Магнитострикционные уровнемеры. 
Метрология и измерительная техника. 
Уровнеметрия жидких сред

Магнитострикционные датчики уровня стали очень популярными благодаря своим высоким эксплуатационным и метрологическим свойствам.

На рис. 2.14 для наглядности приведём пример МС-уровнемера, например, фирмы «Альбатрос"/.

Теперь по существу вопроса.

Исторически первоначально появились измерительные преобразователи перемещений с уникальными тогда метрологическими параметрами, основанные на бесконтактном способе измерения. В основу работы его был положен так называемый «магнитострикционный метод», название которого определило название одноименного эффекта (магнитострикционный эффект Джоуля, 1842 г.). Само явление стало называться магнитострикцией.

Тогда эксперименты показали, что железо при намагничивании удлиняется в направлении намагничивающего поля и сокращается в направлении ему перпендикулярному.

Наиболее важными видами магнитострикции являются:

• • продольная магнитострикция (собственно эффект Джоуля), при этом относительное изменение длины образца е = А1/1 может составлять значения от 10 ² до 10 ⁶.
• • поперечная магнитострикция — изменение геометрических размеров ферромагнитного образца, нормальных к направлению магнитного поля;
• • объемная магнитострикция.

Позднее Видеман (1858 г.) обнаружил эффект закручивания железной проволоки, подвергнутой одновременному действию аксиального (продольного) магнитного поля и кругового поля тока, текущего по проволоке. Эффект назван в честь Видемана и является разновидностью явления магнитострикции. Важно отметить, что если электрический ток или магнитное поле являются переменными, то стержень испытывает крутильные колебания. Продолжая рассуждения, можно полагать, что в той же модели, пропуская через железный проводник короткий импульс тока, в нем возникнут кратковременные крутильные колебания с местной крутильной деформацией и с последующим образованием акустической волны. Этот приём чем-то напоминает известный в технике «метод ударного возбуждения». В силу специфики приведённого режима получения результата импульс акустической волны назвали торсионным импульсом. Этот термин стал в наши дни почти нарицательным, когда рассматривают структуру и принцип действия магнитострикционных датчиков перемещений, положения и уровня.

Параллельно с магнитострикционным эффектом Видемана, как правило, рассматривают обратный ему магнитоупругий эффект Виллари (1865 г/) — влияние механических напряжений, например, при механической деформации растяжения, сжатия, кручения или изгиба на намагниченность ферромагнетика.

Как же реализуются эти два явления и их модификации в датчиках перемещений, положений и в современной уровнеметрии?

Рис. 2.15. Магнитострикционный преобразователь перемещений

Более двух десятков лет в мире производятся датчики положений, перемещений, основанные на использовании магнитострикционного эффекта. Одним из первых производителей чувствительных элементов данных измерительных преобразователей явилась компания MTS Sensore, магнитострикционные датчики которой имеют торговую марку Temposonics.

Конструкция датчика линейных перемещений представлена на рис. 2.15.

Датчик содержит:

• • чувствительный элемент (ЧЭ) — волновод в виде стержня из магнитострикционного материала с высоким коэффициентом магнитострикции на основе железа, никеля, кобальта (Ni — 35%, Fe — 65%);
• • постоянный магнит (магниты), обеспечивающие локальное намагничивание чувствительного элемента продольным магнитным полем;
• • устройство управления и обработки (У У О — собственно электронный блок), формирующий зондирующий импульс тока через чувствительный элемент, прием и детектирование ультразвукового импульса, расчет времени прохождения им измеряемого отрезка ЧЭ и нормирование выходного сигнала, например, 4−20 гпА;
• • демпфер, расположенный на свободном конце ЧЭ с целью гашения ультразвуковой волны в этом направлении.

Рис. 2.16. Магнитострикционный датчик перемещений Temposonics

Постоянный магнит имеет степень свободы в направлении оси волновода без жесткой кинематической связи с ним и является позиционером (рис. 2.15 и 2.16).

Датчик работает следующим образом. Процесс измерения начинается с того, что устройство управления и обработки (УУО) вырабатывает короткий импульс тока длительностью 1>2 микросекунды и пропускает его через ЧЭ. Имея скорость 3^х 10⁸ м/с, импульс тока, а вместе с ним и создаваемое им радиальное магнитной поле достигают позицию постоянного магнита и его магнитного поля за доли наносекунды. Взаимодействие этих полей с магнитным зондом в соответствии с эффектом Видемана в ЧЭ возникает быстро протекающая упругая деформация, вызывая в нем короткую ультразвуковую волну — торсионный импульс, которая распространяется в оба конца волновода. В направлении УУО она принимается и детектируется, в другом направлении — эффективно гасится специально выполненным демпфирующим преобразователем. Торсионный импульс проходит измеряемое расстояние со звуковой скоростью около 3000 м/с за доли миллисекунды.

Для детектирования ультразвуковых импульсов известны как классические методы — с помощью электромагнитных (рис. 2.17, а) и пьезоэлектрических преобразователей (рис. 2.17, б), так не традиционных — преобразователей Виллари (рис. 2.17, в). Впрочем, электромагнитный преобразователь, показанный в таблице, так же основан на магнитоупругом эффекте. Преобразователь Виллари состоит из сердечника прямоугольного сечения, выполненного из магнитострикционного материала, жестко связанного (путем сварки) с волноводом и расположенного перпендикулярно его оси. Содержит индукционную измерительную катушку W₂ и дополнительный постоянный магнит «N-S» с функцией начального подмагничивания сердечника. Сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы. Следующее из этого временное изменение поля индуцирует э.д.с. в измерительной катушке, а возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электронным преобразователем УУО.

Такая конфигурация детектора ультразвуковых колебаний оказалась предпочтительной для большинства магнитострикционных датчиков, т. к. позволяет избирательно детектировать только торсионные ультразвуковые импульсы с минимальной чувствительностью к другим видам колебаний.

Рис. 2.17. Детекторы ультразвуковых сигналов магнитострикционных

уровнемеров

Торсионная ультразвуковая волна перемещается по волноводу с постоянной скоростью. Точное определение интервала времени между началом токового импульса и моментом времени ответного электрического импульса с выхода детектора ультразвуковой волны позволяет позиционировать в пространстве постоянный магнит и связанный с ним жестко объект контроля.

По сравнению с традиционными средствами измерения расстояний и перемещений, магнитострикционные датчики имеют важные преимущества.

• 1. Бесконтактный принцип работы обеспечивает длительный срок службы без необходимости специального обслуживания.
• 2. Хорошая линейность функции преобразования, повторяемость результатов, высока разрешающая способность.
• 3. Нечувствительность к таким мешающим факторам, как вибрации, удары, влажность, загрязнения и др.
• 4. Постоянный магнит, являясь активным элементом конструкции, не требует источника питания.

Обладая такими эксплуатационными и метрологическими характеристиками, магнитострикционные датчики расстояния не могли быть не использованы для целей уровнеметрии, где решаются аналогичные задачи — определять положение раздела сред в пространстве и отслеживание изменение этого положения во времени.

Для этого было достаточно ориентировать волновод вертикально, перпендикулярно плоскости раздела сред, а постоянный магнит конструктивно объединить с поплавком постоянного заглубления. Получился уникальный уровнемер, выгодно отличающийся от других типов уровнемеров.

Рынок активно отреагировал на это новшество. Появилось значительное количество разнообразных конструкций, объединенных общим названием — магнитострикционные (МС) уровнемеры.

Для сравнения и анализа выберем четыре наиболее популярных магнитосгрикционных уровнемера, представленных на рисунках 2.18 и 2.19. Несмотря на различие структур, все они имеют некоторые общие компоненты:

• • устройство управления и обработки — электронный блок (/);
• • чувствительный элемент-волновод (2), выполненный из магнитострикционного материала;
• • поплавок (3) постоянного заглубления, свободно перемещающийся вертикально по направляющей немагнитной трубе, содержащий внутри себя постоянный магнит (4).

Рис. 2.18. Схемы магнитострикционных уровнемеров MTS Sistems (a) и KSR KUEBLER (б)

Электронный блок вырабатывает «стартовое» воздействие на чувствительный элемент, детектирует «ответное действие» и производит обработку полученной информации.

Принцип действия МС уровнемера MTS Sistems (рис. 2.18, а) полностью соответствует описанному выше принципу действия МС датчика перемещений (рис. 2.15). В этой конструкции чувствительный элемент является общим как для создания стартового импульса тока с его радиальным полем, так и проведения ультразвуковой волны.

Так, периодически генерируемый электроникой устройства управления и обработки 1 импульс тока передается по волноводу 2 в направлении поплавка 3 с расположенным в нем постоянным магнитом 4. В волноводе, в точке «встречи» магнитного поля, вызванного токовым импульсом, с магнитным полем постоянного магнита возникает торсионный импульс — акустическая волна, которая движется обратно с постоянной для данного материала волновода скоростью в направлении УУО, где детектируется. Время между началом токового импульса и приходом импульса в виде ультразвуковой волны является мерой для определения уровня контролируемой среды.

МС уровнемер KSR KUEBLER (рис. 2.18, б) имеет подобный принцип действия, что и предыдущий, с тем различием, что чувствительный элемент (волновод) преобразователя выполнен из магнитострикционного материала (специального никелевого сплава) в виде полой трубы диаметром 0,7 мм и толщиной 0,1 мм. Стартовый импульс тока проходит по аксиально расположенной к чувствительному элементу медному проводу, вызывая радиальное его импульсное намагничивание В момент «встречи» с продольной составляющей поля постоянного магнита, в полом волноводе так же возникает упругая «спиральная» деформация, вызывая короткий УЗ импульс (торсионный импульс), детектирование которого осуществляется «преобразователем Виллари» (рис. 2.17, в). Реально такой способ радиального намагничивания токовым импульсом можно признать более эффективным и предпочтительным, несмотря некоторое усложнение конструкции и технологию выполнения самого зонда.

В обоих рассмотренных вариантах создается и используется именно торсионный импульс упругой деформации с присущими этим схемам заявленных преимуществ. А именно, продольные колебания в области зонда, возникшие в результате воздействия от внешних механических воздействий, звуковых колебаний и помех никаким образом не влияют на результаты измерений.

Некоторые производители МС уровнемеров, например. ЗАО «Альбатрос» (рис. 2.19, а) для создания «стартового» магнитного поля используют намотанную по всей длине катушку, в которой протекает импульс тока, создавая продольное импульсное магнитное поле. В месте расположения поплавка с постоянным магнитом, скользящего вдоль магнитострикционного волновода, в нем под действием магнитострикционного эффекта возникает импульс продольной деформации, который распространяется по волноводу и фиксируется закрепленным на ней пьезопреобразователем (рис. 2.17, б).

Рис. 2.19. Схемы магнитострикционных уровнемеров ЗАО «Альбатрос» (а) и ООО «Первая приборная фабрика» (б)

Создание «стартового» магнитного импульса путем пропускания короткого микросекундного импульса тока через распределенную намагничивающую катушку, да еще с магнитным сердечником, может вызвать определенное запаздывание, как это происходит в известных линиях задержки. Причем, эта задержка стартового импульса нс постоянна и будет зависеть от измеряемого расстояния до уровня контролируемой среды. Поэтому данное техническое решение, по всей видимости, нельзя считать удачным. И еще, в работе уровнемера не наблюдается «магнитострикция Видемана». Нет здесь и торсионного импульса, который присутствует в первых рассмотренных уровнемерах с их положительными свойствами.

Магнитострикционный уровнемер ООО «Первая приборная фабрика» (рис. 2.19, б) содержит узел возбуждения и волновод, охваченный электрическими обмотками — обмоткой возбуждения W_h расположенной в электронном блоке и измерительной обмоткой W₂, размещённой по всей длине чувствительного элемента. От электромагнито-акустического преобразователя (ЭМА-преобразователь) в виде катушки возбуждения W, через которую проходит импульс тока, ультразвуковая волна распространяется вниз по магнитному волноводу и достигает магнитного поля постоянных магнитов, установленных в поплавке. Ультразвуковая волна вызывает изменение магнитной проницаемости ферромагнитного звуковода (эффект Виллари). В зоне магнитного поля постоянных магнитов поплавка изменение магнитной проницаемости волновода приводит к изменению магнитного потока, пронизывающего катушку W₂. В катушке возникает «ответный» импульс э.д.с. е₂. (Принцип действия реконструирован в соответствии с приведённой информацией из публикации В. Ю. Карминов и А. Г. Фролов «Магнитострикционный уровнемер»).

Что касается названия данного уровнемера, то лучшим было бы назвать его, как «ультразвуковой уровнемер». Тем более, что зондирующим воздействием в нем является акустическая волна, которая в равной степени могла быть получена с помощью пьезоэлектрического преобразователя.

Измерение времени, прошедшего с момента формирования импульса упругой продольной деформации до момента приема импульсов э.д.с. с обмотки W2, позволяет определить расстояние до местоположения поплавка, а, следовательно, и уровня жидкости.

Разница в конструкциях представляемых уровнемеров наблюдается ещё и в расположении постоянного магнита, его геометрическая конструкция и направление намагниченности относительно оси магнитострикционного зонда. Типовые варианты представлены (обобщены) на рис. 2.20. Постоянные магниты должны своим расположением обеспечить в зоне поплавка наличие по отношению к волноводу продольной составляющей магнитного поля.

Рис. 2.20. Магнитные системы магнитострикционных уровнемеров

Актуальность и обоснованность использования магнитострикционных датчиков в современной уровнеметрии:

• • бесконтактность измерения;
• • наличие абсолютного выходного сигнала;
• • высокая точность;
• • высокая надежность;
• • высокая разрешающая способность;
• • высокая долговременная стабильность;
• • высокая температурная стабильность;
• • нечувствительность компонентов датчика к внешним механическим воздействиям, загрязнению и влажности;
• • возможность полного интегрирования встраиваемого датчика в измерительную систему;
• • простота адаптации к измеряемому диапазону;
• • возможность получения любого типа интерфейса;
• • возможность детектирования линейных и нелинейных положений, включая (не исключая) криволинейные, угловые, многооборотные (свыше 360 град)

Среди производителей магнитострикционных уровнемеров заметное место занимают многие российские и зарубежные фирмы. Это:

Temposonics (США); Micropulse BTLS (Германия); Gefran ТК1 (Германия); Turck (Германия); Balluff (Германия); KSR — Kuebler; АТ 100 (К-ТЕК); ДУУ-4, ДУУ-6. ЗАО «Альбатрос» (Россия); «Новинтех» (Россия); НПП «Сенсор» (Россия); Schlumberger Industries (Франция) и другие.