利用霍爾開關(guān)進行磁翻板液位計(液位傳感器)的設(shè)計方案解析

      本文概述：目前在國內(nèi)市場上生產(chǎn)與使用的譬如象磁翻板液位計，浮球式液位變送器都是采用的干簧管進行遠傳信號的傳輸，但是由于傳統(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(shè)計了一種利用開關(guān)式霍爾元件作為敏感元件的液位傳感器，采用此元件生產(chǎn)的液位儀表穩(wěn)定性與精確度都得到了很大的提升。本文介紹了其工作原理和設(shè)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 m A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(yīng)速度快、可靠性高等特點。建議有條件的單位可以加以推廣。
 
0引言
         常見的遠傳液位傳感器是利用磁鐵驅(qū)動干簧管吸合改變同路中的阻抗實現(xiàn)液位測量的，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(shè)計的液位傳感器利用陣列式霍爾開關(guān)作為敏感元件感受液位變化，與磁翻板液位計配合可真止實現(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，浮球隨養(yǎng)管中的液位上升或下降，管外裝有指示單元，指示單元為一系列止而為白色，背而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)1800，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光柱顯示而板，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 ]。該液位計除了木地顯示功能外，還可以配備遠傳液位傳感器，將液位信號轉(zhuǎn)換成4一20 m A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
 
圖1  傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

 2傳感器設(shè)計方案
 2.1電路設(shè)計

 
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(shè)備液位的測量，因此該液位計長度長，重量大，如若被測設(shè)備內(nèi)部存在較大壓力，相應(yīng)地需要將液位計的壁厚增加，勢必會導(dǎo)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(guān)相匹配，為了避免虛假液位和保證測量的精確度，必須保證任一時刻多只有2個霍爾開關(guān)處于開啟狀態(tài)。若僅利用試驗手段反復(fù)測試磁鐵和霍爾開關(guān)的匹配度，需要多次拆裝液位計，因此需要在設(shè)計階段準確計算出霍爾開關(guān)周圍的磁通密度，進而減少工作量[5,6]

 圖3 霍爾開關(guān)與磁鐵位置圖

圖4  磁鐵與空氣層節(jié)點磁通密度云圖


圖5  35mm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而處于同一位置，可根據(jù)式(1)計算得到磁鐵在浮子內(nèi)的安裝位置
 
4結(jié)束語
    磁性浮子式液位傳感器利用霍爾開關(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(guān)的磁場強度閡值、霍爾開關(guān)到浮子的距離等己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(shè)計時，
同一時刻僅使一只霍爾開關(guān)處于工作狀態(tài)，降低了功耗，避免了虛假液位。

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