1 引言

        隨著國內(nèi)石油化工等行業(yè)和油品儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)對液位檢測和罐區(qū)自動(dòng)化管理需求的提高，尤其是對加油站地埋罐液位檢測和精細(xì)化管理的日益重視，現(xiàn)有的液位檢測技術(shù)已不能完全滿足部分領(lǐng)域的檢測需求，而磁致伸縮液位計(jì)引起了廣泛關(guān)注 [1-3] 。1980 年代，少數(shù)工業(yè)國如美國和德國，利用磁致伸縮原理開發(fā)出了絕對位移傳感器。

 

        之后美國 MTS 公司首先將磁致伸縮原理用于液位測量技術(shù)上，開發(fā)出測量油罐液位的傳感器。磁致伸縮效應(yīng)在測量長度、位移等方面得到了廣泛的應(yīng)用。磁致伸縮液位計(jì)是目前公認(rèn)的精度最高、穩(wěn)定性最好的接觸式液位測量技術(shù)和應(yīng)用面最寬的產(chǎn)品，與其他的液位檢測和計(jì)量產(chǎn)品相比，具有明顯的競

爭優(yōu)勢，推廣應(yīng)用前景廣闊，尤其在加油站液位檢測方面，被公認(rèn)為唯一適用的儀表。

 

2 磁致伸縮液位計(jì)的基本機(jī)構(gòu)原理和參數(shù)

        磁致伸縮液位計(jì)基本原理（圖 1）是將磁浮子系統(tǒng)耦合過來的液位、界位信號(hào)，以間隔微秒級(jí)別的時(shí)間發(fā)送的脈沖，以便快速、精準(zhǔn)的尋找到液位計(jì)中磁浮子的位置。這個(gè)脈沖產(chǎn)生的磁場沿波導(dǎo)絲向下傳導(dǎo)。當(dāng)磁浮子的磁場和脈沖電流磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生“返回”脈沖。敏感元件探測到這個(gè)“返回”脈沖。根據(jù)電流脈沖與“返回”脈沖之間的時(shí)間，通過單片機(jī)計(jì)算出浮子的位置，確定被測液位或界位。

        磁致伸縮液位儀外形尺寸如圖 2，可以配置現(xiàn)場顯示器，也可以使用一體化的無顯示結(jié)構(gòu)。其主要性能指標(biāo)達(dá)到國外 MTS 和 VR 兩家公司同類產(chǎn)品水平，并實(shí)現(xiàn)了智能化數(shù)據(jù)處理、RS485-MODBUS 協(xié)議或兩線制 4～20 mA DC 帶 HART 數(shù)字信號(hào)輸出。整機(jī)雙重防爆（電路本質(zhì)安全防爆和外殼隔爆）、現(xiàn)場校準(zhǔn)與組態(tài)、抗干擾保護(hù)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

        主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）測量范圍：1 000～21 000 mm；（2）電源：24 V DC（18～32 V）；（3）輸出：4～20 mA、HART 通信、RS485 通信；（4）準(zhǔn)確度：±1 mm；（5）重復(fù)性：0.5 mm；（6）工作溫度：-45～232℃；（7）介質(zhì)密度：500～1 800 kg/m 3 ；（8）防爆標(biāo)志：NEPSI 本安和隔爆認(rèn)證。

 

3 通信和軟件組態(tài)

        采用 TI 公司內(nèi)置 400 W 抗雷擊保護(hù)的 485 驅(qū)動(dòng)芯片，并采用低速率通信模式，另傳輸更可靠，且在錯(cuò)誤接線的情況下，保護(hù)接口電路的安全。圖 3，采集板 CPU 工作流程。圖 4，主控板CPU 工作流程。

        組態(tài)/調(diào)試工具（圖 5）主要對現(xiàn)場設(shè)備標(biāo)定、組態(tài)、診斷、維護(hù)、監(jiān)測。分為以下幾個(gè)頁面：儀表信息、儀表組態(tài)、儀表微調(diào)、監(jiān)測變量、聲速測定、維護(hù)信息、高級(jí)功能。

        在聲速測定頁面中，可以對波導(dǎo)絲的超聲速進(jìn)行測定，并把聲速值設(shè)定到液位計(jì)中。修正頁面中，可對靈敏度進(jìn)行設(shè)定。不同的傳感器產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)弱不同，針對這一現(xiàn)象，我們引入了靈敏度這一概念，不論信號(hào)強(qiáng)弱，通過我組態(tài)軟件設(shè)置后，都能保證液位計(jì)正常工作。一般來講，磁浮子離電子模塊組件越遠(yuǎn)，信號(hào)越弱。用組態(tài)軟件設(shè)置靈敏度時(shí)，應(yīng)將磁浮子滑到液位計(jì)的最底端。

 

        本裝置由三個(gè)按鍵（分別為 ZERO 鍵、SPAN鍵、MENU 鍵）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)置功能，主要有：Z鍵用于進(jìn)入提示數(shù)據(jù)設(shè)置界面和移位；S 鍵用于進(jìn)入數(shù)據(jù)設(shè)置界面、增加數(shù)字和數(shù)據(jù)保存；M 鍵用于數(shù)據(jù)保存。

 

        三個(gè)按鍵配合可以在快速完成以下工作：輸入操作碼；設(shè)置單位；設(shè)置量程下限；設(shè)置量程上限；設(shè)置阻尼；定點(diǎn)微調(diào)等。現(xiàn)場按鍵的設(shè)置方便了用戶的現(xiàn)場組態(tài)，降低了現(xiàn)場維護(hù)的費(fèi)用，提高了效率。圖 6，液位計(jì)應(yīng)用在加油站時(shí)，可以在監(jiān)控室集中監(jiān)視油罐內(nèi)的液位，監(jiān)視報(bào)警軟件主要功能特點(diǎn)有：監(jiān)視最多 6 臺(tái)油罐的液面高度。每個(gè)罐都可以設(shè)置上限報(bào)警值和下限報(bào)警值。當(dāng)液位高過上限報(bào)警值和下限報(bào)警值時(shí)，PC 喇叭發(fā)出報(bào)警聲音。用戶不需要安裝，直接雙擊即可運(yùn)行。

4 防爆技術(shù)研究設(shè)計(jì)與本安、隔離防爆取證

        本安防爆型儀表 [4] 的拾波線圈組件及信號(hào)板能量限制設(shè)計(jì)：本安防爆型儀表的拾波線圈組件，其作用是將磁致伸縮絲的受激扭轉(zhuǎn)脈沖差動(dòng)感應(yīng)為偏置磁場下線圈內(nèi)的電信號(hào)，由傳感器檢測該信號(hào)，傳送至放大電路。板子上的兩個(gè)感應(yīng)線圈電感值小于 1.6 mH，兩端分別并聯(lián)有兩個(gè)二極管（V17-V20，型號(hào) BAV199）做保護(hù)，最大電壓不會(huì)超過 0.7 V，符合 IIB 本安要求。

 

        隔爆型儀表的外殼設(shè)計(jì)：儀表采用全不銹鋼金屬材料設(shè)計(jì)，即小巧精美又堅(jiān)固可靠。在符合 GB/T3836.2-2010 的基礎(chǔ)上，預(yù)留了充足的設(shè)計(jì)余量，比如采用 15 mm 的優(yōu)質(zhì)鋼化玻璃，已滿足 1 kg 墜落沖擊試驗(yàn)的需要。

 

        防爆標(biāo)志：ExiaⅡCT2~T4Ga（本安）；ExdⅡCT2~6Gb（隔爆）。

 

5 結(jié)語

        磁致伸縮液位計(jì)在蘭州石油化工公司銀灘加油站和浙江、西安多家企業(yè)安裝、現(xiàn)場應(yīng)用 2 年多以來，一直運(yùn)行平穩(wěn)正常，油罐液位檢測及顯示均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，用戶反映良好。依據(jù)《磁致伸縮液位計(jì)研制開發(fā)》，完成了設(shè)計(jì)和研發(fā)工作內(nèi)容，生產(chǎn)出達(dá)到設(shè)計(jì)要求的磁致伸縮液位計(jì)， 形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液位檢測新產(chǎn)品：AT100 型磁致伸縮液位計(jì)，給各個(gè)地方加油站油罐使用。

 

        磁致伸縮液位計(jì)能滿足加油站罐區(qū)的液位自動(dòng)測量方面需求，是一種性價(jià)比很高的儀表，且計(jì)量效果好，其工作性能穩(wěn)定可靠，操作安全，防護(hù)等級(jí)高，抗干擾能力強(qiáng)，值得大力推廣。

 

        目前，我們正進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施和市場推廣宣傳，以期盡快在中油系統(tǒng)推廣應(yīng)用，為國內(nèi)的加油站液位測量、監(jiān)測造及儲(chǔ)罐檢測計(jì)量提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。