磁致伸缩液位仪的工作原理、技术特点及其在油库的应用事项

摘 要 随着测量技术的不断发展，近年来利用磁致伸缩原理进行测量的液位仪在油库得到了大量的应用。本文主要介绍了磁致伸缩液位仪的工作原理、技术特点及其在油库的应用事项，以促进油库技术改造，提高油库系统讲师的准确度及自动化水平。

液位测量技术是最基本的油气储运技术，目前主要包括压力式、差压式、浮子钢带式、电容式、阻抗式、电位差式、机械式等多种方法。随着测量技术的不断发展，近年来，利用磁致伸缩原理进行测量的液位仪在油库得到了大量的应用。磁致伸缩液位仪具有精度高、功能多、免维护、寿命长等特点，应用前景看好。
磁致伸缩液位仪的工作原理
磁致伸缩液位仪的组成
磁致伸缩液位仪主要由电子头、探测杆、浮子三部分、组成，其结构见图1。

图1 磁致伸缩液位仪结构示意图
磁致伸缩液位仪的探测杆由3条同轴的圆管组成：外管由防腐蚀材料制成，以提供保护作用；中间的圆管装配有一个或多个数字测温传感器；最中心的是波导管，其内部是由磁致伸缩材料构成的波导丝。在液位仪探测杆外配有内含磁铁随液位变化的浮子。
磁致伸缩液位仪的工作过程
磁致伸缩液位仪的工作原理主要是利用效应和超声效应的结合来达到测量目的。磁效应即维德曼效应（Wiedemann）和维拉里（Viuary）效应。
液位义电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉部信号，此电脉部同时伴随一个环型磁场，以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环开磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。根据维德曼效应，当磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会路着发生变化。因此，当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩波导丝会产生沿螺旋形磁场的伸缩变形，导致波导丝产生扭曲变形，从而激发扭转波（或返回脉冲）。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到传感头中的感应线圈时，将转换成横向应力。根据维拉里效应，磁致伸缩材料发生物理变形时，会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化，因此，通过传感器线圈的磁通将发生变化，在传感器线圈两端将产生一个可以被检测到的感应电动势。超声扭转波的传播速度为一常数（2838m/s左右）。因此，从发射电流脉冲的一刻到检测到感应电动势的时间差乘以这个固定速度，便能精确地算出磁铁（浮子）的位置。
磁致伸缩液位仪的技术特点
高精度
由于磁致伸缩液位仪是通过测量发射脉冲和返回脉冲的时间差来确定被测位移量，因此测量精度极高。其非线性小于0.05%FS，重复性小于0.001%FS,分辩率小于0.002%FS。如此高的测量精度在当今液位测量中是独一无二的，而其他类型的传感器很难达到此精度。
多参数测量
磁致伸缩液位仪的另一大特点是集测量液面、界面、温度等参数于一身。因为磁致伸缩液位仪中的电子部件可以探测到由同一发射脉冲产生的连续磁波，所以在同一探测杆上可配装2个甚至多个磁浮子。只要保证浮子重量与介质比重相对应，则可同时测得液面和界面，真正实现多参数测量。
若将多个温度传感器埋入磁致伸缩液位仪的传感杆内，则在可测量液位的同时还能得到介质的多点温度及液面下的平均温度。
安全性高
磁致伸缩液位仪的防爆等级一般有隔爆型和本安型2种，适合在各种易燃、易爆、高温、高压等危险场所使用。且用磁致伸缩液位仪测量时无需人工开启罐盖，避免了人工测量带来的不安全隐患。
可靠性高，故障率低，寿命长
由于磁致伸缩液位仪的整个变送器密封在不锈钢管内，其传感元件和被测介质非接触，所以虽然测量过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。因此，它具有工作可靠性高、故障低、寿命长的优点，适合各种恶劣环境。
安装维护简便
由于磁致伸缩液位仪采用法兰连接方式，帮安装极其简便，而且无需安期维护或重新标定，给使用者带来极大的方便。
便于自动化管理
磁致伸缩液位仪一般输出信号接口采用4~20mA的标准电流信号或RS-485数字信号接口，可直接接入PLC、DCS系统或其他计算机管理系统，便于微机对信号进行处理。
磁致伸缩液位仪油库应用事项
计量系统的构成
某油库的计量系统包括磁致伸缩液位仪、西门子OS77操作站及PLC，其中PLC还用来对油库的定量装车进行控制。油库共有12个油罐，高度均为9~15m，因此选用了美国MTS公司的LDF系列产品（柔性加长数字系列）。采用4总线结构，布线简单，其中2线为DC24V电源，另2线为RS-485总线（DDA协议）。考虑到系统电源的容量，每6个罐由1路电源供电。液位仪信号由RS-485总线经PLC的485模块进入PLC系统，PLC的处理数据通过Profibus总线送入西门子OS77操作站（CELSIUS400），由软件做进一步处理。
计量系统的功能
1、实现油器计量全部自动化，即逐罐显示、打印油品的油高、水高、温度、体积、质量等，实现24h全天侯液位监控。
2、具有高、低液位的报警与连锁功能，杜绝冒油、抽空等事故的发生。
3、实现油罐的检测及报警，防止油品泄漏
4、完成业务管理功能
计量系统的其他形式
除了直接接入PLC系统外，磁致伸缩液位仪还可以接入DCS或其他计算机管理系统，但要注意其485数字信号采用的通讯协议有DDA协议、MODBUS协议等，因此要对相应PLC、DCS系统的通讯参数进行正确设置，以保证通讯畅通。液位仪直接接入计算机时，一般需要RS485/232转换卡将485信号变为232信号，再连到计算机的232接口（如果计算机本身带485接口则不必）。
防爆对于油罐计量需要首先考虑的问题。可通过选择本安型液位仪、防爆接线箱、安全栅来实现系统的防爆。磁致伸缩液位仪具有本安认证，是本安型仪表，可以完全满足油罐的防爆要求。液位仪与系统总线连接时，应选用防爆接线箱，以消除中间隐患。安全栅安装在控制室内，作为控制室仪表与现场仪表的关联设备，既可传输信号，又可控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，从而奖危险场所与非危险场所隔开，起到防爆作用。系统总线进入机柜后，通过安全栅再与PLC及电源相连。信号线及电源线分别选用不同型号的专用安全栅。安全栅在使用时要注意只有在系统调试完成之后才能投入使用，否则很容易由于短路等意外原因导致损坏，尤其在附近进行电焊作业时，电焊机的接地与机柜接地相通，很容易使安全栅反向击穿。
故障处理
磁致伸缩液位仪故障率低，基本是免维护的。如果个别时候发现其不能正常工作或液位长期不变等，则可能是电子头的集成电路析和模块损坏了，更换相应部件即可。也有可能是冬天油品挂蜡，导致浮子不能随油品正常移动，所以液位不变，这需要将固定法兰或锁紧的NPT装置松开，摇动探测杆或取出进行简单清理。
液位仪的安装
顺着油罐的法兰孔将液位仪放入油罐，在固定重锤的作用下，探测杆自然拉直，到达罐底后，使液位仪电子头及下面的硬杆及柔性探测杆保持一条直线，锁紧NPT装置即可。
布线及接地
电源和信号线缆的屏蔽只在安全栅端接地，接地电阻小于1Ωm。不要在液位仪端或整个网络 的任何其他点接地；线缆布线尽量使网络主干线短，尽量避开干扰源（如电机等）；网络包括主干线、主干线到液位仪的抽关连接（防爆接线盒到液位仪的连接）；最大抽头连线长度小于61m；线缆最好不要直接暴露于空气中，由钢管或防爆挠性软管保护。
确定零点
在液位仪安装调试后，要确定它的零点。一般而言，液位仪直接显示的数值比人工测量值要高100~200mm。对于每个液位仪，这个数值是固定的，这就是淮位仪的零点。液位仪的测量值减去零点便是真实的油高。在进行正式标定确定零点时，最好只使用一把新标定的尺，由检尺技术较高的计量员来操作。对不合理的检尺结果，应由多人用同一把尺测量多次。
内浮顶罐安装
在内浮顶罐安装上安装磁致伸缩液位仪时，在内浮盘上开孔，由胶板密封，上面有十字型开口，探测杆在开口的中央位置。开口位置上下要有心溅加长管：浮盘上部分高度100~150mm，作用是防止密封胶板下压浮子；浮盘下部分高度与浮椽直径相同，作用是防止浮子卡在浮盘上。
结束语
磁致伸缩液位仪可以代替人工上罐计量，满足油库实际计量要求。各油库应加大磁致伸缩液位仪的应用力度，以提高油库系统计量的准确度及自动化水平。