基于霍爾開關的磁性浮子式液位傳感器設計

徐 冬， 李鳳玲， 張 寧， 李寶生

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于霍爾開關的磁性浮子式液位傳感器設計

徐 冬， 李鳳玲， 張 寧， 李寶生

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

針對傳統(tǒng)的干簧管式液位計接觸點易產(chǎn)生抖動、長期穩(wěn)定性差等缺點，設計了一種利用開關式霍爾元件作為敏感元件的液位傳感器，詳細介紹了其工作原理和設計方案，并利用ANSYS軟件對磁性浮子進行了磁場仿真計算，通過分析可根據(jù)測量精度確定所需永磁體大小，簡化工藝流程，縮減了工作量。該傳感器可根據(jù)需要輸出標準電流信號4～20 mA或數(shù)字通信RS—485，并可配備LED現(xiàn)場指示器，實驗表明：該傳感器具有有效距離大、不易受干擾、響應速度快、可靠性高等特點。

霍爾元件； 磁翻板； 液位傳感器

0 引 言

常見的遠傳液位傳感器是利用磁鐵驅(qū)動干簧管吸合改變回路中的阻抗實現(xiàn)液位測量的[1,2]，但是這種原理有很多缺點。由于干簧管的觸點和簧片相當小而精致，所以難以承受高壓或大電流。電流過大時，簧片會因過熱失去彈性，接觸點極易產(chǎn)生抖動，并且接點接觸電阻大等等。本文設計的液位傳感器利用陣列式霍爾開關作為敏感元件感受液位變化，與磁翻板液位計配合可真正實現(xiàn)液位現(xiàn)場顯示和遠傳。磁翻板液位計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的吸引而翻轉(zhuǎn)180°，通過顏色的變化來指示液體的液位。指示單元還可以做成LED光柱顯示面板，同樣通過LED光柱顏色變化指示液位，行業(yè)標準為液綠汽紅[3]。該液位計除了本地顯示功能外，還可以配備遠傳液位傳感器，將液位信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流輸出或者數(shù)字通信RS—485輸出，實現(xiàn)遠距離監(jiān)測和控制。該系列產(chǎn)品特別適合高溫高壓、高粘度、強腐蝕性條件下液位的檢測。

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)部含有霍爾開關的遠傳液位計，當被測容器中的液位升降時，與磁性浮子正對的霍爾元件周圍磁場增大，霍爾開關開啟，其他霍爾開關周圍磁場不變，霍爾開關關閉。單片機(MCU)采集控制單元通過掃描檢測所有霍爾元件的開關狀態(tài)即可得到實時液位。同時,管壁外捆綁LED光柱顯示面板，將霍爾開關的輸出信號傳送至LED面板形成本地顯示單元，通過LED光柱顏色變化指示液位，如圖1所示。

2 傳感器設計方案

2.1 電路設計

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、霍爾元件組成的測量陣列、CPU掃描采集控制、多路選擇開關、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，多路選擇開關在MCU控制下依次觸發(fā)其中一路霍爾開關，使其處于工作狀態(tài)。當某路霍爾開關處于開啟狀態(tài)，表示該位置即為被測液位高度。由于每次僅使一只霍爾開關處于檢測狀態(tài)，因此，共有170個測試點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60 mA，真正實現(xiàn)了低功耗設計[4]。

圖2 傳感器電路原理框圖

2.2 磁場計算

磁翻板液位計在工程上通常用于鍋爐等大型設備液位的測量，因此該液位計長度長，重量大,如若被測設備內(nèi)部存在較大壓力，相應地需要將液位計的壁厚增加，勢必會導致液位計重量加大，在傳感器調(diào)試階段，需要將浮子內(nèi)部的磁鐵和霍爾開關相匹配，為了避免虛假液位和保證測量的精確度，必須保證任一時刻最多只有2個霍爾開關處于開啟狀態(tài)。若僅利用試驗手段反復測試磁鐵和霍爾開關的匹配度，需要多次拆裝液位計,因此需要在設計階段準確計算出霍爾開關周圍的磁通密度，進而減少工作量[5,6]。

本文霍爾開關磁性工作閾值(BOP)為175 Gs，間距為10 mm，條形磁鐵與霍爾開關間距為35 mm，如圖3所示。利用大型有限元分析軟件ANSYS對磁鐵的磁場進行分析和優(yōu)化設計，節(jié)點磁通密度云圖如圖4所示。提取距離磁鐵中心35 mm的空氣單元節(jié)點磁通密度值，并繪制成曲線(圖5所示)，根據(jù)結果可知:條形磁鐵大小為φ20 mm×20 mm時，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)，當磁鐵處于A點時，只有它處于工作狀態(tài)，而當磁鐵移動至B,C位置時，由于單級霍爾開關只能感受N級磁場，故而A,B兩點處霍爾開關同時開啟。

圖3 霍爾開關與磁鐵位置示意圖

圖4 磁鐵和空氣層節(jié)點磁通密度云圖

圖5 35 mm處空氣層節(jié)點磁通密度趨勢

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

G=ρgV

(1)

3 測試結果與性能分析

按照上述設計方案研制生產(chǎn)了一只量程為4 250 mm的液位傳感器，工作電壓24 VDC，標定裝置為一個透明的連通容器，刻度已經(jīng)過標定檢驗合格。標定時向連通容器內(nèi)加水至測試點，記錄電流輸出值，目測LED顯示面板，并通過上位機軟件監(jiān)測傳感器輸出值，如表1所示。結果表明：傳感器性能穩(wěn)定可靠，既可輸出4～20 mA電流信號，又可以實現(xiàn)數(shù)字通信RS—485輸出，還可進行本地顯示。傳感器精度小于等于±10 mm，完全滿足使用要求。

表1 傳感器標定數(shù)據(jù)

4 結束語

磁性浮子式液位傳感器利用霍爾開關替代了干簧管，提升了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，更適合應用于惡劣環(huán)境條件下。在結構設計中，利用ANSYS仿真軟件等輔助手段較準確地計算出磁性浮子的磁場分布，根據(jù)測量精確度、霍爾開關的磁場強度閾值、霍爾開關到浮子的距離等已知條件計算出浮子內(nèi)磁鐵的大小，簡化了工藝流程，減少了工作量。在程序設計時，同一時刻僅使一只霍爾開關處于工作狀態(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計與研究[J]．機械設計與制造，2012(6)：204-206．

[4] 李鳳玲，徐 波，王 冰,等.基于金屬網(wǎng)絡傳感器的液滴檢測裝置設計[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確度磁場測量方法[J].傳感器技術，2004,23(2):59-61.

[6] 張克通，王化明.圓柱永磁體磁場及磁力分析[J].電氣技術與自動化，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。