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為便于國內(nèi)科研人員進(jìn)一步分析磁致伸縮液位傳感器誤差形成的原因 ,提高國產(chǎn)磁致伸縮液位傳感器的測量精度 ,該文總結(jié)了溫度對磁致伸縮液位傳感器測量精度的影響及相應(yīng)的修正和補(bǔ)償方法。

1、溫度對晶振頻率和回波速度的影響及修正方法

1.1 溫度對晶振頻率的影響

由磁致伸縮液位傳感器的測量原理知 ,磁致伸縮液位傳感器是通過測量激勵脈沖和返回脈沖的時間來確定磁性浮子位置的 ,其測量精度與計(jì)時精度密切相關(guān) ,因此時鐘晶振的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度是影響測量精度的主要因素之一 ,而晶振的溫漂是造成時間偏差的主要原因。一般晶振的溫漂系數(shù)在50～1000ppm之間?？梢?,對高精度的測量裝置 ,在現(xiàn)場運(yùn)行中如不考慮晶振溫漂，測量結(jié)果有可能出現(xiàn)很大的測量誤差 ,尤其在環(huán)境溫差較大的情況下。

1.2 溫度對回波速度的影響

磁致伸縮液位傳感器是將液位值轉(zhuǎn)換為時間值的設(shè)備 ,液位與時間的對應(yīng)關(guān)系雖然是線性的 ,但其比例系數(shù)V是關(guān)于波導(dǎo)絲密度、材質(zhì)、應(yīng)力、溫度等物理量的函數(shù) ,而磁性材料的全部磁性參數(shù)都與溫度有密切關(guān)系 ,特別是對結(jié)構(gòu)敏感的參數(shù)隨溫度變化更為顯著 , 所以在分辨率要求不高的情況下，可認(rèn)為V是恒定的，只要測出時間就可計(jì)算出距離，但在要求分辨率很高的情況下，必須修正回波波在波導(dǎo)管上的傳播速度隨溫度變化帶來的測量誤差。

1.3 溫度對晶振頻率和回波速度影響的修正方法

以上兩種因素的存在，大大降低了磁致伸縮液位傳感器的測量精度。要實(shí)現(xiàn)高測量精度，必須消除晶振溫漂及回波速度變化所帶來的測量誤差。文中介紹一種雙輔助磁性浮子的校準(zhǔn)方法。系統(tǒng)在原有磁致伸縮液位傳感器的基礎(chǔ)上，在波導(dǎo)管與磁致伸縮波導(dǎo)絲之間 , 增加了兩個輔助磁性浮子 ,且精確測得兩個輔助磁性浮子之間的間距L0。這樣 ,當(dāng)液位傳感器放入液體罐內(nèi)進(jìn)行液位測量時 ,除了測得與液位值對應(yīng)的液位計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)N以外 ,還會測得兩個輔助浮子的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)N01與N02 ,因磁致伸縮液位傳感器有極高的線性度 ,故時間比例系數(shù)V (回波速度 )為 :

V =L0 / (N02 - N01 )

(1)既而可得出液位浮子的位置:Lx =VN(2)當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時 ,V也將發(fā)生變化，但其線性關(guān)系依然存在，故可由式(1)求得V,再由式(2)計(jì)算浮子的位置，這樣就消除了因回波速度變化而導(dǎo)致的測量誤差。晶振溫漂可通過溫漂系數(shù)e來體現(xiàn)，即Nt=eNt0，（3）式中，Nt為溫度為t℃時的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)Nt0為基準(zhǔn)溫度t0℃時的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)。將式(1)和式(3)代入式(2)則有:Lx=L0Nt0/(Nt2-Nt1)(4)因式 (4)中分子、分母中的溫漂系數(shù)相互抵消，故這種方法還可有效地消除由晶振振蕩頻率溫漂而導(dǎo)致的測量誤差。

2、溫度對浮子浸入高度的影響及修正方法

2.1 溫度對浮子浸入高度的影響

大多數(shù)介質(zhì)密度與溫度都存在著定量關(guān)系,Cailletet - Mathias直徑線法則揭示了液態(tài)物質(zhì)的密度隨溫度的變化關(guān)系曲線相似于拋物線 ,后經(jīng)研究表明,液態(tài)物質(zhì)密度與溫度兩者之間能夠得出很明確的關(guān)系式。也就是說隨著溫度的變化液體密度會發(fā)生變化。由阿基米德浮力定律知 ,液體密度變化必然導(dǎo)致同一物體浸入液體的體積發(fā)生變化,也即浸入高度發(fā)生變化。磁致伸縮液位傳感器的測量精度是建立在浮子可以準(zhǔn)確反映液面位置這一前提下的。但由于它采用了浮子作為液位的感應(yīng)元件 ,因而液體密度的變化必然導(dǎo)致浮子浸入液體的深度發(fā)生變化 ,這將直接影響測量精度。這種影響有時甚至?xí)h(yuǎn)遠(yuǎn)超過磁致伸縮液位傳感器的測量精度 ,特別是對于溫差較大的測量系統(tǒng)。變化前后介質(zhì)密度為ρρ,′浮子排開液體體積為V、V ,′g為重力加速度 ,Δρ、ΔV 為介質(zhì)密度和排開液體體積的變化量。根據(jù)阿基米德浮力定律知 ,浮子排開介質(zhì)體積的變化量與介質(zhì)密度變化率成正比。而ΔV = f (Δh) ,故浮子浸沒高度的變化量Δh與密度變化率的關(guān)系還與浮子形狀及初始位置有關(guān)。對于不同類型的浮子 ,介質(zhì)密度變化對其測量精度會產(chǎn)生不同的影響 ,現(xiàn)以典型的柱狀浮子為例 ,分析介質(zhì)密度變化對測量精度的影響。設(shè)柱狀浮子底面半徑為 R,不銹鋼外管半徑為r,浮子排開介質(zhì)的體積為 V, 浮子排開介質(zhì)體積的變化量為ΔV,忽略浮子密度和體積的變化。則由柱體體積公式可見 ,在液位不變而介質(zhì)密度變化的情況下 ,浮子高度 h會發(fā)生變化 ,這就意味著磁致伸縮液位傳感器的液位讀數(shù)會發(fā)生變化 ,從而造成測量誤差。其中負(fù)號表示浮子浸入介質(zhì)深度隨密度增加而減小。

2.2 溫度對浮子浸入高度影響的修正方法

浮子高度變化與浮子浸入介質(zhì)的深度h成正比 ,因此在選擇浮子時 ,可選擇密度稍小的浮子。同理可證，對球形浮子 ,可通過減小半徑的方法來減小介質(zhì)密度變化對測量精度的影響。但以上方法只能在一定的限度內(nèi)減小誤差，而不能完全消除誤差或?qū)φ`差進(jìn)行校正。下面介紹一種較實(shí)用的溫度補(bǔ)償法。不同介質(zhì)的溫度特性不同 ,這里僅給出油料介質(zhì)的溫度補(bǔ)償。所以 ,可在磁致伸縮傳感器中 ,沿著傳感器波導(dǎo)管在不同的距離上安裝1～5個RTD(熱電阻)或其他測量溫度的芯片，不停地檢測液體的溫度變化并得出平均溫度 (如果液體水平改變，高于液體的RTD將不記在內(nèi) )。求得平均溫度后，)計(jì)算出Δh,通過軟件編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3、結(jié) 論

通過溫度對磁致伸縮液位傳感器測量精度的影響的分析總結(jié) ,說明了要實(shí)現(xiàn)傳感器的高精度 ,不僅要有高精度的測量原理與方法 , 還必須配有必要的校正措施和補(bǔ)償方法。該文總結(jié)的內(nèi)容和方法 ,可作為高精度磁致伸縮液位傳感器的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。