摘要：磁致伸縮液位計能滿足加油站罐區(qū)的液位自動測量方面需求，是一種性價比很高的儀表。通過分析磁致伸縮液位計的基本機構原理，探討磁致伸縮液位計加油站油罐檢測儀表的設計方法、結(jié)構、主要技術參數(shù)、軟硬件設計框架、防爆性能，及應用前景。
1 引言
隨著國內(nèi)石油化工等行業(yè)和油品儲運系統(tǒng)對液位檢測和罐區(qū)自動化管理需求的提高，尤其是對加油站地埋罐液位檢測和精細化管理的日益重視，現(xiàn)有的液位檢測技術已不能完全滿足部分領域的檢測需求，而磁致伸縮液位計引起了廣泛關注 [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上，開發(fā)出測量油罐液位的傳感器。磁致伸縮效應在測量長度、位移等方面得到了廣泛的應用。磁致伸縮液位計是目前公認的精度最高、穩(wěn)定性最好的接觸式液位測量技術和應用面最寬的產(chǎn)品，與其他的液位檢測和計量產(chǎn)品相比，具有明顯的競
爭優(yōu)勢，推廣應用前景廣闊，尤其在加油站液位檢測方面，被公認為唯一適用的儀表。
2 磁致伸縮液位計的基本機構原理和參數(shù)
磁致伸縮液位計基本原理（圖 1）是將磁浮子系統(tǒng)耦合過來的液位、界位信號，以間隔微秒級別的時間發(fā)送的脈沖，以便快速、精準的尋找到液位計中磁浮子的位置。這個脈沖產(chǎn)生的磁場沿波導絲向下傳導。當磁浮子的磁場和脈沖電流磁場相遇時，產(chǎn)生“返回”脈沖。敏感元件探測到這個“返回”脈沖。根據(jù)電流脈沖與“返回”脈沖之間的時間，通過單片機計算出浮子的位置，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。其主要性能指標達到國外 MTS 和 VR 兩家公司同類產(chǎn)品水平，并實現(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)字信號輸出。整機雙重防爆（電路本質(zhì)安全防爆和外殼隔爆）、現(xiàn)場校準與組態(tài)、抗干擾保護等創(chuàng)新設計。
主要技術參數(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）準確度：±1 mm；（5）重復性：0.5 mm；（6）工作溫度：-45～232℃；（7）介質(zhì)密度：500～1 800 kg/m 3 ；（8）防爆標志：NEPSI 本安和隔爆認證。
3 通信和軟件組態(tài)
采用 TI 公司內(nèi)置 400 W 抗雷擊保護的 485 驅(qū)動芯片，并采用低速率通信模式，另傳輸更可靠，且在錯誤接線的情況下，保護接口電路的安全。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)場設備標定、組態(tài)、診斷、維護、監(jiān)測。分為以下幾個頁面：儀表信息、儀表組態(tài)、儀表微調(diào)、監(jiān)測變量、聲速測定、維護信息、高級功能。
在聲速測定頁面中，可以對波導絲的超聲速進行測定，并把聲速值設定到液位計中。修正頁面中，可對靈敏度進行設定。不同的傳感器產(chǎn)生的信號強弱不同，針對這一現(xiàn)象，我們引入了靈敏度這一概念，不論信號強弱，通過我組態(tài)軟件設置后，都能保證液位計正常工作。一般來講，磁浮子離電子模塊組件越遠，信號越弱。用組態(tài)軟件設置靈敏度時，應將磁浮子滑到液位計的最底端。
本裝置由三個按鍵（分別為 ZERO 鍵、SPAN鍵、MENU 鍵）實現(xiàn)現(xiàn)場設置功能，主要有：Z鍵用于進入提示數(shù)據(jù)設置界面和移位；S 鍵用于進入數(shù)據(jù)設置界面、增加數(shù)字和數(shù)據(jù)保存；M 鍵用于數(shù)據(jù)保存。
三個按鍵配合可以在快速完成以下工作：輸入操作碼；設置單位；設置量程下限；設置量程上限；設置阻尼；定點微調(diào)等。現(xiàn)場按鍵的設置方便了用戶的現(xiàn)場組態(tài)，降低了現(xiàn)場維護的費用，提高了效率。圖 6，液位計應用在加油站時，可以在監(jiān)控室集中監(jiān)視油罐內(nèi)的液位，監(jiān)視報警軟件主要功能特點有：監(jiān)視最多 6 臺油罐的液面高度。每個罐都可以設置上限報警值和下限報警值。當液位高過上限報警值和下限報警值時，PC 喇叭發(fā)出報警聲音。用戶不需要安裝，直接雙擊即可運行。
4 防爆技術研究設計與本安、隔離防爆取證
本安防爆型儀表 [4] 的拾波線圈組件及信號板能量限制設計：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)脈沖差動感應為偏置磁場下線圈內(nèi)的電信號，由傳感器檢測該信號，傳送至放大電路。板子上的兩個感應線圈電感值小于 1.6 mH，兩端分別并聯(lián)有兩個二極管（V17-V20，型號 BAV199）做保護，最大電壓不會超過 0.7 V，符合 IIB 本安要求。
隔爆型儀表的外殼設計：儀表采用全不銹鋼金屬材料設計，即小巧精美又堅固可靠。在符合 GB/T3836.2-2010 的基礎上，預留了充足的設計余量，比如采用 15 mm 的優(yōu)質(zhì)鋼化玻璃，已滿足 1 kg 墜落沖擊試驗的需要。
防爆標志：ExiaⅡCT2~T4Ga（本安）；ExdⅡCT2~6Gb（隔爆）。
5 結(jié)語
磁致伸縮液位計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)場應用 2 年多以來，一直運行平穩(wěn)正常，油罐液位檢測及顯示均達到設計要求，用戶反映良好。依據(jù)《磁致伸縮液位計研制開發(fā)》，完成了設計和研發(fā)工作內(nèi)容，生產(chǎn)出達到設計要求的磁致伸縮液位計， 形成了自主知識產(chǎn)權的液位檢測新產(chǎn)品：AT100 型磁致伸縮液位計，給各個地方加油站油罐使用。
磁致伸縮液位計能滿足加油站罐區(qū)的液位自動測量方面需求，是一種性價比很高的儀表，且計量效果好，其工作性能穩(wěn)定可靠，操作安全，防護等級高，抗干擾能力強，值得大力推廣。
目前，我們正進一步進行產(chǎn)業(yè)化的實施和市場推廣宣傳，以期盡快在中油系統(tǒng)推廣應用，為國內(nèi)的加油站液位測量、監(jiān)測造及儲罐檢測計量提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和技術服務。
參考文獻
[1]磁致伸縮液位傳感器的應用與發(fā)展
[2]磁致伸縮液位計在加油站罐區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用
[3]磁致伸縮液位儀的應用研究
[4]本安型磁致伸縮液位儀的研制及應用
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