CN111521234A - 一种高温液体用磁致伸缩导波液位计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温液体用磁致伸缩导波液位计，包括铁磁性长杆及磁致伸缩传感器；磁致伸缩传感器包括由上轭铁与下轭铁夹设永磁铁形成的传感器主体，传感器主体为中空结构，铁磁性长杆一端穿设中空结构与磁致伸缩传感器实现可拆卸连接；铁磁性长杆伸入传感器主体部分绕设有线圈，线圈两端接交变电流；铁磁性长杆为中空杆，且铁磁性长杆内壁竖直方向均匀设置多个凸缘。本发明液位计在端面安装磁致伸缩传感器，保证导波激励和接收的稳定性，其次，通过对钢杆上设置的多个凸起信号进行温度标定试验，实现检测到不同温度下导波在钢杆中的传播速度，进而实现对高温液体液位的测试。本发明结构简单，便于安装拆卸，测量精度更高。

Description

一种高温液体用磁致伸缩导波液位计

技术领域

本发明涉及液体液位测量装置，具体涉及一种高温液体用磁致伸缩导 波液位计。

背景技术

磁致伸缩液位计在液体测温中应用广泛。基于波导丝的磁致伸缩液位 计主要以激励和接收一阶扭转模态超声导波。传统的磁致伸缩液位计主要 采用磁致伸缩性能优异的波导丝和一个环形的磁性浮子，其中磁性浮子的 磁化方向沿着轴向方向，当波导丝中通入电流信号时，基于磁致伸缩效应， 可以在波导丝的磁性浮子位置激励产生扭转模态导波。产生的扭转导波沿 着波导丝传递至端面的导波接收装置，并通过算法编写完成对液位的计算。 传统的磁致伸缩液位计进行高温液体液位检测时，无法准确的测试液位， 存在两个原因：首先是磁性浮子在高温条件下会产生退磁，无法在波导丝 上产生有效的偏置磁性，进而实现扭转模态导波的激励；其次是高温条件 下，导波在波导丝中的传播速度发生了变化，常规算法计算得到的结果会 导致液位计算发生偏差。

有鉴于此，亟需提供一种适用测量高温液体液位，且测量精度更高， 使用方便的高温液体用磁致伸缩导波液位计。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种高温 液体用磁致伸缩导波液位计，包括：

铁磁性长杆、磁致伸缩传感器及控制电路板；

所述磁致伸缩传感器包括由上轭铁与下轭铁夹设永磁铁形成的传感器 主体，所述传感器主体为中空结构，所述铁磁性长杆一端穿设中空结构与 所述磁致伸缩传感器实现可拆卸连接；所述铁磁性长杆伸入所述传感器主 体部分绕设有线圈，所述线圈两端接交变电流；

所述铁磁性长杆为中空杆，且所述铁磁性长杆内壁竖直方向均匀设置 多个凸缘；

所述线圈通电后，产生沿铁磁性长杆轴向方向同向的的动态交变磁场 与偏置磁场，则产生了纵向模态导波，纵向模态导波在传播的过程中遇到 各凸起均产生反射波，同时所述磁致伸缩传感器将接收到的反射波，并确 定接收到各反射波的时间，通过所激励纵向模态导波的速度计算出导波在 铁磁性长杆中每段位置的速度；通过标定试验得到温度与纵向模态导波在 铁磁性长杆中传播速度的关系曲线；从而根据液面上下温差确定液位位置；

控制电路板包含供电电路、单片机电路、液晶显示电路、通电激励电 路、ADC采集电路、信号输出电路以及通信模块。控制电路板与线圈电连接， 控制通电激励电路以及ADC采集电路。

在上述方案中，所述铁磁性长杆内壁竖直方向均匀设置多个凸点形成 所述凸起。

在上述方案中，所述铁磁性长杆本体由外侧至内侧构成的凹槽形成所 述凸起。

在上述方案中，所述铁磁性长杆上套设有挂钩。

在上述方案中，所述铁磁性长杆为圆柱形且壁厚均匀的铁磁性杆。

本发明液位计在端面安装磁致伸缩传感器，保证导波激励和接收的稳 定性，通过检测钢杆上设置的多个凸起信号，通过对钢杆上设置的多个凸 起信号进行温度标定试验，实现检测到不同温度下导波在钢杆中的传播速 度，进而实现对高温液体液位的测试。本发明结构简单，便于安装拆卸， 且相比于现有基于波导丝的磁致伸缩液位计，本发明测量精度更高。

附图说明

图1为本发明提供的结构示意图；

图2磁致伸缩传感器工作原理图；

图3为本发明中提供的优选实施例结构示意图；

图4为本发明中提供的另一优选实施例结构示意图；

图5为本发明中提供的液位检测系统示意图；

图6为本发明中提供的液位计采集时域信号图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于高温液体液位检测的磁致伸缩液位计，在端面 安装磁致伸缩传感器，保证导波激励和接收的稳定性，其次，通过对钢杆 上设置的多个凸起信号进行温度标定试验，实现检测到不同温度下导波在 钢杆中的传播速度，进而实现对高温液体液位的测试。本发明结构简单， 便于安装拆卸，且相比于现有基于波导丝的磁致伸缩液位计，本发明测量 精度更高，且本发明液位计可直接对高温液体进行检测，也可以将液位计安装在固定位置进行高温液体液位的长期监测。

需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或 者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发 明和和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定 的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下 面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1-2所示，本发明提供了一种高温液体用磁致伸缩导波液位计， 包括：

伸入待测液体中的铁磁性长杆1，及与铁磁性长杆1可拆卸连接的磁致 伸缩传感器2；与外部电源或中控装置连接的控制电路板4；

磁致伸缩传感器2包括由上轭铁21与下轭铁22夹设永磁铁23形成的 传感器主体，传感器主体为中空结构，铁磁性长杆1一端穿设中空结构与 磁致伸缩传感器2实现可拆卸连接；铁磁性长杆1伸入传感器主体部分绕 设有线圈3，线圈3两端接交变电流。

磁致伸缩传感器由轭铁、永磁铁和线圈构成。其中，永磁铁通过轭铁 连接并安装在铁磁性长杆的端部，在缠绕在铁磁性长杆上的线圈3中通入 交表电流信号产生沿铁磁性长杆轴向方向的动态交表磁场。

控制电路板4包括供电电路、单片机电路、液晶显示电路、通电激励 电路、ADC采集电路、信号输出电路以及通信模块。控制电路板4与线圈3 电连接，控制通电激励电路以及ADC采集电路，并将单片机电路处理所得 液位信息通过液晶显示电路实时显示，同时液位信息通过信号输出电路和 通信模块输出，信号输出可采用有线4-20ma、Hart协议或无线通信等多种 方式。供电电路可采用有线外接供电或锂电池供电。

铁磁性长杆1为中空杆，且铁磁性长杆1内壁竖直方向均匀设置多个 凸起11。

图2所示为磁致伸缩传感器的工作原理图，永磁铁23通过上、下轭铁 与铁磁性长杆1形成静磁场回路，在铁磁性长杆1中会产生沿轴向方向的 磁场B_DC，通过单片机控制通电激励电路使得缠绕在铁磁性长杆1中的线圈 3中通入交流电流信号产生沿轴向方向的动态偏置磁场B_AC，两个磁场方向 同向，由焦耳效应可知在铁磁性长杆1中产生纵向模态导波。纵向模态导 波在铁磁性长杆1中沿轴向方向传播，当纵向模态导波经过凸起时，一部 分能量透射，另一部分能量反射，形成反射导波，反射导波回到线圈3位 置，由逆焦耳效应可知，线圈3中会采集到电压信号。电压信号经由ADC 采集电路采集并进行模数转换，数字信号通过单片机电路传输到单片机进 行处理，通过单片机进行峰值信号提取，通过峰值信号的时间差进行计算 得出个点之间的传播速度，根据速度变化可得温度变化，从而检测到液面 上下的温差变化，得到液面位置信息通过液晶显示电路实时显示并传输至 信号输出电路和通信模块输出液位信息。

如图3所示，本实施例优选，铁磁性长杆1内壁竖直方向均匀设置多 个凸点形成凸起11。

铁磁性长杆1上套设有可沿铁磁性长杆1上下调节且挂设置液体装置 敞口边缘的挂钩4，根据液位高度调节挂钩4相对于铁磁性长杆1的位置， 挂钩4保证液位计稳定放置于液体中。

如图4所示，本实施例优选，铁磁性长杆1本体由外侧至内侧构成的 凹槽形成凸起11。

本实施例优选，为了保证纵向模态导波及反射波在铁磁性长杆1中传 播速度均匀，不受铁磁性长杆1形状的影响，铁磁性长杆1为圆柱形且壁 厚均匀的铁磁性杆。

下面具体说明本实施例的工作过程。

如图5-6所示为采集得到的凹槽缺陷11反射信号，每段凹槽缺陷11 对应的波包信号都对应一个时间，如t1、t2、t3和t4，则相邻凹槽缺陷 11反射信号的时间为△t2，△t3和△t4相邻凹槽缺陷11之间的距离为l2， l3和l4，则导波在相邻两个凹槽缺陷11中的速度可以计算得到。

投入使用前需进行大量不同温度的标定试验，以同一根长度为l的钢 杆1作为实验对象，将该钢杆1分别放置于不同温度下，通过ADC模数转 换芯片与单片机进行端面信号采集，并记录端面波包信号的时间t，即可计 算出不同温度下纵向模态在钢杆中的传播速度v＝l/t，其中可以进行温度范 围的控制以实现目标温度下纵向模态导波在钢杆中的传播速度。以实验所 处温度作为横坐标，各温度下计算所得到的速度作为纵坐标，即可得到温 度与纵向模态导波速度之间的拟合关系。

实际工作时，将ADC与单片机在实际高温条件采集的信号处理得到每 个相邻凹槽缺陷6段相应的速度，代入标定后的相关曲线中得到钢杆2的 温度。液体与气体之间存在较大温度差异，则实验中测得温度变化明显的 区域为液体和气体交界面，以此得到液体液位高度。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示 下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本 发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温液体用磁致伸缩导波液位计，其特征在于，包括：

铁磁性长杆(1)、磁致伸缩传感器(2)及控制电路板(4)；

所述磁致伸缩传感器(2)包括由上轭铁(21)与下轭铁(22)夹设永磁铁(23)形成的传感器主体，所述传感器主体为中空结构，所述铁磁性长杆(1)一端穿设中空结构与所述磁致伸缩传感器(2)实现可拆卸连接；所述铁磁性长杆(1)伸入所述传感器主体部分绕设有线圈(3)，所述线圈(3)两端接交变电流；

所述铁磁性长杆(1)为中空杆，且所述铁磁性长杆(1)内壁竖直方向均匀设置多个凸缘(11)；

所述线圈(3)通电后，产生沿铁磁性长杆(1)轴向方向同向的的动态交变磁场与偏置磁场，则产生了纵向模态导波，纵向模态导波在传播的过程中遇到各凸起(11)均产产生反射波，同时所述磁致伸缩传感器(2)将接收到的反射波，并确定接收到各反射波的时间，通过所激励纵向模态导波的速度计算出导波在铁磁性长杆(1)中每段位置的速度；通过标定试验得到温度与纵向模态导波在铁磁性长杆(1)中传播速度的关系曲线；从而确定液位位置；

控制电路板(4)包含供电电路、单片机电路、液晶显示的电路、通电激励电路、ADC采集电路、信号输出电路以及通信模块；控制电路板(4)与线圈(3)电连接，控制通电激励电路以及ADC采集电路。

2.如权利要求1所述的高温液体用磁致伸缩导波液位计，其特征在于，所述铁磁性长杆(1)内壁竖直方向均匀设置多个凸点形成所述凸起(11)。

3.如权利要求1所述的高温液体用磁致伸缩导波液位计，其特征在于，所述铁磁性长杆(1)本体由外侧至内侧构成的凹槽形成所述凸起(11)。

4.如权利要求2或3所述的高温液体用磁致伸缩导波液位计，其特征在于，所述铁磁性长杆(1)上套设有挂钩(4)。

5.如权利要求2或3所述的高温液体用磁致伸缩导波液位计，其特征在于，所述铁磁性长杆(1)为圆柱形且壁厚均匀的铁磁性杆。

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