广泛。磁致伸缩波导丝的材料大多为金属合金，因其具有可拉成细丝、可轧成薄带等特点，从而保证了波导丝的机械强度和弹性模量。此外，开发磁致伸缩液位仪的关键因素是保证大而稳定的伸缩系数。磁致伸缩丝的参数直接影响测量的精度，主要有如下情况。

1）导波速度。采用单片机来计算波导丝从施加电流脉冲到返回扭转波的时间确定浮球的位置，导波速度越小分辨率越高。

2）磁致伸缩率。伸缩率越高，得到的扭转波越高，要求在较小的磁场下获得较大的磁致伸缩系数，有足够强的矫顽力、饱和磁致伸缩系数较高、饱和磁化强度够大。尽量减小涡流和磁滞损失，有较高的机电耦合系数。

3）波导丝直径。磁致伸缩波导丝要求为1.0 mm或者更细的丝材，具有良好的机械性能，易于加工。

4）波导丝电阻率和耐腐蚀性要好，导电能力强。

5）热膨胀系数小。能在高温区测量大量程的位移变化，具有高的居里点和机械品质因数。

6）弹性模量不因温度、磁场的变化而变化。

1.2 脉冲扭转波传播速度的计算

从磁致伸缩波导丝的材料、本身参数以及加工工艺来看，脉冲在波导丝上传播的速度不是固定的。可以采用一种比较法来间接计算脉冲在波导丝上的传播速度。准备一支高精度光栅尺（光栅尺的精度可以达到0.05 μm），磁致伸缩液位仪探针，通过支架将磁致伸缩液位仪探针和光栅尺平行固定好。缓缓从下到上浮动磁致伸缩液位仪探针的浮球，在不同的位置读出磁致伸缩液位仪记录的脉冲数和光栅尺高度。根据实测发现两个变量的关系无法用解析式表示，只能得到一些离散的数据点。如何利用这些离散数据点来估算两个变量的关系，得到未知数据点的具体值，需要用拟合直线方法来实现。

该方法可采用MATLAB软件中曲线拟合工具箱的Plot函数来实现，也可以采用软件编程的方法来实现。通过程序计算出斜率，由于磁致伸缩液位仪探针计量的脉冲数是顶部电子仓发出和返回的脉冲数，将脉冲数换算成高度数，通俗地讲是计量的顶部高度，而光栅尺计量的是底部的高度，用-1来除以斜率，得到1个脉冲代表的高度，即脉冲在磁致伸缩丝上的传播速度。对磁致伸缩液位仪探针来说，实测点越多越密集，计算出的波导丝传播速度越精准，但同时会降低实际的生产效率，因此一般采集点的高度差设定为10 cm左右。

1.3 波导丝扭转信号拾取与处理和波导丝电流脉冲发送电路

采用电感线圈拾取波导丝扭转波信号，采用高速仪表放大器进行信号放大。放大后的信号接到单片机的输入捕获端，单片机不需要实时关照，捕获定时器自动就能记录事件时间。在这一单元，减少电信号干扰是至关重要的，另外，脉冲宽度、脉冲电流大小、脉冲电路的EMC设计也是关键。磁致伸缩液位仪传感器的原理框图如图1。

图1 传感器电路原理框图

在磁致伸缩液位仪传感器中，激励脉冲发送方法是需要通过电路对磁致伸缩丝施加瞬时高压脉冲，利用电容放电的方法实现，电路由场效应管、辅助电路、储电电容和其他二极管组成。相关的硬件设计电路图如图2。

1.4 温度检测

磁致伸缩液位仪包含温度测量功能，温度传感器采用的是DS18B20，DS18B20的A/D转换时间大约750 ms。主要有功耗低、反应迅速、体积小巧、测量精度高、测量范围广等优点。可以应用于多种环境中进行温度检测，DS18B20传感器在外观上与三极管类似,这也让其在硬件设计上非常简单，接线仅需要通过外置两个引脚接入电源，中间的通信引脚与单片机相连即可，DS18B20是典型的单线通信元件。只需要注意读取数据时的时序控制，即可读取环境中的温度数据。

图2 激励脉冲发送电路图

2 结语

该系统可以及时掌握野外储罐的液位、温度状态参数，计量准确，大大提高了储罐进油、储油和管理的工作效率，增强油料装备保障能力及保障效率、安全监测防卫效益、业务管理水平，为更高一级、更大范围的信息化建设提供基础信息源。