磁致伸縮液位儀的工作原理、技術(shù)特點及其在油庫的應(yīng)用事項

摘 要 隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來利用磁致伸縮原理進行測量的液位儀在油庫得到了大量的應(yīng)用。本文主要介紹了磁致伸縮液位儀的工作原理、技術(shù)特點及其在油庫的應(yīng)用事項，以促進油庫技術(shù)改造，提高油庫系統(tǒng)講師的準(zhǔn)確度及自動化水平。

液位測量技術(shù)是最基本的油氣儲運技術(shù)，目前主要包括壓力式、差壓式、浮子鋼帶式、電容式、阻抗式、電位差式、機械式等多種方法。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來，利用磁致伸縮原理進行測量的液位儀在油庫得到了大量的應(yīng)用。磁致伸縮液位儀具有精度高、功能多、免維護、壽命長等特點，應(yīng)用前景看好。
磁致伸縮液位儀的工作原理
磁致伸縮液位儀的組成
磁致伸縮液位儀主要由電子頭、探測桿、浮子三部分、組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 磁致伸縮液位儀結(jié)構(gòu)示意圖
磁致伸縮液位儀的探測桿由3條同軸的圓管組成：外管由防腐蝕材料制成，以提供保護作用；中間的圓管裝配有一個或多個數(shù)字測溫傳感器；最中心的是波導(dǎo)管，其內(nèi)部是由磁致伸縮材料構(gòu)成的波導(dǎo)絲。在液位儀探測桿外配有內(nèi)含磁鐵隨液位變化的浮子。
磁致伸縮液位儀的工作過程
磁致伸縮液位儀的工作原理主要是利用效應(yīng)和超聲效應(yīng)的結(jié)合來達到測量目的。磁效應(yīng)即維德曼效應(yīng)（Wiedemann）和維拉里（Viuary）效應(yīng)。
液位義電子頭中的脈沖發(fā)生器首先在磁致伸縮波導(dǎo)絲上施加一個電脈部信號，此電脈部同時伴隨一個環(huán)型磁場，以光速沿磁致伸縮波導(dǎo)絲向下傳遞。當(dāng)該環(huán)開磁場遇到浮子中磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場時，將與之進行矢量疊加，形成一個螺旋形的磁場。根據(jù)維德曼效應(yīng)，當(dāng)磁致伸縮材料本身的物理尺寸也會路著發(fā)生變化。因此，當(dāng)合成磁場發(fā)生變化形成螺旋形磁場時，磁致伸縮波導(dǎo)絲會產(chǎn)生沿螺旋形磁場的伸縮變形，導(dǎo)致波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭曲變形，從而激發(fā)扭轉(zhuǎn)波（或返回脈沖）。該扭轉(zhuǎn)波沿波導(dǎo)絲以超聲波的形式回傳到傳感頭中的感應(yīng)線圈時，將轉(zhuǎn)換成橫向應(yīng)力。根據(jù)維拉里效應(yīng)，磁致伸縮材料發(fā)生物理變形時，會在磁致伸縮材料內(nèi)引起磁場強度的變化，因此，通過傳感器線圈的磁通將發(fā)生變化，在傳感器線圈兩端將產(chǎn)生一個可以被檢測到的感應(yīng)電動勢。超聲扭轉(zhuǎn)波的傳播速度為一常數(shù)（2838m/s左右）。因此，從發(fā)射電流脈沖的一刻到檢測到感應(yīng)電動勢的時間差乘以這個固定速度，便能精確地算出磁鐵（浮子）的位置。
磁致伸縮液位儀的技術(shù)特點
高精度
由于磁致伸縮液位儀是通過測量發(fā)射脈沖和返回脈沖的時間差來確定被測位移量，因此測量精度極高。其非線性小于0.05%FS，重復(fù)性小于0.001%FS,分辯率小于0.002%FS。如此高的測量精度在當(dāng)今液位測量中是獨一無二的，而其他類型的傳感器很難達到此精度。
多參數(shù)測量
磁致伸縮液位儀的另一大特點是集測量液面、界面、溫度等參數(shù)于一身。因為磁致伸縮液位儀中的電子部件可以探測到由同一發(fā)射脈沖產(chǎn)生的連續(xù)磁波，所以在同一探測桿上可配裝2個甚至多個磁浮子。只要保證浮子重量與介質(zhì)比重相對應(yīng)，則可同時測得液面和界面，真正實現(xiàn)多參數(shù)測量。
若將多個溫度傳感器埋入磁致伸縮液位儀的傳感桿內(nèi)，則在可測量液位的同時還能得到介質(zhì)的多點溫度及液面下的平均溫度。
安全性高
磁致伸縮液位儀的防爆等級一般有隔爆型和本安型2種，適合在各種易燃、易爆、高溫、高壓等危險場所使用。且用磁致伸縮液位儀測量時無需人工開啟罐蓋，避免了人工測量帶來的不安全隱患。
可靠性高，故障率低，壽命長
由于磁致伸縮液位儀的整個變送器密封在不銹鋼管內(nèi)，其傳感元件和被測介質(zhì)非接觸，所以雖然測量過程是不斷重復(fù)的，也不會對傳感器造成任何磨損。因此，它具有工作可靠性高、故障低、壽命長的優(yōu)點，適合各種惡劣環(huán)境。
安裝維護簡便
由于磁致伸縮液位儀采用法蘭連接方式，幫安裝極其簡便，而且無需安期維護或重新標(biāo)定，給使用者帶來極大的方便。
便于自動化管理
磁致伸縮液位儀一般輸出信號接口采用4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號或RS-485數(shù)字信號接口，可直接接入PLC、DCS系統(tǒng)或其他計算機管理系統(tǒng)，便于微機對信號進行處理。
磁致伸縮液位儀油庫應(yīng)用事項
計量系統(tǒng)的構(gòu)成
某油庫的計量系統(tǒng)包括磁致伸縮液位儀、西門子OS77操作站及PLC，其中PLC還用來對油庫的定量裝車進行控制。油庫共有12個油罐，高度均為9~15m，因此選用了美國MTS公司的LDF系列產(chǎn)品（柔性加長數(shù)字系列）。采用4總線結(jié)構(gòu)，布線簡單，其中2線為DC24V電源，另2線為RS-485總線（DDA協(xié)議）。考慮到系統(tǒng)電源的容量，每6個罐由1路電源供電。液位儀信號由RS-485總線經(jīng)PLC的485模塊進入PLC系統(tǒng)，PLC的處理數(shù)據(jù)通過Profibus總線送入西門子OS77操作站（CELSIUS400），由軟件做進一步處理。
計量系統(tǒng)的功能
1、實現(xiàn)油器計量全部自動化，即逐罐顯示、打印油品的油高、水高、溫度、體積、質(zhì)量等，實現(xiàn)24h全天侯液位監(jiān)控。
2、具有高、低液位的報警與連鎖功能，杜絕冒油、抽空等事故的發(fā)生。
3、實現(xiàn)油罐的檢測及報警，防止油品泄漏
4、完成業(yè)務(wù)管理功能
計量系統(tǒng)的其他形式
除了直接接入PLC系統(tǒng)外，磁致伸縮液位儀還可以接入DCS或其他計算機管理系統(tǒng)，但要注意其485數(shù)字信號采用的通訊協(xié)議有DDA協(xié)議、MODBUS協(xié)議等，因此要對相應(yīng)PLC、DCS系統(tǒng)的通訊參數(shù)進行正確設(shè)置，以保證通訊暢通。液位儀直接接入計算機時，一般需要RS485/232轉(zhuǎn)換卡將485信號變?yōu)?32信號，再連到計算機的232接口（如果計算機本身帶485接口則不必）。
防爆對于油罐計量需要首先考慮的問題。可通過選擇本安型液位儀、防爆接線箱、安全柵來實現(xiàn)系統(tǒng)的防爆。磁致伸縮液位儀具有本安認(rèn)證，是本安型儀表，可以完全滿足油罐的防爆要求。液位儀與系統(tǒng)總線連接時，應(yīng)選用防爆接線箱，以消除中間隱患。安全柵安裝在控制室內(nèi)，作為控制室儀表與現(xiàn)場儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備，既可傳輸信號，又可控制流入危險場所的能量在爆炸性氣體或混合物的點火能量以下，從而獎危險場所與非危險場所隔開，起到防爆作用。系統(tǒng)總線進入機柜后，通過安全柵再與PLC及電源相連。信號線及電源線分別選用不同型號的專用安全柵。安全柵在使用時要注意只有在系統(tǒng)調(diào)試完成之后才能投入使用，否則很容易由于短路等意外原因?qū)е聯(lián)p壞，尤其在附近進行電焊作業(yè)時，電焊機的接地與機柜接地相通，很容易使安全柵反向擊穿。
故障處理
磁致伸縮液位儀故障率低，基本是免維護的。如果個別時候發(fā)現(xiàn)其不能正常工作或液位長期不變等，則可能是電子頭的集成電路析和模塊損壞了，更換相應(yīng)部件即可。也有可能是冬天油品掛蠟，導(dǎo)致浮子不能隨油品正常移動，所以液位不變，這需要將固定法蘭或鎖緊的NPT裝置松開，搖動探測桿或取出進行簡單清理。
液位儀的安裝
順著油罐的法蘭孔將液位儀放入油罐，在固定重錘的作用下，探測桿自然拉直，到達罐底后，使液位儀電子頭及下面的硬桿及柔性探測桿保持一條直線，鎖緊NPT裝置即可。
布線及接地
電源和信號線纜的屏蔽只在安全柵端接地，接地電阻小于1Ωm。不要在液位儀端或整個網(wǎng)絡(luò) 的任何其他點接地；線纜布線盡量使網(wǎng)絡(luò)主干線短，盡量避開干擾源（如電機等）；網(wǎng)絡(luò)包括主干線、主干線到液位儀的抽關(guān)連接（防爆接線盒到液位儀的連接）；最大抽頭連線長度小于61m；線纜最好不要直接暴露于空氣中，由鋼管或防爆撓性軟管保護。
確定零點
在液位儀安裝調(diào)試后，要確定它的零點。一般而言，液位儀直接顯示的數(shù)值比人工測量值要高100~200mm。對于每個液位儀，這個數(shù)值是固定的，這就是淮位儀的零點。液位儀的測量值減去零點便是真實的油高。在進行正式標(biāo)定確定零點時，最好只使用一把新標(biāo)定的尺，由檢尺技術(shù)較高的計量員來操作。對不合理的檢尺結(jié)果，應(yīng)由多人用同一把尺測量多次。
內(nèi)浮頂罐安裝
在內(nèi)浮頂罐安裝上安裝磁致伸縮液位儀時，在內(nèi)浮盤上開孔，由膠板密封，上面有十字型開口，探測桿在開口的中央位置。開口位置上下要有心濺加長管：浮盤上部分高度100~150mm，作用是防止密封膠板下壓浮子；浮盤下部分高度與浮椽直徑相同，作用是防止浮子卡在浮盤上。
結(jié)束語
磁致伸縮液位儀可以代替人工上罐計量，滿足油庫實際計量要求。各油庫應(yīng)加大磁致伸縮液位儀的應(yīng)用力度，以提高油庫系統(tǒng)計量的準(zhǔn)確度及自動化水平。