一種霍爾式電動浮筒液位變送器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種霍爾式電動浮筒液位變送器，包括測量傳感器、變送器和附屬電路。當被測量液面發生變化時，通過測量傳感器中的浮筒、扭力管系統、霍爾傳感器系統，將液面的變化量轉變成相應的霍爾電壓信號，該信號被送往變送器進行采樣與數據處理，最后可以4-20mA，HART等總線信號模式傳輸至上位機。附屬電路可以包括液晶與按鍵電路等。本發明技術方案，克服了傳統電動浮筒液位變送器存在的機械磨損、精度低、結構件壽命低等缺點，同時也克服了目前霍爾式電動浮筒液位變送器存在的非線性測量、功耗大、計算復雜、精度低等缺點。實現了電動浮筒液位變送器的線性、連續和無接觸測量，還能實現液位測量數據的高精度反饋傳輸。
【專利說明】一種霍爾式電動浮筒液位變送器
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子技術、傳感器技術、檢測【技術領域】，更具體的說，尤其涉及一種霍爾式電動浮筒液位變送器。
[0002]
【背景技術】
[0003]物位測量，是檢測與控制【技術領域】的重要內容之一。其中，液位測量裝置更是廣泛應用于工業生產中，尤其是過程控制工程領域。液位測量裝置的工作原理主要是:當液位變化時，液位傳感器中的敏感元件便會產生相應的電信號輸出，對該信號進行實時采樣和數據處理，便可以獲取當前液位變化的高度值；處理后的液位數據，可以通過反饋電路傳輸至上位機。電動浮筒液位變送器便是一種常見的液位測量裝置。
[0004]目前，在現有技術中的電動浮筒測量裝置中的測量傳感器，有以下幾種測量原理:
其一，接觸式彈性元件測量。扭力管系統采用接觸式檢測裝置，實現機械位移到電信號的轉變。采用上述現有技術的接觸式檢測裝置，在測量過程中，位移傳感器往往存在機械磨損、易受外界振動影響、精度低、結構壽命短等諸多缺點。
[0005]其二，無接觸式霍爾測量元件測量。目前霍爾式電動浮筒液位變送器有兩種方法，第一種是旋轉磁性編碼器，該方法為非連續式檢測模式，不僅功耗較大，難以在4-20mA環路中使用，而且不能進行連續測量；第二種是利用非線性測量原理進行具體測量和計算。采用上述現有技術的霍爾式電動浮筒液位變送器，在測量過程中，或者功耗大、計算精度低，或由于利用非線性測量原理，導致不僅計算方式復雜、計算精度低，而且計算時間較長、存在系統誤差、實時測控效果較差。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種霍爾式電動浮筒液位變送器線性測量裝置，不僅能夠克服現有電動浮筒液位變送器中接觸式位移傳感器存在的機械磨損大、機械滯后嚴重、易受外界振動影響、測量精度低、結構壽命低等缺點，而且能克服目前霍爾式電動浮筒液位變送器中霍爾角位移傳感器在角位移測量中功耗過大、非連續性測量或由于采用非線性測量原理，導致計算方式復雜、計算精度低、計算時間過長、存在系統誤差等缺點；本發明實現了電動浮筒液位變送器的線性、連續和無接觸檢測和位移數據的高精度反饋傳輸。
[0007]本發明的技術方案如下:
本發明提供了一種霍爾式電動浮筒液位變送器，包括:
測量傳感器，所述測量傳感器包括浮筒、扭力管系統、霍爾傳感器組成；所述浮筒包括浮筒室和內浮筒，所述內浮筒沉浸在浮筒室內的液體中，并與所述扭力管系統剛性連接，所述扭力管系統與所述霍爾傳感器系統剛性連接；當浮筒室內的液位變化時，所述內浮筒通過所述扭力管系統使所述霍爾傳感器輸出相應的信號電壓； 變送器，所述變送器包括主電路、反饋輸出電路組成；所述主電路，用于接收所述霍爾傳感器發送的浮筒液位信號，并對浮筒液位信號進行采樣與信息處理，以實現浮筒液位位置數據的測量；所述反饋輸出電路用于將所述主電路采樣處理后的浮筒液位數據傳輸至所述上位機。
[0008]進一步的，所述霍爾傳感器包括:
磁鋼構件，所述磁鋼構件由四部分組成:同心放置的兩個圓弧狀條形永久磁鋼，兩個“U”形導磁鋼片，磁屏蔽層，加固與保護層。其中，根據設計需求，將2條特殊材料和特定尺寸的磁鋼，加工制作成具有同一圓心、不同半徑的圓弧形狀磁鋼體，且2條磁鋼所對應的圓弧的弧度均為180度，且均沿圓弧方向充磁；在同一平面上，將2條圓弧狀條形磁鋼同心放置，并將其中一條磁鋼的N極與另一條磁鋼的S極內外相對放置，且間隔一定距離；在所述圓弧狀條形磁鋼的兩個端點處，各用一片高導磁率的“U”形導磁鋼片將內外兩個圓弧狀條形磁鋼連接，在2條圓弧狀的條形磁鋼之間形成一個特殊結構的磁場；在上述磁鋼結構體的外部是磁屏蔽層；整個磁鋼構件被封裝成帶有180度或360度弧度圓環狀溝槽的圓盤體。所述磁鋼構件用于產生可進行角位移測量的磁場，在上述180度或360度弧度圓環狀溝槽內部是可進行角位移線性測量的磁場。
[0009]霍爾探頭，所述霍爾探頭設置在所述兩個圓弧狀條形永久磁鋼之間，即2條磁鋼所在圓的半徑之和二分之一的位置；所述霍爾探頭被設計為一端密封的中空金屬結構體，其外部圓滑呈圓柱狀，頂部密封呈半球狀，且內部中空，內部側壁帶有固定溝槽，用于固定所述霍爾電路板；所述霍爾探頭的底部帶有橡膠密封圈和連接法蘭，通過螺栓與所述固定連桿相連接固定；所述霍爾元件及其附屬電路被焊接于是所述霍爾電路板上，所述霍爾元件用于探測磁場并形成電信號，所屬霍爾附屬電路的輸入輸出端口與所述主電路相連接，用于將所述霍爾元件輸出的所述模擬電壓信號發送給所述主電路；所屬霍爾探頭用于安裝和保護所述霍爾元件及其附屬電路和霍爾電路板。
[0010]固定連桿，所述固定連桿用于連接所述霍爾探頭與所述霍爾傳感器的轉軸，用于使霍爾探頭繞著霍爾傳感器的轉軸隨扭力管系統轉動而轉動。
[0011]進一步的，所述反饋輸出電路:
所述反饋輸出電路通過接口電路與所述主電路和上位機連接；用于將所述主電路輸出的測量數據以總線的方式，采用有線傳輸電路或無線傳輸電路發送給上位機。
[0012]進一步的，所述有線傳輸電路包括:開關光耦，觸發整形電路，D/A轉換器，模擬電壓放大器，電流放大器以及電流負反饋電路；
其中，所述開關光耦的信號輸入端與所述主電路的信號輸出端相連接，所述開關光耦的信號輸出端與觸發整形電路的信號輸入端相連；所述觸發整形電路的信號輸出端與D/A轉換器的信號輸入端相連；所述D/A轉換器的信號輸出端與模擬電壓放大器的信號輸入端相連；所述模擬電壓放大器的信號輸出端與電流放大器的信號輸入端相連接；所述電流放大器的信號輸出端與電流負反饋電路的信號輸入端相連接；所述電流負反饋電路的信號輸出端與模擬電壓放大器的信號輸入端相連接。
[0013]進一步的，將所述主電路輸出的測量數據以總線的方式發送給所述上位機，包括:
將所述測量數據以4-20mA，0-20mA或者HART總線等方式，通過有線傳輸電路或無線傳輸電路發送給上位機。
[0014]所述霍爾式電動浮筒液位變送器，還可以包括附屬電路，所述附屬電路包括按鍵與液晶電路，所述按鍵與液晶電路通過接口與所述主電路相連接，用于設定、修改軟件的參數，或者，用于調取數據等信息進行顯示。
[0015]本發明技術方案的實現，
不僅能夠克服現有電動浮筒液位變送器中接觸式位移傳感器存在的機械磨損大、機械滯后嚴重、易受外界振動影響、測量精度低、結構壽命低等缺點，而且能克服目前霍爾式電動浮筒液位變送器中霍爾位移傳感器在角位移測量中，或者由于應用旋轉磁性編碼器，而導致的測量中存在功耗過大、非連續性測量等缺點；或者由于采用非線性測量原理，導致具體計算方式復雜、計算時間過長、計算精度低、存在系統誤差等不足。實現了電動浮筒液位變送器的線性、連續、無接觸檢測和位移數據的高精度反饋傳輸。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0017]圖1為本發明實施例提供的霍爾式電動浮筒液位變送器的結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的霍爾式電動浮筒液位變送器的電路原理圖；
圖3為本發明實施例所提供霍爾式角行程傳感器結構示意圖；
圖4為本發明實施例所提供霍爾式電動浮筒液位變送器結構原理圖；
【具體實施方式】
[0018]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0019]下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述。
[0020]如圖1所示，本發明實施例霍爾式電動浮筒液位變送器具體包括測量傳感器11、變送器12和附屬電路13:
所述測量傳感器11，用于檢測浮筒室內液體的液位，當液位變化時，將液位位移轉變成電信號，并將所述電信號傳輸給所述變送器12 ；
所述變送器12，用于接收所述測量傳感器11發送的所述電信號，并對所述電信號進行采樣和數據處理，實現對液位位移的測量和反饋傳輸；
進一步的，如圖2、圖4所不:
所述浮筒系統111由浮筒室和內浮筒21組成，所述扭力管系統112包括連接件22、橫梁23、扭力管24組成；其中，所述內浮筒21沉浸在所述浮筒室內的液體中，所述內浮筒21通過所述浮筒連接件22與所述扭力管系統112的橫梁23剛性連接；所述扭力管系統112承受的力是所述內浮筒21的自身重力減去自身浮力的差值，當所述浮筒室內的液面變化時，所述扭力管系統112中的所述橫梁23所承受的力便發生變化，使所述扭力管24產生一定角位移的扭動，由于所述扭力管24與所述霍爾傳感器113中的所述霍爾探頭17剛性連接，所述霍爾探頭17便產生與所述扭力管24相等或成一定比例大小的角位移，所述霍爾探頭17中的霍爾元件11便產生一定大小的霍爾電壓信號，通過接口電路將所述電信號傳輸給所述變送器12。
[0021]所述變送器12包括主電路115和反饋輸出電路116組成，所述主電路115用于接收所述測量傳感器11發送的所述電信號，并對所述電信號進行采樣和數據處理，實現對液位位移量的測量；所述反饋輸出電路116用于將液位數據進行高精度反饋輸出。
[0022]進一步的，所述霍爾傳感器113，如圖3、4所示，包括:
磁鋼構件，所述磁鋼構件包括2條所述圓弧狀條形磁鋼26、27 ；2個所述“U”形導磁鋼片15、16 ;磁屏蔽層2、6 ;所述加固與保護層7、4 ;其中兩條圓弧狀條形磁鋼所對應的圓弧弧度均為180度，且均沿圓弧方向充磁，在同一平面同一圓心放置，2條所述圓弧狀條形磁鋼26的N極14、S極8，分別與磁鋼27的S極13、N極9內外相對放置；所述磁鋼構件外部是包括磁屏蔽層2、6在內的磁屏蔽層；整個磁鋼構件被封裝成帶有圓環狀溝槽的圓盤體，用于產生進行角位移測量的磁場；
霍爾探頭，所述霍爾探頭17設置在所述永久磁鋼構26、27之間的中心位置，所述霍爾探頭17由所述探頭保護層12、所述霍爾元件及其附屬電路11、所述霍爾電路板10組成；所述霍爾元件及其附屬電路11、所述霍爾電路板10，安裝并密封于所述霍爾探頭護層12內，其中所述霍爾元件是磁敏感元件，可產生與所處磁場場強成某種函數關系的模擬電壓，通過輸入輸出端口將所述霍爾元件輸出的所述模擬電壓信號發送給所述主電路115 ;所述霍爾探頭17外部圓滑呈圓柱狀，頂部密封呈半球狀，且內部側壁帶有固定溝槽，電路板10可以插接固定其中；所述霍爾探頭17，被放置于所述圓弧狀條形磁鋼26、27之間的位置，其半徑等于所述圓弧狀條形磁鋼26、27各自所在圓半徑之和的一半；所述霍爾探頭17的底部帶有橡膠密封圈和連接法蘭，可通過螺栓與所述固定連桿23連接固定；
進一步的，通過將所述霍爾探頭17設置在所述2條所述圓弧狀條形磁鋼26、27之間；將所述霍爾元件及其附屬電路11、所述霍爾電路板10安裝密封于所述霍爾探頭17內部；將所述2條所述圓弧狀條形磁鋼26、27，2個導磁鋼片15、16，磁屏蔽層2、13和加固與保護層7、4等設計、封裝成帶有圓環狀溝槽的圓盤體磁鋼構件；不僅形成了一個穩定的可進行角位移測量的磁場，而且提高了霍爾傳感器的抗干擾能力。
[0023]所述固定連桿23用于連接所述霍爾探頭17和軸承連接器24，所述霍爾探頭17通過所述固定連桿23繞著所述磁鋼構件的轉軸同步轉動，實現角位移測量；
所述軸承連接器24，用于連接所述固定連桿23與所述磁鋼構件的轉動軸承，使所述固定連桿23能繞著所述磁鋼構件的轉動軸承轉動；
進一步的，如圖2所示，所述霍爾式電動浮筒液位變送器還包括:
反饋輸出電路116，所述反饋輸出電路116通過接口電路與所述主電路115連接；用于將所述主電路115采樣、處理后的測量數據以總線的方式，采用有線傳輸電路或無線傳輸電路發送給上位機。因此，可以看出，本發明實施例中可以將所述測量數據以
4-20mA, 0-20mA或者HART總線等方式，通過有線傳輸電路或無線傳輸電路發送給上位機。通過在閥位反饋輸出回路中，增加電流負反饋輸出單元電路設計，提高了負載適應性和電流信號輸出的穩定性；在測量裝置的閥位反饋輸出部分，采用開關光耦隔離和數字式傳輸，降低了信號傳輸的誤碼率，提高了信號傳輸距離。
[0024]進一步的，如圖2所示，所述霍爾式電動浮筒液位變送器還可以包括:
附屬電路，即按鍵與液晶電路114，所述按鍵與液晶電路114通過接口與所述主電路115連接，用于設定、修改相關參數，或者，用于調取內部數據等信息進行顯示。
[0025]進一步的，霍爾式電動浮筒液位變送器的具體測量原理與計算方法如下:
如圖4所示，當所述霍爾探頭17沿著半徑所確定的圓弧，其中，在一定角度范圍內運動時，可以實現近似線性測量和線性計算。設L3、L4為霍爾式電動浮筒液位變送器的線性測量區間邊界線，則角位移的起始線可設置為L3或L4，具體計算方法有如下兩種:
(O輸出模擬電壓一周長計算公式:
其中，
【權利要求】
1.一種霍爾式電動浮筒液位變送器，其特征在于，包括: 測量傳感器，所述測量傳感器包括浮筒、扭力管系統、霍爾傳感器組成；所述浮筒包括內浮筒和浮筒室，所述內浮筒沉浸在所述浮筒室內的液體中，并與所述扭力管系統剛性連接，所述扭力管系統與所述霍爾傳感器剛性連接；當所述浮筒室內的液位變化時，通過所述扭力管系統使所述霍爾傳感器輸出相應的電壓信號； 變送器，所述變送器包括主電路、反饋輸出電路組成，所述主電路，用于接收所述霍爾傳感器發送的浮筒液位信號，并對浮筒液位信號進行采樣與信息處理，以實現浮筒液位數據的測量；所述反饋輸出電路用于將所述主電路采樣處理后的浮筒液位數據傳輸至上位機。
2.根據權利要求1所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，所述霍爾傳感器包括: 磁鋼構件，所述磁鋼構件由四部分組成:封裝成同心放置的兩個圓弧狀條形永久磁鋼，兩個分別安裝于上述磁鋼端點處的“U”形導磁鋼片，磁屏蔽層，加固與保護層；所述磁鋼構件用于產生可進行角位移測量的磁場； 霍爾探頭，所述霍爾探頭包括探頭護層、霍爾元件及其附屬電路、霍爾電路板組成，所述霍爾元件及其附屬電路被焊接于所述霍爾電路板上，所述霍爾電路板安裝并密封于所述霍爾探頭內，所述霍爾探頭設置在所述磁鋼構件內外兩個圓弧狀條形永久磁鋼所在圓的、半徑之和二分之一的位置，且所述霍爾附屬電路的輸入輸出端口與所述主電路相連接，用于將所述霍爾元件輸出的所述模擬電壓信號發送給所述主電路； 固定連桿，用于連接 所述霍爾探頭、磁鋼構件的轉軸，使霍爾探頭繞著磁鋼構件的轉軸隨扭力管系統的運動而運動。
3.根據權利要求1所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，將所述主電路輸出的測量數據以總線的方式發送給所述上位機，包括:將所述測量數據以4-20mA，0-20mA或者HART總線等方式，通過有線傳輸電路或無線傳輸電路發送給上位機。
4.根據權利要求1、2所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，所述磁鋼構件中，將2條根據設計需求，特殊材料和特定尺寸的永久磁鋼，加工制作成2條具有同一圓心不同半徑的圓弧狀條形結構，均有180度的圓弧弧度，且均沿圓弧方向充磁；在同一平面上，2條圓弧狀條形磁鋼同心放置，并將一條磁鋼的N極與另一條磁鋼的S極內外相對放置，間隔一定距離；在所述圓弧狀條形磁鋼的兩個端點處，各用一片高導磁率的“U”形導磁鋼片將內外2條圓弧狀條形磁鋼相連接，在2條磁鋼之間形成一特殊結構的永久磁場；在所述磁鋼結構體的外側是磁屏蔽層；整個磁鋼構件被封裝成帶有180度或360度圓弧弧度圓環狀溝槽的圓盤體形狀。
5.根據權利要求1、2所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，所述霍爾探頭: 設置為一端密封的中空金屬結構體，其外部圓滑呈圓柱狀，頂部密封呈半球狀，且內部中空，內部側壁帶有固定溝槽，用于固定所述霍爾電路板，所述霍爾探頭的底部帶有橡膠密封圈和連接法蘭，可通過螺栓與所述固定連桿相連接固定。
6.根據權利要求1所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，還可以包括附屬電路: 所述附屬電路包括按鍵與顯示電路，所述按鍵與液晶顯示電路通過接口與所述主電路連接，用于設定、修改軟件的參數，或者用于調取內部數據等信息進行顯示。
7.根據權利要求1、2所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，所述霍爾傳感器的角位移輸入量與輸出信號幅值之間的關系，即在一定的角度或弧度范圍內，其輸入輸出關系為近乎線性的函數關系，可實現對角位移的連續、線性測量和輸出；包括霍爾元件輸出的模擬電壓幅值與對應的角位移圓弧弧長或角位移角度之間的線性計算方法及其具體計算公式。
8.根據權利要求1、2、4、7所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，所述測量裝置的位移輸入量與輸出信號幅值之間的關系，包括線性特征、線性計算方法及其具體計算公式，具有通用性，不僅僅適用于本發明中所描述的電動浮筒液位變送器中的磁鋼結構，也同樣適用于另外一種磁鋼結構，即在同一平面上平行放置的2條具有相同幾何形狀、尺寸和用相同方式充磁的磁鋼，該2條磁鋼的N、S極相對放置、2條磁鋼對稱排列，彼此間隔一定的距離；譬如2條具有完全相同的幾何形狀和尺寸的垂直放置的長方體磁鋼，利用相同的方式充磁，具有相同的磁場分布和磁場特征，且2條磁鋼左右對稱、平行放置于通一平面之上，兩者之間間隔一定距離，其中一條磁鋼的N極與另一條磁鋼的S極相對應放置。
9.根據權利要求1、2所述的電動浮筒液位變送器，其特征在于，所述霍爾傳感器中的霍爾元件選擇和軟、硬件電路設計，可以使測量裝置在低功耗、超低功耗狀態下運行，功耗不大于2.5mA。
【文檔編號】G01F23/38GK103808390SQ201210412537
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年10月25日 優先權日:2012年10月25日
【發明者】不公告發明人 申請人:蔡明