王夢柔，于曉臣，王延朋，張雷

(丹東通博電器(集團)有限公司，遼寧 丹東118000)

磁性浮子液位計是工業(yè)現(xiàn)場常用儀表，包含就地顯示部分與遠傳部分，就地顯示無需電源，顯示部分和介質(zhì)完全隔離，不會因介質(zhì)污染顯示條而使觀測受到影響，不會擔(dān)心因溫度或壓力產(chǎn)生破裂；遠傳部分捆綁于測量管(無磁性)外側(cè)，當(dāng)浮子隨液位上下移動時，將對應(yīng)液位轉(zhuǎn)化為4～20 mA信號，從而實現(xiàn)遠距離檢測或控制。但隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，測量介質(zhì)的工況越來越復(fù)雜，大量程、高可靠性、分層液位測量的需求逐漸增多，針對該情況，需要設(shè)計一款高可靠性的分層液位測量的磁性浮子液位計。

1 磁性浮子液位計工作原理及特點

1.1 工作原理

本文所述磁性浮子液位計由就地指示器部分和遠傳部分等組成，是基于磁耦合原理設(shè)計的新一代液位計。浮子隨液位的變化而升降，根據(jù)阿基米德原理將液位的變化量傳遞給就地指示器部分；遠傳裝置捆綁于測量管外側(cè)，當(dāng)浮子隨液位上下移動時，對應(yīng)于液位值的霍爾開關(guān)受浮子磁場作用而吸合，從而將液位的變化經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成4～20 mA信號從而達到遠傳的目的。

1.2 特 點

磁性浮子液位計的遠傳部分采用霍爾開關(guān)與電阻的串并聯(lián)作為傳感器部分，與傳統(tǒng)的干簧管電阻相比，可靠性更高，不易損壞；霍爾開關(guān)電阻傳感器部分采用軟帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)儀表在現(xiàn)場需要更換傳感器部分時，軟帶結(jié)構(gòu)運輸方便，不易損壞；當(dāng)儀表量程很大時，運輸過程中，傳統(tǒng)干簧管結(jié)構(gòu)容易碎裂，而對霍爾開關(guān)的影響比較小[1]。

霍爾開關(guān)軟帶與測量轉(zhuǎn)換電路的連接采用獨特的電路設(shè)計，使之能完成分層液位測量；具有在霍爾開關(guān)損壞時不影響測量的技術(shù)優(yōu)點，提高了儀表的可靠性與實用性。

2 磁性浮子液位計結(jié)構(gòu)

2.1 機械結(jié)構(gòu)

磁性浮子液位計機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁性浮子液位計機械結(jié)構(gòu)示意

2.2 遠傳部分結(jié)構(gòu)

磁性浮子液位計遠傳部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于霍爾開關(guān)軟帶分層液位測量的磁性浮子液位計遠傳部分包括： 表頭、測量桿和沿測量桿滑動的磁性浮球；測量電路包括液位感應(yīng)單元和測控單元。液位感應(yīng)單元的柔性電路板沿測量桿軸線安裝在管筒內(nèi)，測量桿與表頭密封連接，測控單元安裝在表頭內(nèi)，由內(nèi)部程序控制，感應(yīng)單元采集液位信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由內(nèi)部程序計算，獲得液位值，由表頭顯示器直接顯示，還可通過DAC電路輸出標準的4～20 mA信號[2]，還可以通過HART協(xié)議組態(tài)設(shè)置。

3 磁性浮子液位計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 霍爾開關(guān)軟帶

霍爾開關(guān)軟帶由霍爾開關(guān)芯片和電阻構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 磁性浮子液位計遠傳部分總體結(jié)構(gòu)示意

圖3 霍爾開關(guān)軟帶結(jié)構(gòu)示意

所選霍爾開關(guān)內(nèi)部集成霍爾薄片、信號放大處理模塊、電壓穩(wěn)壓模塊、鎖存模塊、動態(tài)失調(diào)消除模塊以及CMOS輸出級，整體優(yōu)化了線路結(jié)構(gòu)，獲得低的輸入誤差反饋，采用SOT-23封裝技術(shù)減小了軟帶尺寸?；魻栭_關(guān)相比于磁簧開關(guān)具有高靈敏度、高精度、低功耗的特點，并且可以提高開關(guān)質(zhì)量和耐用性，采用軟帶的結(jié)構(gòu)便于運輸和維護,具有高性能和技術(shù)優(yōu)勢[3]。

霍爾開關(guān)采用并聯(lián)連接，電阻之間采用串聯(lián)方式，當(dāng)浮子隨液位上下移動時，對應(yīng)于液位值的霍爾開關(guān)受浮子磁場作用而吸合，從而將液位的變化轉(zhuǎn)換為直流信號?；魻栭_關(guān)為有源元件，需要外部電源供電，柔性電路板可以按不同規(guī)格設(shè)計，若電阻間距為10 mm，則測量精度為±10 mm。柔性電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計大幅提高了電路的穩(wěn)定性。

3.2 分層液位測量原理

傳統(tǒng)磁性浮子液位計只能測量一個液面，基于霍爾開關(guān)軟帶的分層液位測量的磁性浮子液位計采用專利結(jié)果，實現(xiàn)了介質(zhì)分離層液位的測量。分層液位測量原理如圖4所示，主要由遠傳部分實現(xiàn)該功能，其中，霍爾開關(guān)軟帶放在遠傳管內(nèi)，測量電路的測控單元放在表頭內(nèi)部，測控單元主要包含有恒流源和A/D轉(zhuǎn)換器的單片機、HART芯片，其他硬件電路。

圖4 分層液位測量原理示意

測量分層液位時需要2個不同密度的磁性浮子，2個浮子分別漂浮在2個分界面上，霍爾開關(guān)在浮子處閉合。設(shè)磁性浮子液位計量程為h0，霍爾開關(guān)軟帶上所有電阻阻值相同，霍爾開關(guān)間距為h1,輕質(zhì)磁性浮子位于S3處使對應(yīng)的霍爾開關(guān)閉合，對應(yīng)液位記為h2，重質(zhì)磁性浮子位于S5處使對應(yīng)的霍爾開關(guān)閉合，對應(yīng)液位記為h3,則中間層液位h中=h0-h2-h3。

測量過程如下： 首先，單片機內(nèi)部程序控制恒流源IEX0輸出固定值電流，電流通過電阻Rn，R6，再流經(jīng)霍爾開關(guān)S5，最后通過精密采樣電阻R10，A/D轉(zhuǎn)換器采樣對應(yīng)電壓值，與基準電壓U0計算轉(zhuǎn)換為液位高度h3；然后，單片機控制另一恒流源引腳IEX1輸出同樣的電流值，電流通過電阻R1，R2，R3，再流經(jīng)霍爾開關(guān)S3，最后通過精密采樣電阻R10，A/D轉(zhuǎn)換器采樣對應(yīng)電壓值，與基準電壓IR4計算轉(zhuǎn)換為液位高度h2，則中間層液位h中=h0-h2-h3[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于霍爾開關(guān)軟帶的分層液位測量的磁性浮子液位計可靠性高，實現(xiàn)了介質(zhì)分離層的液位工況測量。