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磁致伸缩液位仪在标准装置自动测量中的应用

  我国燃油加油机按JJG443-2006《燃油加油机》检定规程规定,主要采用容量比较法进行。即通常将加油机确定的量注入标准量器内,由标准量器内的容量示值与加油机的示值进行比较来获得加油机的误差值。为保证标准金属量器容积测量值的准确,在量器上部设计有一个细长的计量颈部,和液位显示玻管,同时在玻管处安装一个与计量颈平行的游标卡尺,来读取准确的液位值。很显然,容积值测量的分辨率由计量颈的截面积决定,而高分辨率的游标卡尺更提升了液位读数的准确性。运用这种技术手段来测得加油机的容积值,其可靠性是非常强的。但也存在两点不足:一是每次检测均需手动推移游标卡尺来对准示液管介质液位。二是读取的游标卡尺长度值还得乘上计量颈的毫米单位分度容积值,再由标准量器名义值减去差值后才能得出被检对象的容积值。广大检定员都深感这个过程费时、费力,同时还有可能引入读数误差和计算方面的误差。随着加油站的迅速增加,加油机检定工作量越来越大,传统的检测方式已远远不能满足日常检定工作的需要。因此在保留传统长处的基础上利用新型传感器技术实现燃油加油机的自动检测已是十分必要。

  为此,在获得国家局课题立项的基础上,我们开展了对燃油加油机快速自动检测装置的研究。在标准金属量器上实现自动测量,关键是计量颈液位值的稳定可靠和准确测量,而对标准装置,这点尤为重要。国内比较成熟的液位测量技术主要有以下几种:

  (1)压力测液位式。这种传感器结构简单,形式多样,但有一定的零漂,尤其在满足大量程又高分辨率和长期稳定性方面有一定的限制。

  (2)几何测距式。例如有研究机构在标准装置上选用电子游标卡尺测量液位,这种方式测量准确度可达到较高的程度,但需人工干预且有可能产生读数误差。

  (3)微波测距式。这种类型发展很快,如有雷达、超声、激光等,但在结构形状、测量准确度和成本价格上有一定的不足。

  (4)磁力感应式。这种形式有很多类型,今年来比较成熟的在测量准确度、分辨率技术指标方面较优的主要有磁致伸缩液位仪,尤其是它的安装形式可以非常小巧和数值相当稳定。

  从以上几大类技术的初步分析可以得出,各有一定的特点或优势,但在综合考虑确保标准测量装置准确可靠和特殊结构的前提下,满足自动快速获得液位值方面磁致伸缩液位仪有着综合和突出的优势。

  所谓磁致伸缩效应,是指铁磁体在被外磁场磁化时,其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的,但其长度的变化比体积变化大得多,是人们研究应用的主要对象,又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10~5~10-⁶。

  磁致伸缩技术原理是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号,然后计算这个信号被探测所需的时间周期,从而换算出准确的位置。这两个磁场一个来自在传感器外面的活动磁铁,另一个则源自传感器内波导管(Waveguide)的电流脉冲,而这个电流脉冲其实是由传感器头的固有电子部件所产生的。当两个磁场相交时,所产生的一个应变脉冲(StrainPulse)会以声音的固定速度运行回电子部件的感测线圈。从产生电流脉冲的一刻到测回应变脉冲所需要的时间周期乘以这个固定速度,我们便能准确的计算出位置磁铁的变动。这个过程是连续不断的,所以每当活动磁铁被带动时,新的位置很快就会被感测出来。由于输出信号是一个真正的绝对位置输出,而不是比例的或需要再放大处理的信号,所以不存在信号飘移或变值的情况,因此不必像其它位移传感器一样需要定期重标和维护。

  磁致伸缩式液位计是基于磁致伸缩原理而设计的。其工作原理是:在一非磁性传感管内装有一根每秒发出10个脉冲信号的磁致伸缩线,由磁性浮子产生的磁场和电流脉冲间的相互作用,在磁致伸缩线上产生一个扭应力波,这个扭应力波以已知的速度从磁性浮子的位置沿磁致伸缩线向两端传送。具有独特的压磁感应元件组装在发送器里,它将收到的机械扭应为转变成返回电脉冲。含有微处理器的电子装置可测量出起始脉冲和返回脉冲间的时间间隔,并将其转换成与被测液位成比例的(4~20)mA信号进行输出。

  因此磁致伸缩液位仪以下几点非常好的特点:

  (1)可靠性强:由于磁致伸缩液位计采用波导原理,无机械可动部分,故无摩擦,无磨损。整个变换器封闭在不锈钢管内,和测量介质非接触,传感器工作可靠,寿命长。

  (2)准确度高:由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工作,工作中通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量,因此测量准确度高,分辨率优于0.01%FS,这是用其它传感器难以达到的程度。

  (3)安全性好:磁致伸缩液位计的防爆性能高,本安防爆,使用安全,特别适合对易燃液体的测量。

  这几点正好符合燃油加油机检定标准量器液位测量的要求。

  标准金属量器计量颈液位测量最重要的计量技术指标包括分辨率、线性度、和准确度。后两项在前面的分析中可以看出,优质的磁致伸缩液位仪完全可以得到保障,而分辨率就必须和计量颈综合设计。

  JJG259-2005《标准金属量器》国家计量检定规程规定,燃油加油机检定适用的三等标准量器的计量颈分辨容积为0.02%,而安装磁致伸缩液位仪会占用计量颈的截面积,在保证计量颈足够分辨率条件约束下,计量颈截面积分配要考虑三方面的需要:原计量颈导液管介质进出通道;液位仪浮球通道;示液管通道。示液管在采用尽可能细的玻管后,所占的截面积影响量较小,主要考虑的截面积分配是计量颈和液位仪,液位仪通道在工艺许可的前提下,尽可能作了缩小,也就是对浮球做了精小型的设计;同时对原计量颈的几何尺寸在满足对应流量足够排液空间的前提下,大幅减小计量颈直径。实际设计我们采用1:4:5的直径比率,这样的设计综合考虑了液位观察、液位测量和介质流动通畅的应用要求。实际装置表明,设计效果非常理想。

  总容积的获得,我们在软件设计上采用斜率加截距的数学模型解决,即磁致伸缩液位仪在计量颈测得的电流信号值乘以容积转换系数再加上计量颈容积起始点固定容积值的方法轻松地解决。

  实验中选用的磁致伸缩液位仪测量准确度为±0.1%,在计量颈测量范围为300mm时,测量长度误差为±0.3mm,当计量颈读数分辨率为1mm,在规程规定计量颈分辨率每毫米总容积的0.02%时,液位仪测量误差导致的总容积误差约为0.007%,这在加油机的计量检测最大允许误差0.3%的检定中准确度是完全得到保障的。

  在上述选择和考虑设计的基础上,我们制作了50L、20L两只标准量器,并分别安装了高准确度的磁致伸缩液位仪,当然还要加上液位温度补偿,并设计相应的软件系统实现自动检测目的。在各方面大胆约束的情况下,实际设计的计量颈分辨率为50L达3.0ml/mm,20L达1.5ml/mm,即计量颈相对分辨率达0.006%和0.0075%,不仅完全满足JJG257-2003标准金属量器和JJG443-2006燃油加油机规程的要求,而且有大幅提高,这在保证加油机计量检定的准确可靠是非常重要的。

  这一设计不仅计量准确、可靠,在满足检定规程的前提下,还成功地缩小了标准量器的体积,且免去了手工测量、容量换算等的大量繁琐劳动,大大减轻了现场的劳动强度,大幅提高了检测效率,实验证明是磁致伸缩液位仪非常适合燃油加油机量大面广计量检定工作自动化改造需要的。