徐 冬， 李鳳玲， 張 寧， 李寶生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于霍爾開(kāi)關(guān)的磁性浮子式液位傳感器設(shè)計(jì)

徐 冬， 李鳳玲， 張 寧， 李寶生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)傳統(tǒng)的干簧管式液位計(jì)接觸點(diǎn)易產(chǎn)生抖動(dòng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種利用開(kāi)關(guān)式霍爾元件作為敏感元件的液位傳感器，詳細(xì)介紹了其工作原理和設(shè)計(jì)方案，并利用ANSYS軟件對(duì)磁性浮子進(jìn)行了磁場(chǎng)仿真計(jì)算，通過(guò)分析可根據(jù)測(cè)量精度確定所需永磁體大小，簡(jiǎn)化工藝流程，縮減了工作量。該傳感器可根據(jù)需要輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20 mA或數(shù)字通信RS—485，并可配備LED現(xiàn)場(chǎng)指示器，實(shí)驗(yàn)表明：該傳感器具有有效距離大、不易受干擾、響應(yīng)速度快、可靠性高等特點(diǎn)。

霍爾元件； 磁翻板； 液位傳感器

0 引 言

常見(jiàn)的遠(yuǎn)傳液位傳感器是利用磁鐵驅(qū)動(dòng)干簧管吸合改變回路中的阻抗實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的[1,2]，但是這種原理有很多缺點(diǎn)。由于干簧管的觸點(diǎn)和簧片相當(dāng)小而精致，所以難以承受高壓或大電流。電流過(guò)大時(shí)，簧片會(huì)因過(guò)熱失去彈性，接觸點(diǎn)極易產(chǎn)生抖動(dòng)，并且接點(diǎn)接觸電阻大等等。本文設(shè)計(jì)的液位傳感器利用陣列式霍爾開(kāi)關(guān)作為敏感元件感受液位變化，與磁翻板液位計(jì)配合可真正實(shí)現(xiàn)液位現(xiàn)場(chǎng)顯示和遠(yuǎn)傳。磁翻板液位計(jì)是將與磁鐵組成為一體的浮球置于非磁性的金屬管中，浮球隨著管中的液位上升或下降，管外裝有指示單元，指示單元為一系列正面為白色，背面為紅色的磁性翻板組成。翻板受磁性浮球移動(dòng)的吸引而翻轉(zhuǎn)180°，通過(guò)顏色的變化來(lái)指示液體的液位。指示單元還可以做成LED光柱顯示面板，同樣通過(guò)LED光柱顏色變化指示液位，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為液綠汽紅[3]。該液位計(jì)除了本地顯示功能外，還可以配備遠(yuǎn)傳液位傳感器，將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流輸出或者數(shù)字通信RS—485輸出，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和控制。該系列產(chǎn)品特別適合高溫高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕性條件下液位的檢測(cè)。

1 傳感器工作原理

傳感器將與磁鐵組成為一體的浮球置于非磁性的金屬管中，浮球隨著管中的液位上升或下降，管外捆綁著內(nèi)部含有霍爾開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)傳液位計(jì)，當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，與磁性浮子正對(duì)的霍爾元件周圍磁場(chǎng)增大，霍爾開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，其他霍爾開(kāi)關(guān)周圍磁場(chǎng)不變，霍爾開(kāi)關(guān)關(guān)閉。單片機(jī)(MCU)采集控制單元通過(guò)掃描檢測(cè)所有霍爾元件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)即可得到實(shí)時(shí)液位。同時(shí),管壁外捆綁LED光柱顯示面板，將霍爾開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)傳送至LED面板形成本地顯示單元，通過(guò)LED光柱顏色變化指示液位，如圖1所示。

2 傳感器設(shè)計(jì)方案

2.1 電路設(shè)計(jì)

傳感器電路原理框圖如圖2所示。傳感器主要由電源轉(zhuǎn)換電路、霍爾元件組成的測(cè)量陣列、CPU掃描采集控制、多路選擇開(kāi)關(guān)、電流輸出轉(zhuǎn)換等組成。霍爾元件等間距同向排列，并聯(lián)接入電源，多路選擇開(kāi)關(guān)在MCU控制下依次觸發(fā)其中一路霍爾開(kāi)關(guān)，使其處于工作狀態(tài)。當(dāng)某路霍爾開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)，表示該位置即為被測(cè)液位高度。由于每次僅使一只霍爾開(kāi)關(guān)處于檢測(cè)狀態(tài)，因此，共有170個(gè)測(cè)試點(diǎn)的霍爾電路板耗電電流僅為30 mA，外加通信電路，總工作電流不超過(guò)60 mA，真正實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)[4]。

圖2 傳感器電路原理框圖

2.2 磁場(chǎng)計(jì)算

磁翻板液位計(jì)在工程上通常用于鍋爐等大型設(shè)備液位的測(cè)量，因此該液位計(jì)長(zhǎng)度長(zhǎng)，重量大,如若被測(cè)設(shè)備內(nèi)部存在較大壓力，相應(yīng)地需要將液位計(jì)的壁厚增加，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)重量加大，在傳感器調(diào)試階段，需要將浮子內(nèi)部的磁鐵和霍爾開(kāi)關(guān)相匹配，為了避免虛假液位和保證測(cè)量的精確度，必須保證任一時(shí)刻最多只有2個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)。若僅利用試驗(yàn)手段反復(fù)測(cè)試磁鐵和霍爾開(kāi)關(guān)的匹配度，需要多次拆裝液位計(jì),因此需要在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確計(jì)算出霍爾開(kāi)關(guān)周圍的磁通密度，進(jìn)而減少工作量[5,6]。

本文霍爾開(kāi)關(guān)磁性工作閾值(BOP)為175 Gs，間距為10 mm，條形磁鐵與霍爾開(kāi)關(guān)間距為35 mm，如圖3所示。利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)磁鐵的磁場(chǎng)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)磁通密度云圖如圖4所示。提取距離磁鐵中心35 mm的空氣單元節(jié)點(diǎn)磁通密度值，并繪制成曲線(圖5所示)，根據(jù)結(jié)果可知:條形磁鐵大小為φ20 mm×20 mm時(shí)，在距離35 mm處磁通密度最大為245 Gs，位于磁鐵中心處(圖3所示A點(diǎn))，當(dāng)磁鐵處于A點(diǎn)時(shí)，只有它處于工作狀態(tài)，而當(dāng)磁鐵移動(dòng)至B,C位置時(shí)，由于單級(jí)霍爾開(kāi)關(guān)只能感受N級(jí)磁場(chǎng)，故而A,B兩點(diǎn)處霍爾開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)啟。

圖3 霍爾開(kāi)關(guān)與磁鐵位置示意圖

圖4 磁鐵和空氣層節(jié)點(diǎn)磁通密度云圖

圖5 35 mm處空氣層節(jié)點(diǎn)磁通密度趨勢(shì)

磁鐵大小確定后，根據(jù)阿基米德定律計(jì)算出浮子的高度，保證磁鐵的中心位置與水面處于同一位置，可根據(jù)式(1)計(jì)算得到磁鐵在浮子內(nèi)的安裝位置

G=ρgV

(1)

3 測(cè)試結(jié)果與性能分析

按照上述設(shè)計(jì)方案研制生產(chǎn)了一只量程為4 250 mm的液位傳感器，工作電壓24 VDC，標(biāo)定裝置為一個(gè)透明的連通容器，刻度已經(jīng)過(guò)標(biāo)定檢驗(yàn)合格。標(biāo)定時(shí)向連通容器內(nèi)加水至測(cè)試點(diǎn)，記錄電流輸出值，目測(cè)LED顯示面板，并通過(guò)上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)傳感器輸出值，如表1所示。結(jié)果表明：傳感器性能穩(wěn)定可靠，既可輸出4～20 mA電流信號(hào)，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信RS—485輸出，還可進(jìn)行本地顯示。傳感器精度小于等于±10 mm，完全滿足使用要求。

表1 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

磁性浮子式液位傳感器利用霍爾開(kāi)關(guān)替代了干簧管，提升了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，更適合應(yīng)用于惡劣環(huán)境條件下。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用ANSYS仿真軟件等輔助手段較準(zhǔn)確地計(jì)算出磁性浮子的磁場(chǎng)分布，根據(jù)測(cè)量精確度、霍爾開(kāi)關(guān)的磁場(chǎng)強(qiáng)度閾值、霍爾開(kāi)關(guān)到浮子的距離等已知條件計(jì)算出浮子內(nèi)磁鐵的大小，簡(jiǎn)化了工藝流程，減少了工作量。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，同一時(shí)刻僅使一只霍爾開(kāi)關(guān)處于工作狀態(tài)，降低了功耗，避免了虛假液位。

[1] Edward Ramsden.Hall-effect sensors theory and applications[M].Burlington,USA:Newnes,2006：50-100.

[2] Yang Wenrong,Ran Feng.CMOS chopper amplifier for monolithic magnetic Hall sensor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,7(7):439-441.

[3] 金太東，石成江.基于陣列式霍爾元件的界位傳感器設(shè)計(jì)與研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(6)：204-206．

[4] 李鳳玲，徐 波，王 冰,等.基于金屬網(wǎng)絡(luò)傳感器的液滴檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(5)：60-63．

[5] 陳棣湘，潘孟春，羅飛路.基于霍爾傳感器的高準(zhǔn)確度磁場(chǎng)測(cè)量方法[J].傳感器技術(shù)，2004,23(2):59-61.

[6] 張克通，王化明.圓柱永磁體磁場(chǎng)及磁力分析[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2010,39(3):161-164.

Design of magnetic float type liquid level sensor based on Hall switch

XU Dong， LI Feng-ling， ZHANG Ning， LI Bao-sheng

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

Aiming at shortcomings of traditional level gauge using tongue tube is easy to produce vibration,and has poor long-term stability,design a novel liquid level sensor using Hall switch as sensitive element.Working principle and design scheme are introduced in detail,and magnetic field of the magnetic float is simulated using ANSYS software.Through analysis,the size of permanent magnet can be determined according to measurement precision,process is simplified and workload is reduced.The sensor can output standard current signal 4～20 mA and digital communication RS—485,according to the need, and it also can be equipped with LED indicator.The experiment shows that the sensor has many characteristics like large effective distance,less interference,fast response rate, and high reliability.

Hall element； magnetic flap； liquid level sensor

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0110—02

2017—01—18

TP 212

A

1000—9787(2017)07—0110—02

徐 冬(1982-)，女，工程師，主要從事特種傳感器的研究工作。