CN111220241A - 一种自校正磁致伸缩液位计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自校正磁致伸缩液位计，包括信号处理单元(1)、保护套管(2)、波导丝(3)和双磁块浮子单元(4)，其中：上下分布的波导丝，位于保护套管内腔中间位置；波导丝的顶部，与信号处理单元相连接；双磁块浮子单元位于保护套管的外侧；双磁块浮子单元包括中空密封的浮子壳体(40)；浮子壳体的内侧上下两端，分别固定设置有上端磁块(41)和下端磁块(42)；上端磁块和下端磁块为永磁体；上端磁块和下端磁块之间的间隔距离为固定距离。本发明公开的自校正磁致伸缩液位计，通过不断自校正修正系数的方式，实现实时自动校正液位计的精确度，保证液位计在使用过程中的精确度，解决现有液位计测量不准确的问题。

Description

一种自校正磁致伸缩液位计
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种自校正磁致伸缩液位计。
背景技术
磁致伸缩液位传感器，是采用磁致伸缩原理制造的高精度、超长行程绝对位置测量传感器。该产品由脉冲电路、回波信号处理、波导线、保护套管和磁浮子组成。其测量原理是脉冲发生器产生波导脉冲，经电子部分处理后变换成沿波导线传播的电流脉冲，其产生的磁场和磁环形成的磁场相叠加，产生瞬时扭力，使波导线扭动并产生张力脉冲，这个脉冲以声速沿波导线回传，并在在线圈两端产生感应脉冲信号，通过测量波导脉冲和感应脉冲之间的时差就可以精确地测量液位或位移。
但是，在实际应用中，为保证张力脉冲沿波导丝顺畅传播，防止信号衰减，需要让波导丝处于自然下垂状态，不能拉紧，仅靠保护套管对波导丝进行简单固定。这种方法并不能保证波导丝的处于直线状态，而在液位计算过程中，其测量公式为L＝v*t(v是张力脉冲沿波导丝传播的速度，t为波导脉冲与感应脉冲之间的时差，L为测量距离)，由公式可以看出，实际测量到的液位是扭力波沿波导丝传播的距离，若波导丝不能保证直线状态，则不能保证测量的精确度和线性度。
目前，常用的处理方法是：在产品生产过程中，对磁致伸缩液位计进行多点折线修正补偿，即将测量公式修正为L＝K*v*t(K为修正系数)，通过对液位计多点检测，可以得到多个测量点对应的K修正系数，将多点修正系数进行线性化处理，可实现对液位计线性度的修正，并保证液位计在出厂检测时的测量精度。
但是，在实际应用中，此种方法可以保证产品出厂之前的精确度，但由于波导丝没有拉紧固定，液位计在运输和使用过程中，很可能造成下垂状态改变，从而液位计在出厂时进行的系数修正不再有参考价值，从而无法保证液位计的实际测量精度。此外，随着温度或环境的改变，声速在波导丝中的传播速度也会改变，从而也会造成液位计测量精度的误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种自校正磁致伸缩液位计。
为此，本发明提供了一种自校正磁致伸缩液位计，包括信号处理单元、保护套管、波导丝和双磁块浮子单元，其中：
上下分布的波导丝，位于中空密封的保护套管内腔中间位置；
波导丝的顶部，与信号处理单元相连接；
双磁块浮子单元位于保护套管的外侧；
双磁块浮子单元，用于浮在液体的表面，随液体液位的变化而上下移动；
双磁块浮子单元包括中空密封的浮子壳体；
浮子壳体的内侧上下两端，分别固定设置有上端磁块和下端磁块；
上端磁块和下端磁块为永磁体；
上端磁块和下端磁块之间的间隔距离为固定距离L0。
其中，信号处理单元，作为脉冲发生器，用于发生脉冲电流到波导丝，脉冲电流产生的磁场与双磁块浮子单元的永磁场相互作用，从而产生扭转磁场；
所述扭转磁场引起波导丝产生扭转波样的机械形变，该扭转波沿波导丝以声速前进，到达信号处理单元的位置，信号处理单元通过内置的线圈换能器检测到波导丝反馈的扭转波信号，从而计算得到信号处理单元发出脉冲电流，到信号处理单元收到扭转波时的时间差t，即脉冲电流到扭转波的时间t。
其中，信号处理单元发送脉冲电流后，在双磁块浮子单元的位置，会收到上端磁块和下端磁块这两个磁块分别对应的扭转波，在计算液位值时，按照上端磁块的扭转波到达信号处理单元的时间来计算液位值。
其中，信号处理单元，用于在出厂前校正时，将全量程测量时间t初始化为划分t0、t1……到tn的多个时间间隔，初始化对应的修正系数K0、K1……到Kn，其中Kn为1，n为正整数，是修正点数；
当信号处理单元检测到上端磁块对应的扭转波到达时间t时，通过判断tz<t<tz+1，得到修正系数K＝(t-tz)*(Kz+1-Kz)/(tz+1-tz)，通过该公式，计算液位值L＝K*v*t，其中v为波导丝声速；
其中，上述上端磁块对应的扭转波到达时间t，即信号处理单元发出的脉冲电流时，到信号处理单元收到上端磁块对应的扭转波时的时间差。
其中，信号处理单元，还用于在使用过程中进行校正时，检测上端磁块和下端磁块这两个磁块位置对应的扭转波到达时间tx与tx+1，tx与tx+1位于初始划分时间间隔tm与tm+1之间，其中，m为修正点之一，计算tx与tx+1中间点的系数K＝L0/((tx+tx+1)/2)；
当双磁块浮子单元移动到初始划分时间间隔tm+1与tm+2之间时，信号处理单元通过记录上端磁块和下端磁块这两个磁块位置对应的扭转波到达时间ty与ty+1，计算ty与ty+1中间点的系数K1＝L0/((ty+ty+1)/2)，最终计算Km+1＝((ty+ty+1)/2-tm+1)*(K1-K)/((ty+ty+1)/2-(tx+tx+1)/2)，修正替换掉原tm+1测量点系数，实现该点修正系数的自动校正。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种自校正磁致伸缩液位计，其通过不断自校正修正系数的方式，实现实时自动校正液位计的精确度，保证液位计在使用过程中的精确度，解决由于波导丝下垂状态改变或因为温度、环境改变而造成的液位计测量不准确的问题。
此外，本发明提供了一种自校正磁致伸缩液位计，能够简化液位计在出厂前的校正流程，只需将浮子从底端向上连续移动到顶端，即可实现自动出厂校正过程，无需在出厂前进行多点距离、系数置入，显著简化了出厂前的校正流程。
附图说明
图1为本发明提供的一种自校正磁致伸缩液位计的结构示意图；
图2为本发明提供的一种自校正磁致伸缩液位计中磁浮子的结构示意简图；
图3为本发明提供的一种自校正磁致伸缩液位计中，回波信号的波形示意图；
图4为本发明提供的一种自校正磁致伸缩液位计中，信号处理单元运行的定点自校正算法的流程图；
图5为本发明提供的一种自校正磁致伸缩液位计，在出厂前的校正操作流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图5，本发明提供了一种自校正磁致伸缩液位计，包括信号处理单元1、保护套管2、波导丝3和双磁块浮子单元4，其中：
上下分布的波导丝3，位于中空密封的保护套管2内腔中间位置；
波导丝3的顶部，与信号处理单元1相连接；
双磁块浮子单元4位于保护套管2的外侧。
在本发明中，双磁块浮子单元4，用于浮在液体的表面，可以随液体液位的变化而上下移动。
需要说明的是，对于本发明，双磁块浮子单元4内部为中空结构，调整双磁块浮子单元4内部空腔的体积，可以调整双磁块浮子单元的平均密度，当双磁块浮子单元4的平均密度小于待测液体的密度时，浮子即可漂浮在液体液面上。保护套管2固定在待测液体储存罐上，双磁块浮子单元4漂浮在液面上，即可保证其限位位置在保护套管外侧液面位置上。
目前，磁致伸缩液位计安装方式通常有两种，一种采用顶装方式，采用环形浮子，环形浮子套在保护套管上，浮子通过保护套管的约束，保证不会远离保护套管。另外有一种采用侧装方式，在液体储存罐外侧装内径比浮子外径略粗的延伸管，根据连通器原理，延伸管内液位与罐内液位相同，浮子装在延伸管内，保护套管外绑在延伸管外，浮子通过延伸管的约束，保证不会远离保护套管。
在本发明中，根据磁致伸缩液位计通用原理，信号处理单元1，作为脉冲发生器，用于发生脉冲电流到波导丝，脉冲电流产生的磁场与双磁块浮子单元4的永磁场相互作用，从而产生扭转磁场；
由于波导丝的材料特性，所述扭转磁场引起波导丝产生扭转波样的机械形变，该扭转波沿波导丝以声速前进，到达信号处理单元1的位置，信号处理单元1通过内置的线圈换能器检测到波导丝反馈的扭转波信号，从而计算得到信号处理单元1发出脉冲电流，到信号处理单元1收到扭转波时的时间差t(即脉冲电流到扭转波的时间t)。
信号处理单元1，再根据磁致伸缩液位计测量原理，按公式L＝v*t计算(v是扭转波沿波导丝传播的速度，t为信号处理单元1发出的脉冲电流时，到信号处理单元1收到扭转波时的时间差，即脉冲电流到扭转波的时间t；L为测量距离，即液位值)，可以得到双磁块浮子单元4距离波导丝3顶端的距离，也就可以计算得到液位值。
在本发明中，具体实现上，双磁块浮子单元4包括中空密封的浮子壳体40；
浮子壳体40的内侧上下两端，分别固定设置有上端磁块41和下端磁块42；
上端磁块41和下端磁块42为永磁体；
上端磁块41和下端磁块42之间的间隔距离为固定距离L0。
需要说明的是，固定距离L0需大于液位计测量的最小时间分辨率与声波在波导丝3中传播速度的乘积。
需要说明的是，由磁致伸缩液位计原理可知，信号处理单元1发送脉冲电流后，在双磁块浮子单元4的位置，会收到上端磁块41和下端磁块42这两个磁块分别对应的扭转波，如图3所示。在计算液位值时，按照上端磁块41的扭转波到达信号处理单元1的时间来计算液位值(即t为信号处理单元1发出的脉冲电流时，到信号处理单元1收到上端磁块41对应的扭转波时的时间差，也即为全量程测量时间)。
在本发明中，具体实现上，信号处理单元1，用于在出厂前校正时，将全量程测量时间t初始化为划分t0、t1……到tn的多个时间间隔，初始化对应的修正系数K0、K1……到Kn，其中Kn为1，n为正整数，是修正点数，具体实现上，可自行设定修正点数；
当信号处理单元1检测到上端磁块41对应的扭转波到达时间t(即信号处理单元1发出的脉冲电流时，到信号处理单元1收到上端磁块41对应的扭转波时的时间差t)时，通过判断tz<t<tz+1，得到修正系数K＝(t-tz)*(Kz+1-Kz)/(tz+1-tz)，通过该公式，计算液位值L＝K*v*t(其中v为波导丝声速)。
需要说明的是，z为全量程测量时间初始化划分的时间间隔中的某个时间点，当测得时间在此时间点与下一时间点之间时，可测得此时间点的修正系数，随着浮子的全量程移动，即可得到所有时间点的修正系数。磁致伸缩液位计全量程是按照时间来分段补偿的，设置的t0、t1……到tn，即时分段补偿的时间点，z的设置是考虑与其他代号做区分，表示浮子所处的具体分段时间位置。
在本发明中，具体实现上，信号处理单元1，还用于在使用过程中进行校正时，检测上端磁块41和下端磁块42这两个磁块位置对应的扭转波到达时间tx与tx+1，tx与tx+1位于初始划分时间间隔tm与tm+1之间，其中，m为修正点之一，计算tx与tx+1中间点的系数K＝L0/((tx+tx+1)/2)；
当双磁块浮子单元4移动到初始划分时间间隔tm+1与tm+2之间时，信号处理单元1通过记录上端磁块41和下端磁块42这两个磁块位置对应的扭转波到达时间ty与ty+1，计算ty与ty+1中间点的系数K1＝L0/((ty+ty+1)/2)，最终计算Km+1＝((ty+ty+1)/2-tm+1)*(K1-K)/((ty+ty+1)/2-(tx+tx+1)/2)，修正替换掉原tm+1测量点系数(即背景技术部分所述，现有传统的多点折线修正补偿方法，获得的tm+1测量点系数)，实现该点修正系数的自动校正，具体的算法如图4所示。
需要说明的是，对于本发明，“tx与tx+1中间点的系数”表示双磁块浮子单元两磁块位置所测量得到的两个时间值tx与tx+1，两个时间值中间点，即算术平均点所对应的系数，此时间值中间点在时间间隔tm与tm+1之间，此系数设置为K。当浮子随液位移动，两磁块位置均到达tm+1与tm+2之间时，两磁块位置所测量得到的两个时间值ty与ty+1，这两个时间值中间点的系数设置为K1。其中tm、tm+1与tm+2为出厂校正前初始化设置的时间点，Km+1为tm+1时间点对应的修正系数。每次浮子从tm与tm+1之间移动到tm+1与tm+2之间时，均可以计算得到新的tm+1时间点对应的修正系数Km+1，即可替换掉上一次计算得到的修正系数，实现迭代修正。
需要说明的是，对于本发明，当使用过程中，双磁块浮子单元4到达其他位置(即上下移动的某个位置)时，即可实现该位置修正系数的自动校正，在使用过程中，磁浮子不断处于不同的位置，即可实现液位计的连续自动校正。
如图5所示，不同于传统折线修正，需要在出厂前进行多点距离测定、系数计算、系数置入等操作，本发明的自校正磁致伸缩液位计在出厂校正之时，只需将双磁块浮子单元4从保护套管2的底端向上连续移动到保护套管2的顶端，信号处理单元1自动逐个修正系数K0到Kn，即可实现自动出厂校正过程。大大简化了操作流程。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种自校正磁致伸缩液位计，其通过不断自校正修正系数的方式，实现实时自动校正液位计的精确度，保证液位计在使用过程中的精确度，解决由于波导丝下垂状态改变或因为温度、环境改变而造成的液位计测量不准确的问题。
此外，本发明提供了一种自校正磁致伸缩液位计，能够简化液位计在出厂前的校正流程，只需将浮子从底端向上连续移动到顶端，即可实现自动出厂校正过程，无需在出厂前进行多点距离、系数置入，显著简化了出厂前的校正流程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自校正磁致伸缩液位计，其特征在于，包括信号处理单元(1)、保护套管(2)、波导丝(3)和双磁块浮子单元(4)，其中：
上下分布的波导丝(3)，位于中空密封的保护套管(2)内腔中间位置；
波导丝(3)的顶部，与信号处理单元(1)相连接；
双磁块浮子单元(4)位于保护套管(2)的外侧；
双磁块浮子单元(4)，用于浮在液体的表面，随液体液位的变化而上下移动；
双磁块浮子单元(4)包括中空密封的浮子壳体(40)；
浮子壳体(40)的内侧上下两端，分别固定设置有上端磁块(41)和下端磁块(42)；
上端磁块(41)和下端磁块(42)为永磁体；
上端磁块(41)和下端磁块(42)之间的间隔距离为固定距离L0。
2.如权利要求1所述的自校正磁致伸缩液位计，其特征在于，信号处理单元(1)，作为脉冲发生器，用于发生脉冲电流到波导丝，脉冲电流产生的磁场与双磁块浮子单元(4)的永磁场相互作用，从而产生扭转磁场；
所述扭转磁场引起波导丝产生扭转波样的机械形变，该扭转波沿波导丝以声速前进，到达信号处理单元(1)的位置，信号处理单元(1)通过内置的线圈换能器检测到波导丝反馈的扭转波信号，从而计算得到信号处理单元(1)发出脉冲电流，到信号处理单元(1)收到扭转波时的时间差t，即脉冲电流到扭转波的时间t。
3.如权利要求2所述的自校正磁致伸缩液位计，其特征在于，信号处理单元(1)发送脉冲电流后，在双磁块浮子单元(4)的位置，会收到上端磁块(41)和下端磁块(42)这两个磁块分别对应的扭转波，在计算液位值时，按照上端磁块(41)的扭转波到达信号处理单元(1)的时间来计算液位值。
4.如权利要求2所述的自校正磁致伸缩液位计，其特征在于，信号处理单元(1)，用于在出厂前校正时，将全量程测量时间t初始化为划分t0、t1……到tn的多个时间间隔，初始化对应的修正系数K0、K1……到Kn，其中Kn为1，n为正整数，是修正点数；
当信号处理单元(1)检测到上端磁块(41)对应的扭转波到达时间t时，通过判断tz<t<tz+1，得到修正系数K＝(t-tz)*(Kz+1-Kz)/(tz+1-tz)，通过该公式，计算液位值L＝K*v*t，其中v为波导丝声速；
其中，上述上端磁块(41)对应的扭转波到达时间t，即信号处理单元(1)发出的脉冲电流时，到信号处理单元(1)收到上端磁块(41)对应的扭转波时的时间差。
5.如权利要求2所述的自校正磁致伸缩液位计，其特征在于，信号处理单元(1)，还用于在使用过程中进行校正时，检测上端磁块(41)和下端磁块(42)这两个磁块位置对应的扭转波到达时间tx与tx+1，tx与tx+1位于初始划分时间间隔tm与tm+1之间，其中，m为修正点之一，计算tx与tx+1中间点的系数K＝L0/((tx+tx+1)/2)；
当双磁块浮子单元(4)移动到初始划分时间间隔tm+1与tm+2之间时，信号处理单元(1)通过记录上端磁块(41)和下端磁块(42)这两个磁块位置对应的扭转波到达时间ty与ty+1，计算ty与ty+1中间点的系数K1＝L0/((ty+ty+1)/2)；
最终计算Km+1＝((ty+ty+1)/2-tm+1)*(K1-K)/((ty+ty+1)/2-(tx+tx+1)/2)，修正替换掉原tm+1测量点系数，实现该点修正系数的自动校正。
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