磁致伸缩材料（精选7篇）
磁致伸缩材料 篇1
基于GMM的磁致伸缩特性制造的驱动器(GMA)广泛应用于精确定位、超精密加工、振动主动控制等领域,特别是在电-液控制中,GMA充分体现了电能-机械能转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性高、驱动方式简单等特点。从工程应用的角度看,GMM最重要的特性参数是磁致伸缩系数λ和轴向磁机耦合系数k33。因此,在超磁致伸缩高速响应电磁阀的设计研究中,需对λ和k33进行测量[1,2]。
1磁致伸缩系数的测量方法
磁致伸缩系数是反映GMM在外加磁场激励下产生磁致伸缩应变大小的度量,其表达式为:λ=Δl/l。其中:Δl为GMM长度的变化量;l为GMM的长度。λ:受外加激励磁场和预压力的影响比较明显,常见的测量方法有电阻应变片测量法、差动电容式测量方法、迈克尔逊干涉测量法、微位移传递法等[3,4]。
1.1电阻应变片测量法
这是一种将磁致伸缩形变转化为应变片电阻变化的测量方法[5]。如图1所示,将电阻应变片牢固地粘贴在GMM棒上,GMM棒在磁场的作用下,产生的应变Δl/l转化为电阻应变片的电阻变化ΔR1/R1,有ΔR1/R1=KsΔl/l,Ks为电阻应变片的灵敏系数。通过测量电桥端点C,D间的电压即可推导计算磁致伸缩系数λ,即:
取R1=R2=R3=R4=R0,当R1变化为R1+ΔR时,因ΔR远小于R0,则:
1.2差动电容式测量方法
如图2(a)所示,GMM棒在磁场作用下产生的磁致伸缩变形将导致电容C1、C2的容量一个变大,另一个变小,形成差动变化。如图2(b)所示,将C1、C2作为各变换振荡器的回路电容,通过测量变换振荡器产生的不同频率信号输出即可计算电容量的变化。未加激励磁场时,使C1=C2=C0,振荡频率为f0,当加激励磁场时,由于电容变化,此时振荡频率f可表示为:
对差动式平板电容器有:
因此,只要测出施加激励磁场前后的振荡频率变化,即可获得λ的值。
1.3迈克尔逊干涉测量法
迈克尔逊干涉法测量磁致伸缩的测试原理如图3所示[6]。光源(激光器)发出的激光束被分光镜一分为二,一束射向与GMM棒相连的反射镜M1,一束射向固定反射镜M2。当线圈通入直流稳流电流时,GMM发生微小的位移变化,从而引起M1的位置发生变化,干涉仪的一个臂长也随着发生变化,干涉条纹发生相移,光电计数探头计数移出的干涉条纹数,便可算出磁致伸缩系数λ,即:
式中:n-移出的干涉条纹数λs-光的波长
M1—动反射镜, M2—固定反射镜, G1—分光
1.4微位移传递法
此测量方法是利用应变式微位移传感器,测得GMM棒的位移变化量来计算λ。参考文献[7]介绍了一种应变式微位移传感器,如图4所示,它由敏感轴接触被测位置,当被测位置有位移发生时,则该敏感轴将被测位置处发生的位移量传到由磷铜片制成的悬臂梁上,使该悬臂梁的形态发生变化,由形变产生应变,应变信号通过粘贴在梁上的应变片转变为电阻的变化,悬臂梁的左边粘贴了同型号的应变片作为补偿片,以抵消环境温度和磁场对应变片阻值的影响,这两片应变片同时通过引线端子输出作为交流电桥的2个臂而构成交流桥式应变仪。由于该悬臂梁所产生的应变量大小与敏感轴所探测到的微位移量成正比,因此在实际使用该传感器的过程中,只需要在测量之前将该传感器与附带的应变仪相连接,然后进行调零,就可直接进行测量[7]。
1.5几种测量方法的比较
(1)电阻应变片测量法:
灵敏度高,测量范围大,适合静、动态测量;且装置价格便宜、结构简单,尺寸小,重量轻,使用方便,性能稳定可靠。但应变片法也有若干缺陷,主要表现在必须保证样品与应变片良好粘合;必须消除电动势和热电势的影响等。是实验室常用的一种测量方法。
(2)差动电容式测量法:
温度稳定性好、抗干扰能力强、动态响应好;但电路复杂、频率的非线性难于补偿。此方法是比较理想的动态测量方案,在工程材料测量中有广泛应用。
(3)迈克尔逊干涉测量法:
参数变换和误差环节少、精度高,该测量系统具有较高的灵敏度,但样品的安装及光路的调整很不方便,对操作者的实验技能要求比较高,在科学实验中常用此方法。
(4)微位移传递法:
这种微位移传感器的优点在于不需要根据测量样品来更换应变片,也能节约测量成本。但由于机械传递带来的测试误差,精度比较低,灵敏度只有 10-5,所以只适合测量大磁致伸缩材料。
2轴向磁机耦合系数k33的测量方法
轴向磁机耦合系数k33是衡量超磁致伸缩材料磁能与机械能相互转换效率的重要性能参数,它与材料的机械运动方式有关,下面介绍k33的两种测量方法[8]。
2.1三参数测量法
通过磁致伸缩本构方程可导出单向应力下磁机耦合系数的计算公式,即
式中:d33—压磁系数;sH—柔顺系数;μ33—增量磁导率;μ0—真空磁导率
此方法需要测定电磁场与应力场共同作用下的其它参数,因此测量过程比较复杂,误差大。
2.2频率共振测量法
此方法是利用磁致伸缩材料在磁场的作用下发生谐振这一现象,通过测量含超磁致伸缩材料线圈的复数阻抗变化,记录其谐振频率和反谐振频率,以此来求得磁机耦合系数。谐振频率和反谐振频率分别为线圈复数阻抗最小和最大时的频率。若fr和fa分别为测得的谐振和反谐振频率,则细长棒状稀土超磁致伸缩材料磁机耦合系数相应的计算公式为:
此方法简便,误差小,但是由于稀土超磁致伸缩材料的磁导率小,漏磁严重,因而导致当线圈已处于谐振及反谐振状态时稀土超磁致伸缩材料不一定同样处于谐振及反谐振状态。将应变片粘贴在试样表面,通过直接监测应变信号幅值的变化来确定谐振及反谐振频率即可避免这一误差,回避测量线圈复数阻抗的不准确性[9]。
3测量装置
在参考文献[10]中介绍的一种超磁致伸缩材料棒的特性参数测量装置。如图5所示,该装置集驱动、施加预压力、磁场测量、预压力测量、应变测量于一体。其工作原理如图6所示,磁通计测量通过探测线圈的磁通Ф,根据公式B=Ф/NA(N—探测线圈的匝数 ,A—探测线圈的面积),可计算GMM内的磁感应强度;电阻应变片将GMM的形变转化为电阻变化;压力传感器感知GMM上施加的预压力。采集卡采集磁通计、电阻应变仪、电荷放大器的信号,然后输入计算机,根据电阻应变片法测量λ和频率共振法测量k33的原理,能够测量不同预压力下磁致伸缩系数λ和轴向磁机耦合系数k33随磁场变化的数值,实现磁场、预压力对λ和k33影响的分析。
4结束语
本文重点介绍了磁致伸缩系数和轴向磁机耦合系数的几种常用的测量方法,并根据上述方法设计了测量装置。该装置采用电阻应变片测量法和频率共振测量法的原理实现了对λ和k33的测量。此装置的优点是结构简单,尺寸小,重量轻,使用方便,性能稳定可靠,但应变片法也有若干缺陷,主要表现在温度对应变片电阻变化的影响,同时必须保证应变片与GMM样品粘合良好。
参考文献
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磁致伸缩材料 篇2
基于磁致伸缩效应制作的超磁致伸缩换能器具有广阔的应用前景,可广泛应用于精确定位、超精密加工、微马达、机器人、减振降噪、声纳及微机电系统等领域,是一类很有潜力的新型换能器[1,2,3]。一个典型的超磁致伸缩换能器包括三个部分[4]:产生磁场的部分、预应力机构和冷却装置。对于磁场的产生部分,交流线圈被用于产生驱动磁场,同时永磁体(有时或者是直流线圈)被用于产生偏置磁场。这三个部分在不同的实际应用中可以有不同的形式。例如,为了减轻整个装置的重量可以移除冷却装置,为了利用磁致伸缩材料的倍频特性而不采用永磁体提供偏置磁场等。这些换能器都与传统的换能器有所不同。本文利用铁镓合金[5]材料设计了双棒型磁致伸缩换能器,两个磁致伸缩棒与上下导磁体形成封闭磁路,与传统单棒型换能器相比,在棒的两侧无需施加磁轭以形成闭合磁路,简化了换能器的结构,降低了温升损耗。同时铁镓材料与其他智能材料(Terfenol-D[6],压电陶瓷[7])普遍易脆不同,铁镓具有独特的机械性能,脆性小,可以热轧、焊接,具有良好的抗拉强度,能承受转矩、冲击等机械载荷等优点。
1 理论分析
根据磁致伸缩效应,磁致伸缩棒在外加激励磁场作用下将产生应变,从而使磁致伸缩换能器产生输出位移,使电磁能转化为机械能。超磁致伸缩棒的轴向应变和磁感应强度均与激励磁场强度、材料特性参数和应力状态等直接相关,其外部位移、力输出实际上是磁场—弹性场相互耦合作用的结果。
由磁通连续性定理可知磁致伸缩棒上的磁场强度如公式(1)所示:
其中,HM为磁致伸缩棒中的磁场强度,lM、le1、le2分别为磁致伸缩棒长度、上磁轭的长度、下磁轭的长度,μM、μe1、μe2分别为磁致伸缩材料的相对磁导率、上导磁体的相对磁导率、下导磁体的相对磁导率,N为线圈匝数,I为电流大小。由公式(1)可知,磁致伸缩棒中的磁场强度大小与线圈匝数、电流大小、磁致伸缩棒的长度与横截面积、磁轭的相对磁导率等有关。为使磁致伸缩棒中的磁场强度增大,需分别考虑这些因素对磁场强度大小的影响情况,进而合理选择装置结构尺寸大小。
2 结构设计
2.1 换能器的工作原理与基本结构
换能器的工作原理为:激励线圈中有电流通过时,磁致伸缩棒在线圈产生的磁场中;当线圈中的电流发生改变时,磁致伸缩棒会在激励磁场的作用下产生形变从而实现棒伸长和缩短的机械运动,磁致伸缩棒带动顶杆一起运动使换能器产生机械振动,实现位移和力的输出,使电磁能转化为机械能[8]。
磁致伸缩换能器结构示意图如图1所示,该换能器由磁致伸缩棒、上下导磁体、线圈、上下端盖、外壳组成。
2.2 结构尺寸设计
2.2.1 磁致伸缩棒设计
由于换能器的输出依靠GMM棒的应变量,故磁致伸缩棒的长度的确定取决于对输出位移的要求。
由公式l=Δl/λ,l为磁致伸缩棒的长度,Δl是磁致伸缩棒的伸长量,λ为磁致伸缩率,由此可以计算得到磁致伸缩棒的长度为45 mm。
当导体通过交变电流时,要考虑涡流损耗的影响。常用透入深度来分析,如公式(2)所示:
由公式(2)可以得到透入深度h与驱动频率f、电导率ρ、磁导率μ成反比;设计磁致伸缩棒时,要使棒的厚度小于透入深度,所以要对磁致伸缩棒进行切片处理,切片厚度为1 mm,使装置可以在3 000 Hz正常工作。
2.2.2 线圈尺寸设计
线圈为换能器提供激励磁场,线圈几何尺寸的设计决定换能器性能。线圈轴线上的磁通密度为[9]:
其中,α=a2/a1,β=lr/2a1,a1为线圈内径,a2为线圈外径,lr为线圈高度。
令
对需要的H,图2中直线附近的α、β值较小,可以最大限度地减小结构尺寸。
线圈损耗功率为P=ρa1H2/cj2,ρ为线圈电导率,c为截面形状因子,j为与线圈几何形状有关的因子,如公式(4)所示:
综合考虑结构尺寸与线圈损耗功率,选取α=3,β=2。对直径为10 mm的磁致伸缩棒,相应的电磁线圈优化尺寸为内径6.5 mm,外径19.5 mm,长度26 mm;但根据磁致伸缩棒尺寸,以及提高磁机耦合率两方面考虑,确定线圈厚度为13 mm,长度为45 mm。
3 有限元仿真分析
有限元法是一种常用的高效能计算方法,计算准确度很高,适应于多种的复杂的形状,一定程度上解决了实际问题难以得到准确解的难题,所以有限元方法在工程设计与分析领域应用性非常高[10]。利用有限元软件计算换能器的谐振频率,并对换能器的输出特性进行仿真分析,验证结构设计的合理性。
3.1 磁场分析
本文设计了双棒型磁致伸缩换能器,两个磁致伸缩棒与上下导磁体形成封闭磁路,与传统单棒型换能器相比,在磁致伸缩棒的两侧无需施加磁轭以形成闭合磁路,简化了换能器的结构,降低了温升。图3为装置整体结构的磁通密度图,图中颜色越深代表磁通密度值越大,图中箭头方向代表磁通流向。由图3可以看出,磁通几乎全部降落在封闭磁路中,磁致伸缩棒中的磁场较大,漏磁较少,磁致伸缩棒上的磁通量可达1.3 T。
3.2 结构参数优化设计
对磁致伸缩换能器的基本结构参数进行确定后,将分别分析公式(1)中结构参数的大小对换能器磁通密度的影响,由此确定换能器的最优尺寸。
导磁体尺寸大小对磁致伸缩棒上磁通密度有影响,合理选择导磁体尺寸既可以减小装置尺寸,又可以得到较好的输出性能。图4为上下导磁体的相对磁导率不同时磁致伸缩棒轴向磁场的分布图,由图4可知,随着导磁体相对磁导率的增加,磁致伸缩棒的轴向磁通密度值也越大;但是随着相对磁导率的增加,磁通密度增加的幅值逐渐减小。当导磁体的相对磁导率在3 000 H/m以上时,磁致伸缩棒中心点的磁通密度达到1.32 T,磁场分布均匀,基本处于饱和状态,所以选择相对磁导率较高的硅钢片可以满足设计要求,达到最大输出特性。
图5显示导磁体厚度分别为8、10、12 mm时磁致伸缩棒轴向磁通的大小。
由图5可以看出,随着导磁体厚度的增加,磁致伸缩棒的磁通量也逐渐增加,增加的幅值也逐渐减小。但是导磁体厚度的增加将使装置结构尺寸增大,不满足设计要求;因此,综合考虑装置的体积大小与磁通密度的大小,选择厚度为10 mm的导磁体。
图6所示为磁致伸缩棒轴向磁通密度随直径的变化图。
由图6可知,随着磁致伸缩棒的直径逐渐增大,磁通量减小,与公式(1)的计算结果一致。由于磁致伸缩棒的输出力与横截面积的大小具有线性关系,并且换能器的应变能力应至少达到磁致伸缩材料饱和应变量的一半,所以对于输出力有一定要求。综合考虑输出位移与输出力的要求,选择磁致伸缩棒的直径大小为10 mm。
为方便利用有限元软件计算换能器结构参数对磁致伸缩棒得磁通密度的影响,利用有限元软件comsol设计了界面友好而简化的用户操作界面,该操作界面由图7所示。图7左上方为换能器的结构尺寸,右方为运行按钮,下方为图形显示窗口,分别显示所设计装置的基本结构大小,磁致伸缩棒的轴向磁通密度。用户可以按照不同需求,输入不同的结构尺寸参数,点击计算按钮,图形下方会重新计算新结构的几何形状和轴向磁通密度图。操作人员不需掌握其中的物理过程与施加条件,使得非本专业人士也可以方便快捷地根据自身需求改变装置尺寸参数,进行结构设计,为换能器的计算分析提供了方便。
4 结语
本文通过磁通连续性定理,得到换能器的输出位移与导磁体的相对磁导率、截面积、磁致伸缩棒的横截面积及线圈匝数等有关;并且随着导磁体的磁导率、截面积、线圈匝数以及磁致伸缩棒的横截面积逐渐增大,换能器的输出位移也相应增大。由公式(1)的理论,对影响换能器输出位移的结构参数进行仿真分析,得到当导磁体的相对磁导率在3 000 H/m以上时,磁致伸缩棒中心点的磁通密度达到1.32 T,基本处于饱和状态;综合考虑装置的体积大小与磁通密度的大小,选择厚度为10 mm的导磁体;综合考虑输出位移与输出力的要求,选择磁致伸缩棒的直径大小为10 mm。为方便利用有限元软件计算换能器的结构参数对磁致伸缩棒的磁通密度的影响,利用有限元软件comsol设计了界面友好而简化的用户操作界面。
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磁致伸缩换能器驱动电路设计 篇3
磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料及线圈组成的。磁致伸缩材料是一种新型功能材料, 具有比压电材料高数十至数百倍的磁致伸缩应变值, 并且有输出功率大、微秒量级响应速度、工作频带宽等优异特性, 因而广泛地应用于电子机械、办公自动化装置、仪器仪表、 减振降噪系统等领域。
用磁致伸缩材料制成的换能器具有以下优点: (1) 具有较高的能量转化效率, 在静磁场下, 磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩应变是镍的30倍或PZT (压电换能器) 的3-5倍, 在谐振的情况下, 比静态应变还要高出数倍; (2) 具有非常快的响应速度, 磁致伸缩材料响应时间小于1μs, 器件的响应时间主要取决于驱动电路信号的频率, 约为10μs左右; (3) 具有性能稳定特性, 一般说来磁致伸缩材料的居里温度较高, 不会出现高温极化现象, 而且使用磁致伸缩材料制作的换能器可以在较低电压下工作, 不容易出现PZT换能器的高压击穿故障; (4) 具有宽频带响应特性, 工作频率范围可以从几十赫兹到几十千赫兹。
由于磁致伸缩换能器具有以上特点, 因此在工业管道除垢领域得到了广泛应用。在国外磁致伸缩换能器驱动电路比较成熟, 特别是俄罗斯、日本及欧美已经广泛应用于工业除垢领域, 现阶段国内磁致伸缩换能器驱动电路主要存在功率小, 频率固定不可调等问题。文章设计的驱动电路解决了功率小, 频率不可调等问题, 与磁致伸缩换能器组成了工业管道除垢装置具有无污染、不需要拆卸、操作方便简单、可在线工作等优点, 具有广泛的应用前景。
2磁致伸缩换能器的驱动电路设计
2.1 STM32信号产生电路
文章驱动IGBT (绝缘栅型晶体管, Insulated Gate Bipolar Tran- sistor) 的信号是由STM32f103zet6来完成的, STM32f103zet6是意法半导体公司生产的一款32位单片机, 该芯片具有精度高, 成本低廉, 功耗小, 性价比高, 可以高达512K的数据存储能力, A/D转换速度更快更精确等优点。它具有72MHz的高速处理能力, 7个DMA控制器, 2个12位ADC, 多达16路的PWM (脉宽调制, Pulse-Width Modulation ) 输出等功能, 文章使用它产生两路互补带死区的PWM信号, 并且通过按键可以改变PWM信号的频率 (频率在5k-30k) , 数码管的作用是显示当前的频率。
2.2 IGBT的驱动
文章使用IGBT作为换能器驱动电路的功率元件, 是因为其具有耐高压及大电流特性, 高输出功率满足了换能器对大能量的要求。因为IGBT大多数情况下应用于高压、大功率场所, 所以整个控制电路与驱动电路在电位上需要完全隔离。隔离的方法一般有两种。第一种是采用光电耦合器进行隔离。优点是:体积小、结构简单、 应用方便、输出脉宽不受限制, 缺点是:共模干扰抑制差、响应时间较长、不适用于高频情况下, 并且辅助电源需要相互独立隔离。第二种是采用变压器进行隔离。优点是:响应时间短, 具有较好的共模干扰抑制效果, 缺点是:信号的传输会受到磁芯饱和特性的限制、制作工艺复杂。
文章设计的IGBT驱动电路采用第二种方方法, 其中Q1~Q4组成变压器初级驱动电路, 工作原理为Q1、Q4和Q2、Q3的轮流导通, 将驱动信号加至变压器T1的初级, 变压器的次级通过电阻R1、并联的二极管与IGBT的栅极相连, R1、R2的作用有两个: (1) 防止IGBT栅极开路。 (2) 提供充放电回路。为了提高IGBT的开关速度, 在R1上并联了加速二极管。过高的栅射电压可能导致击穿栅极, 因此在栅极端加了稳压管VS1、VS2, 目的是限制加在IGBT栅极电压。
2.3 IGBT半桥逆变
因为磁致伸缩换能器中的高频线圈需要通交流电, 所以文章需要将直流电转换成交流电来驱动换能器。文章采用了IGBT半桥逆变, 与IGBT全桥逆变相比具有电路简单, 成本低优点。电路的工作过程大体可分为三个阶段:第一阶段:IGBT-1导通, IGBT-2关断, 此时线圈两端的电压为母线电压的一半, 电流方向由A到B。第二极端:IGBT-1关断, IGBT-2关断, 此时没有电流。第三阶段:IGBT-2关断, IGBT-2导通, 此时线圈两端的电压基本上也为母线电压的一半, 电流方向由B到A, 通过三个阶段的工作把直流电转换为交流电。为了满足加载负载上的流过的正向电流和反向电流一样, 选择电容C1, C2时量满足C1=C2。
图1是流过负载L1的仿真波形图。从图中可知电流的峰值大约为0.48A, 其中直流电压VCC为200伏、C1和C2的值为220μF, L1为100Mh, 驱动信号的频率为10K。
2.4电源
文章所需要的电源有:STM32工作所需的3.3V直流电源, 驱动IGBT所需的30V直流电源和半桥逆变所需的200V直流电源。3.3V直流电、30V直流电及200V直流电都要经过变压器变压, 全桥整流和LC滤波。图2是产生直流200V的电路图。
3结束语
文章实现了应用于工业管道中的磁致伸缩换能器的电路设计, 输入电压为交流220V, 功率100W, 该装置具有输出功率大、驱动信号频带宽、适应性好 (频率可调) 等特点。由该驱动电路和磁致伸缩换能器组成的工业管道中除垢装置, 取得了良好的除垢效果。
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散布式磁致伸缩平板扬声器研制 篇4
超磁致伸缩材料(GMM)是一种实现电-磁-机械能转换的磁致伸缩材料,具有输出功率大、响应速度快、工作频带宽等优异特性,在声纳及噪音抑制方面得到了广泛的应用。GMM音频驱动器可以把音频电流转化为音频机械振动,通过功放和音源就可以推动硬质平板如天花板、地板、书桌、玻璃等,使其发声[1]。目前,国内外对这种超磁致伸缩材料扬声器的研制均停留在单点驱动或是采用GMM扬声器和传统扬声器相结合的方式。由于GMM驱动器声能转换效率不高,使GMM平板扬声器在音质和频响上与传统扬声器均存在一定的差距。仅仅提高功率放大器的输出功率并不能改善GMM驱动器扬声器的音质和声能转换效率。
随着NXT散布式多点激励技术的出现,平板扬声器技术得到了快速发展。本研究主要介绍散布式磁致伸缩平板场声器的研制。
1 超磁致伸缩平板扬声器工作原理
目前普遍采用的电动式扬声器是利用电磁效应激励音圈,再驱动锥形音盆振动发声。NXT扬声器也是通过音圈进行电磁转换,不同的是用特殊材料制成的平板代替锥形音盆振动发声[2]。超磁致伸缩平板扬声器则是通过驱动器直接推动音板进行振动发声。
如图1所示,当音频设备输出的模拟音频电流通过电磁线圈时,会使驱动器内部磁场发生变化,超磁致伸缩棒会产生相应频率的轴向伸缩(纵向振动),并且在一定的磁场变化范围内具有近似线性关系,通过输出杆将此机械振动(纵波,亦即声波)传给音板,音板就会代替传统音箱中作刚性活塞运动的振膜,通过弯曲振动的形式向周围空气中辐射声波,从而达到声音回放的目的[3]。
2 超磁致伸缩平板扬声器阵列原理与方式
2.1 阵列原理
阵列是由若干个阵元按照一定的几何结构排列而成的系统,如果阵元为传声器或扬声器,该阵列称之为声阵列[4]。根据阵列理论,将若干个音频驱动器按照一定的阵列方法布阵在散布式扬声器的音板上,可以使每个驱动器的振动在音板上叠加而发生共振,并且控制阵列中各阵元的输入信号的延迟时间,可以使扬声器在大范围内产生立体声,达到预期的空间混响效果[5,6,7]。
描述小振幅声波传播规律的波动方程式从数学上讲是线性方程,反映了小振幅声波满足叠加原理。本研究先以两列波的叠加为例,然后再推广到多列波的情况。
假定两列声波具有相同的频率、固定相位差,当它们在空间相遇而互相叠加,这两列声波就会产生干涉现象,被称为相干声波。设到达空间某位置上两列声波可分别表示为:
设它们的相位差φ=φ2-φ1不随时间变化,当然φ可以随位置而异。
则两列声波的合成声波的平均能量密度为:
式中
式(2)表明声场中各位置的平均能量密度与到达该位置时的相位差有密切关系。当两列声波叠加后,平均能量密度并不是简单地等于两列声波各自平均声能密度之和,而与它们的相位差有关。如果p1a=p2a并且相位差为±π的偶数倍时,则合成声波幅值为每列声波幅值的2倍,而平均能量密度为每列声波的4倍,而在另一位置声波会互相抵消[8]。
显然,此结论可以推广到多列声波同时存在的情况。
2.2 阵列方式
平板扬声器主要为线阵列和面阵列。线性阵列即多个驱动器的中心位于同一条直线上、间隔紧密,且每个驱动器具有相同的灵敏度。超磁致伸缩音频驱动器在音板上的排列,如图2所示。
3 结构设计
散布式磁致伸缩平板扬声器由超磁致伸缩驱动器、音板、底座等组成。
3.1 GMM驱动器
超磁致伸缩(GMM)音频驱动器是GMM平板扬声器的关键部件,它的性能直接影响平板扬声器音量、音质的好坏。它的基本结构主要包括超磁致伸缩棒、线圈、线圈骨架、永久磁铁与输出杆等。GMM棒为核心驱动元件,通过输出杆向外输出位移和力,实现电-磁-机械能的转换。
本研究设计了一种新型的超磁致伸缩音频驱动器,如图3所示,驱动器由电磁线圈、骨架、第1、2偏置磁铁、超磁致伸缩(GMM)棒、输出器组成。
偏置磁场影响示意图,如图4所示,从图中可以看出,由两个第1偏置磁铁组成的偏置磁场可以有效地约束由电磁线圈产生地磁力线,进而增强其磁场强度,而使驱动器获得较大的输出力;第2偏置磁铁配置在骨架内侧空间,可使骨架内部的磁场更加均匀。
3.2 音板
音板就像人的声带一样,对于音色、音强、频响均匀性等起着决定性的作用,因此在平板扬声器中的地位仅次于音频驱动器。散布式高保真磁致伸缩平面扬声器的音板的材料可以为木质、有机玻璃等高分子材料、玻璃等硬性材料。木质音板的效果最好,但相对成本也最高,其次是有机玻璃等高分子材料,玻璃是价格较低廉的材料,但音质相对较差。音板的形状可以为矩形、圆形等任意形状,这为发展平板扬声器的艺术化提供了想象。
平板扬声器中音板的尺寸可以设计得较大,不但可以让它的响应向低频端延伸,而且还可以增加中频和高频范围内弯曲振动简正频率的模态密度。通常音板声辐射的音质变差主要是由于简正频率模态密度不够而引起的,因此音板作弯曲振动时,如果有足够的模态密度,其弯曲共振就不会影响声辐射的音质。因此需要寻找合适的音板材料,并进行最佳设计以展宽低频范围。
3.3 设计结果
本研究研制的GMM驱动器选用的每根GMM棒规格为2.5 mm×2.5 mm×10 mm,由台州椒光稀土材料有线公司提供;从艺术性和观赏性上考虑,本研究选用8 mm厚度的玻璃板,长宽为800 mm×400 mm;采用双驱动器线性阵列方式(如图2(b)所示)进行研究,并采用前后双音板,使其两面发声,如图5所示。
由音板4个角点的预紧螺栓通过固定支撑棒对驱动器进行预紧作用和音板的支撑作用。固定支撑棒的材料为有机玻璃、尼龙等纤维材料,通过调节预紧螺栓,来为音频驱动器提供合适的预紧力。
4 扬声器性能测试
本研究选择在噪声低于15 dB的半消声室中进行实验。实验系统,如图6所示。
实验仪器包括测试专业话筒、专业声卡、功率放大器以及装有测试软件的计算机。测试软件通过专业声卡把测试扫频数字信号转化为音频模拟信号传给功率放大器来驱动GMM平板扬声器发声,再由专业测试话筒把得到的音频信号通过专业声卡传回计算机,由测试软件进行音频分析。
把GMM平面扬声器放在半消音室中,通过10 Hz～20 kHz音频扫频来进行RTA测试(如图7所示),从RTA测试图可以看出,扬声器在中高频(300 Hz～16 kHz)声压比较高,而且分布比较均匀,因此听觉效果比较好,在低频300 Hz以内声压衰弱,振幅比较小,因此音频在低频失真比较大。这与玻璃音板有很大关系,因为玻璃材料本身比较硬脆,适合中高频发声,因此需要寻找合适的音板材料,并进行最佳的设计以展宽低频范围。
5 结束语
本研究研制了新型的GMM音频驱动器,采用了双偏置磁场的方法使驱动器内部的磁场更加均匀,并选用了玻璃作为音板进行发声,采用了前后音板使其前后发声,取得了良好的视觉及听觉效果。与单点驱动磁致伸缩平板扬声器相比,散布式磁致伸缩平板扬声器采用超磁致伸缩驱动器与多点驱动相结合的方式,能够使音量提高,音质得到进一步的改善。
本研究对这种新型的多点驱动方式进行了初步的尝试,在驱动器的设计、音板的选择以及功率放大器设计等等方面,今后还需要进行进一步的研究。
参考文献
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磁致伸缩液位计的原理结构及应用 篇5
磁致伸缩液位计是基于磁致伸缩原理设计的, 它由3部分组成:探测杆、电路单元和浮子。浮子装在探测杆上, 内装有一组永磁铁, 它可以沿着探测杆随液位的变化而上下移动。测量时, 电路单元中的脉冲发生器产生的电脉冲沿着探测杆内的波导丝传递时, 伴随电脉冲产生一个垂直于波导丝的环形磁场以光速沿波导丝传递。当脉冲环形磁场与浮子磁铁的固有磁场相遇时, 二者的磁场矢量相叠加形成螺旋磁场, 产生瞬时扭力并在波导丝上形成一个机械扭力波以声速传递返回到电路单元, 在感应线圈两端产生感应脉冲。通过测量出发电脉冲与感应脉冲之间的时间差, 就可以精确地计算出被测液面高度。如果将温度传感器 (热电阻) 装在探测杆内, 就可以同时测定介质温度。
2 特性及优缺点
由以上磁致伸缩液位计的原理结构可以得知, 由于利用非接触的敏感元件, 减少了磨损机会, 所以这种液位计较为可靠耐用。由于安装容易, 调试快捷, 所以安装成本较低。此外, 无须定期维修或重新标定, 不必库存备件。在大致相同或较低的成本下, 磁致伸缩液位计比起其他种类的液位计具有更高的精度和更佳的经济效益。其主要优点如下:
2.1 只需一台仪表便可同时测量产品的液位、界面及温度。既可以作液位计使用, 又可以作界面计使用, 笔者认为这是磁致伸缩液位计最主要的优点。
2.2 精度高, 分辨率优于0.01%FS, 这是用其他液位计难以达到的精度。
2.3 安全性好, 由于采用了本安防爆, 使用安全, 特别适合对化工原料和易燃易爆液体的测量。
磁致伸缩液位计的缺点是:由于在结构上采用了浮球形式, 它不适用于测量高粘度液体以及容易聚合的液体。另外, 当被测液体容易结晶或是含杂质较多时, 浮球容易被卡住而使测量结果不准。
3 工程实际应用
下面我们结合工程实例来探讨磁致伸缩液位计的应用。
3.1 在高精度液位测量中的应用
湖南衡阳莱德生物制剂公司有一台丙烷卧式储罐, 高度为3.3m, 工艺专业要求精确测量液位, 误差要求控制在±5mm以内。以前厂方在罐上装了一台国产北京古大仪表公司生产的超声波液位计。从实际使用效果看, 平时静态地显示液位效果勉强还可以, 但是当物料进出储罐时误差就急剧增大, 无法满足工艺要求。从超声波液位计的原理可知, 它不适合用于工作环境中存在蒸汽等干扰气体的工况, 因此, 更换液位计是必然的选择。开始我们打算上雷达液位计, 从雷达液位计原理来分析, 这种液位计是根据发射电磁波和接受反射回来的电磁波的时间间隔来计算液位的, 若介质为导电介质, 则其能很好地反射电磁波, 介质的介电常数越大, 反射信号越强, 雷达液位计就越适于使用。但是丙烷属于非导电介质, 其介电常数偏低 (εr<1.9) , 如使用雷达液位计测量丙烷的液位, 液位计很可能接收不到足够的反射电磁波信号。雷达液位计比较常用的频率有6.3GHz与26GHz两种, 如用26GHz频率的电磁波测量, 液位计会因回波信号弱造成液位测量不准确;如用6.3GHz频率的电磁波测量, 电磁波甚至会直接穿透丙烷液体层, 从储罐底部返回虚假信号, 以至于完全无法测量。
鉴于这种情况, 只剩下伺服液位计和磁致伸缩液位计可以选择。伺服液位计也是一种很优秀的液位计, 它是基于浮力平衡的原理, 由微伺服电动机驱动体积较小的浮子, 通过力传感器感受浮子的浮力发生变化, 用此时的电机转动角度来计算液位。它也是既可以测量液面也可以测量界面, 精度最高可达±0.7mm, 且不受介质密度变化和蒸汽的影响。但是伺服液位计的价格太贵, 单台购买价格在7万元左右, 业主实在无法接受, 最后我们选用了一台国产磁致伸缩液位计 (美国K-TEK公司的OEM产品) , 价格不到2万元, 安装后重新投产以来, 测量稳定可靠, 误差控制在±3mm (与理论计算出的液位值相比较) , 还可以连续监测介质温度, 节省了一台温度变送器的安装费用, 业主对此极为满意。
3.2 在分层液体界面控制中的应用
海利常德农药化工有限公司的硫磷脂生产工段中, 有一套油水分离装置, 其原理结构如图1所示:
从图中可以看出, 这是一个连续化的生产过程。进料管中的介质是氯乙酸甲酯、水与甲醇的混合物, 物料连续地从分离罐V103的中部进料口流入罐内, 在罐内自然分层。上层的物料是水与甲醇组成的水性组分, 下层的物料是以氯乙酸甲酯为主的油性组分, 中间为混合层, 工艺的要求是水性组分必须从溢流管道流出进入V102储罐;油性组分必须通过液位调节阀LV103进入V101储罐;同时为了防止物料过多, 从分离罐顶部溢出, 还需设置罐内高液位时的报警。
针对这种情况, 笔者选用了一台国产磁致伸缩液位计来实现此功能。如图中所示, 这台磁致伸缩液位计带有2个浮子。由于上部水性组分的密度ρ1为0.95, 下部油性组分的密度ρ2为1.2左右, 故选择液位计上浮子的密度为0.7, 使之悬浮在水性组分上;选择液位计下浮子的密度为1.1, 使之悬浮在罐内的油水混合层中。罐内的液位高度和界位高度通过4~20m A信号与HART协议由屏蔽电缆送进DCS。当油性组分液位下降, 混合层液位随之下降, 液位计通过DCS控制调节阀LV103, 使之开度关小, 使混合层液位恢复正常;当油性组分液位上升, 混合层液位随之上升, 调节阀LV103开度增大, 使混合层液位回复正常值。当罐内整体液位过高时, DCS报警, 提醒操作人员采取措施。这台磁致伸缩液位计探测杆长1.5m, 外套聚四氟乙烯, 测量精度最高为±1mm, 带HART通讯协议输出, 而价格不到1万元。
从以上实例可以看出, 磁致伸缩液位计用于分层液体界面的测量与控制, 无论从实用性还是从经济性角度来考虑, 都是一个非常好的选择。
4 结束语
作为一种较新型的测量仪表, 磁致伸缩液位计相比其它类型的液位计, 具有其自身独特的优势。随着其产品的逐渐普及, 给我们的液位测量工作又增加了一个有力的工具, 上文所述工程实例只是磁致伸缩液位计实际应用中的2个小小的典型案例。笔者相信, 随着技术的不断发展, 磁致伸缩液位计必将在化工生产上得到更加广泛的应用。
参考文献
磁致伸缩材料 篇6
磁致伸缩现象是指铁磁体在外磁场中磁化时,其长度及体积均发生变化,去掉外磁场后,其又恢复原来的尺寸。磁致伸缩材料是实现电磁能—机械能二者能量和信息高效转换的功能材料。自1974年美国的Clark博士发现三元稀土铁合金在常温下的磁致伸缩系数比传统的磁致伸缩材料(如Fe、Ni)大数十倍后,人们把这种新型的磁致伸缩材料称为超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简称为GMM),其商品牌号为Terfenol-D。Terfenol-D是一种铽(Tb)、镝(Dy)、铁(Fe)的三元稀土铁合金,其典型成份为TbxDy1-xFe2-y,其中x代表Tb/Dy之比,y代表R/Fe之比(R代表稀土元素),x一般为0.27~0.35,y为0.05~0.1。Terfenol-D属于智能材料的一种,被视为21世纪提高军工与高新技术的战略性功能材料[1]。
应用超磁致伸缩材料开发的产品已被证明其性能远优于压电陶瓷材料(PZT)等材料器件。以这种材料为驱动元件的电—磁—机转换技术,它具有磁致伸缩应变大(静磁场下饱和磁致伸缩系数达1 600×10-6。是传统磁致伸缩材料的100~250倍,压电材料伸缩系数的2~5倍),机电耦合系数高,能量密度大,响应速度快等优点,在声纳、微位移域、微动力(薄膜材料)和力学传感领域都有良好的应用前景。与压电陶瓷驱动器、形状记忆合金等功能驱动器相比,采用超磁致材料的超磁致伸缩驱动器以其输出力大(可以带负载40 MPa)、响应快(为纳秒级)、位移范围大和驱动方便等特点。在超精密加工、智能结构、振动主动抑制系统中有着广阔的应用前景。它还克服了叠片结构压电陶瓷驱动器的漂移现象,同时由于工作在低压范围内,相对于压电陶瓷在高压下工作带来的防止漏电等要求,具有结构简单的特点[2]。
因而,稀土超磁致伸缩材料在国防、航空航天等各种尖端技术领域应用极为广泛。目前国产超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数大于1 350×10-6。轴向磁机耦合系数K33在0.5~0.7之间。本文依据超磁致伸缩材料特性,研究超磁致伸缩致动器的位移输出特性,揭示超磁致伸缩致动器在不同预压力、不同输入电流、不同温度与输出位移的变化规律,为驱动器的设计、优化与应用奠定基础[1]。
1 驱动器的结构和特性方程
1.1 超磁致伸缩驱动器结构
超磁致伸缩微位移驱动器工作原理为:超磁致伸缩驱动器是利用GMM棒在外部磁场发生变化时,发生相应伸缩变形的规律设计制作的,结构如图1所示。驱动器中的隔板沿轴向把驱动器分为两个区域。隔板右面是激励线圈及其磁场产生区域,GMM棒处在该区域中。当改变激励线圈中的电流时,GMM棒所处区域磁场的大小就会发生变化,从而导致超磁致伸缩驱动器输出GMM的伸缩位移发生变化。进而推动顶杆移动,实现位移和力的输出,完成电磁能向机械能的转换;隔板左面放置GMM棒预压机构,在非工作状态时受到预压弹簧的轴向预压力作用,可使GMM内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列,在外加激励磁场作用时,可以提高GMM的机磁耦合系数和磁致伸缩系数,进而获得较大的轴向磁致伸缩应变,使得驱动器有较大的位移输出量。
控制线圈中的电流就可控制超磁致伸缩驱动器的输出位移和外套孔中部的隔板与输出杆之间在径向上存在一环形气隙,以允许输出杆的轴向运动。气隙与底座、外套、输出杆构成磁路。参考文献[1,2]磁路的设计考虑了以下几个方面:一是尽量缩短磁路,也就是尽量缩短线圈的长度。考虑到线圈两端产生的磁场比线圈中部的磁场弱,线圈的长度应该比GMM棒略长;二是底座与外套之间的磁路连接同时采用轴向和径向两种方式,通过底座的台阶面和轴面分别与外套的端面和孔面相接触来完成;三是隔板孔与输出杆之间的气隙尽量减少,本设计中取为0.15 mm;四是采用铜制拧紧套使磁路在该处分流磁通量很小,保证隔板的磁通量,使得线圈产生的磁场紧密包围GMM棒,在同样的激励电流作用下可获得更大的驱动器位移(力)输出。
根据超磁致伸缩材料的驱动特性及磁路原理[3,4],采用甘肃天星稀土材料有限公司生产的GMM棒,研制了超磁致伸缩微位移驱动器。图1为超磁致伸缩驱动器的结构原理图。驱动器各组成部件的材质和设计参数见表1、表2。
1.2 磁-机本构方程
磁致伸缩材料在预压力和磁场的共同作用下产生磁致伸缩形变,当压力和磁场方向与GMM棒的轴向平行时,忽略横向激励、横向应力和剪切应力的影响,参考文献[1,2]可得到GMM棒轴向上的磁-机本构方程:
其中,S33、B3、T3、H3、d33、sH33、μT33、α、p分别为GMM棒轴向上的应变、磁通量密度、应力、磁场强度、场耦合系数、柔顺系数、磁导率、恒磁声恒应力下热膨胀系数、恒磁场恒应力下热转换系数。若忽略各类能量损失且控制GMM棒工作于恒温状态(即ΔT=0)时,将式(1)和式(2)合并消去H3则可得到:
式(3)中,d33、sH33、μT33都是与材料有关的参数,假定它们为常数,当T3给定,应变S33与磁通量密度B3具有线性关系。磁致伸缩材料内部磁通量分布均匀与否将影响磁致伸缩效果的好坏,分布越均匀,磁致伸缩应变就越佳。
2 驱动器实验研究
2.1 测量系统的组成
图2是超磁致伸缩微位移驱动器的测控系统原理图。该系统通过控制激励电流源输出电流,产生相应磁场,从而驱动微位移驱动器输出位移,输出的位移信号可以通过位移传感器反馈给计算机进行处理。
超磁致伸缩驱动器实验支架用来固定驱动器、压力传感器和位移传感器。由于驱动器的质量比较大,为保持实验系统的稳定性,本实验选择槽式支架结构,如图3所示,这种槽式的支架结构采用钢板焊接而成,它以一个大方槽为主体,然后通过隔板将其分成三个小方仓,分别用于固定压力传感器、驱动器和位移传感器。
按照GMA实验系统原理框图(图2)建立的整个GMA输出位移测量系统[5,6],如图3,图4所示。
2.2 实验结果与分析
2.2.1 激励电流与磁场关系
从图5可以看出,激励电流与产生的磁场保持较好的线性关系,这说明所研制驱动器中的磁路基本无漏磁或漏磁较小。
2.2.2 预压力与静态输出位移的关系
图6为在不同预压力下超磁致伸缩驱动器的位移伸长量。可以看出在输入电流约小于1.35 A时,GMA输出位移随着预压应力的增大而减小,这是由于预压力使GMM棒产生较大的弹性变形;在输入电流约大于1.35 A时,由于GMM棒的磁致伸缩系数随预压应力的增大而增大,使得GMA输出位移也随着预压应力的增大而增大,当预压力超过10MPa时,随着预压应力的增大,输出位移增大并不明显,这是GMM磁致伸缩系数趋于饱和的原因造成的。
同时观察图中曲线的线性区域,能够看出10 MPa预压应力时,GMA的输入—输出曲线的线性区域最大,约为(1~3.8)A;且在10 MPa压力下,伸长量能达到设计要求,因而可以确定GMM棒的最佳预压应力为10 MPa。
从图6中还可以看出,输入电流在(1.5~3.2)A之间时,不同压力下的输出位移的线性度均较好。而其他段的线性度一般,这是磁场分布的不均匀和磁致伸缩系数的非线性共同造成的。
因此设计超磁致伸缩驱动器时,必须选择合适的预压力,而且注意防止漏磁。
2.2.3 动态位移实验
为测得驱动器的动态位移输出特性,用正弦电流作为驱动器的激励电流。图7为在电流频率为100 Hz、电流为3 A时,测得驱动器动态位移输出曲线。在该条件下进行3次测量,每次都可以得到一条时间-位移的正弦曲线,3条曲线绘在同一个图上。由图可以看出动态输出位移的重复精度很好,在曲线的波波谷,其波形有些失真,这说明输出位移方向改变存在磁滞效应。
2.2.4 驱动器温度特性实验
驱动器温度特性实验是激励电流为1 A、2 A、3 A时,在最佳预压力10 MPa时,驱动器保持连续通电,测得其温度变化以及其输出位移的变化。
经过分析知GMA热源主要来自于电磁线圈通电发热、机械滞回效应以及超磁致伸缩棒伸缩时与周围摩擦生热等。
从以上实验数据可知,在大电流、长时间的工作场合,必须对GMA进行温控,才能保证驱动器输出稳定。驱动器若在长时间内工作时,温度对其影响比较明显,此时就必须采取温控措施(给驱动器通恒温水),使得驱动器工作在热平衡状态,消除驱动器因发热而产生的位移输出。
3 结论
根据超磁致伸缩材料磁-机转换原理,研究并设计制造了超磁致伸缩驱动器,为获得GMA位移输出特性,建立了测试实验系统,并获取相关实验数据。实验结果表明:在驱动器没有预压时,输入电流在(1.5~3.2)A之间时,输出位移的线性度较好;GMM棒的最佳预压应力约为10 MPa;输出位移方向改变存在磁滞效应;在大电流、长时间的工作场合,必须对GMA进行温控。本文所研制的超磁致伸缩驱动器基本满足应用的性能要求,试验内容和方法为超磁致伸缩驱动器的应用提供了依据。
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磁致伸缩材料 篇7
在初期我们使用浮筒液位对液位进行测量, 但是在动态过程当中, 大多数的浮筒液位计在测量液位时反复的存在着以下几个问题。
(1) 由于液体比重的变化引起了严重的输出误差。
(2) 由于有的物料具有腐蚀性导致浮筒扭力管焊接处的渗透泄漏而引起输出误差。
(3) 物料积聚在扭矩管或浮子上导致输出偏低或滞后。对于容器中多种介质界面的测量我们常应用差压变送器对其进行测量但是由于物料比重的变化引起了严重的输出错误。针对以上在生产当实际中存的问题, 我们初期提出了多种解决方案但是在界面测量的问题中出现了较大误差, 造成了较大损耗。
基于这种背景, 我们对此进行反复分析、实践, 终于成功地用磁致伸缩式液位计解决了这一难题。
1 磁致伸缩液位计的结构特点及其工作原理
1.1 磁致伸缩液位计的构成
磁致伸缩式液位计是一种可对动态系统中的连续液位、界面进行测量, 并提供用于监视和控制模拟信号输出的高精度测量仪表, 由360度内磁浮子;传感器 (压磁传感器和磁致传感管) :塑封全智能化电子装置组成。液位计的核心部分是由一定的磁致伸缩物质构成的波导管。
1.2 磁致伸缩液位计的工作原理
磁致伸缩意指一些金属 (如铁或镍) 在磁场作用下具有伸缩能力。磁致伸缩的原理是利用两个不同的磁场相交时产生的一个应变脉冲信号, 然后计算出这个信号被控测所需的时间周期, 从而换算出准确的位置。这两个磁场一个来自活动永磁铁, 另一个则来自由传感器的电子部件产生的电流脉冲 (该电流脉冲同时产生一个磁场) 即“询问信号”。当“询问信号”同波导管上的浮子内的永磁体所产生的磁场相交时产生相互作用, 波导管发生磁致伸缩现象, 产生一个应变脉冲我们称之为“返回信号”。从产生询问信号的一刻到返回信号被控测到所需的时间周期乘以固定的声音速度, 我们便能准确的计算出磁铁的位置变化。由于输出信号是一个绝对值, 而不是比例的或需要再放大处理的信号, 所以不存在信号漂移或变值的情况, 所以此类仪表不必和其他类型的位移传感器一样需要定期重新标定。其工作原理如图1所示。
2 单法兰变送器与磁致伸缩液位计测量界面的分析、比较
争对工艺装置的运行及生产特点, 过程控制工艺参数的检测要求选用高精度、维修少以及成本合理的变送器是首要考虑的因素, 由于磁致伸缩变送器具有高精度, 测量范围广, 耐高温, 耐高压的特点, 因此几乎适用于所有的过程控制应用。同时这类仪表可选用HART, Honywell DE, FF现场总线通讯协议与上位系统进行数字连接。
2.1 单法兰变送器的界面测量
在化工生产当中反应器以及储罐的界面的测量是一个难点。如图2是本装置当中二氯乙烷储罐液位测量示意图。该储罐下面是二氯乙烷液体, 由于二氯乙烷在常温下易气化故需要对二氯乙烷和大气进行隔离。在其上面是液封 (本装置当中采用水作为液封) 。由于二氯乙烷的密度比水大, 所以两种物料会自动分离。这个液位值必须精确控制在一定的范围内, 否则会造成二氯乙烷气化使储罐周围区域存在严重的安全隐患。对于该储罐我们一直采用单法兰变送器对界面进行测量。其测量原理如图2所示。
采用单法兰变送器测量, 差压变送器测量时要用水的密度和二氯乙烷的密度来确定差压变送器的零点和量程, 而这两个值都是通过理论计算出来的。如图2所示, 当该储罐全部充满轻介质即水的时候该变送器LT1的零点 (P1) 。
ρ2为水的密度;
h2为该储罐的高度;
P0为大气压力。
当该储罐中全部充满二氯乙烷时该储罐的压力为该变送器的量程 (P2) 。
ρ2为二氯乙烷的密度;
h2为该储罐的高度;
P0为大气压力;
其误差原因分析如下。
(1) 在实际储罐中上面的水中含有部分二氯乙烷, 下面的二氯乙烷中也含有部分水, 且在水与二氯乙烷的界面处存在这一个过渡层, 该过度层的厚薄不一、且该过渡层的密度也是不确定的。由于上述原因实际两种物质的密度和理论值存在着误差。因此, 上述理论计算公式中的ρl、ρ2是一个不确定的值, 由于密度的变化造成了变送器的测量值存在较大的测量误差。
(2) 该储罐不可能出现全部充满二氯乙烷的时候, 二氯乙烷在常温下会被气化。若出现此种情况储罐中的二氯乙烷将被气化对周围环境造成严重的的安全隐患, 同时操作人员对该液位也不好控制。
(3) 此测量方式的测量精度低, 所测得的液位误差较大。抗干扰能力差, 液位波动较大, 工艺操作难度大。
根据以上原因的分析为了安全及测量准确度的考虑我们对该储罐液位测量进行实地观察, 研究, 反复论证发现该测量方式在一定的条件下是不能满足测量界面的目的。
2.2 磁致伸缩液位计在界面测量当中的应用
争对单法兰液位计在测量界面方面存在测量精度低, 误差大, 抗干扰能力差等缺点。由于磁致伸缩变送器具有高精度, 测量范围广, 耐高温, 耐高压的特点, 采用磁致伸缩液位计进行测量该界面。其测量原理如图3所示。
根据该储罐的上下两种介质的实际密度确定磁致伸缩式液位计的浮子的密度, 该密度介于上下两种介质的密度之间, 即浮子的密度ρ2<ρ3<ρ1。由于浮子所处位置的密度是相对固定的, 即含水与含二氯乙烷的百分率是相对固定的, 浮子所受到的浮力也是固定的。根据浮子所受到的浮力和该浮子的重力相等的原理, 浮子将漂浮在所要测量的界面位置。
浮子精确的浮在界面上从而保证了磁致伸缩式液位计的高精度测量。同时磁致伸缩液位计上再加装一个浮子就可以同时测量水封的高度。这样不但为工艺提供了精确的界面高度同时还可以提供精确的液封高度。可以使工艺操作人员对储罐内的情况了解的更清楚。
通过以上分析可以看出, 磁致伸缩液位计在界面测量方面不但消除了, 由于介质比重发生变化引起的测量值与实际只存在较大偏差的问题, 在测量精度方面也大大地提高了, 为工艺操作人员提供了更为准确的界面及储罐内的液位。抗干扰能力强, 工艺操作人员操作方便同时能及时掌握储罐内的具体情况。
3 结语