基于霍爾開關軟帶分層液位測量的磁性浮子液位計的開發

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現場常用儀表，包含就地顯示部分與遠傳部分，就地顯示無需電源，顯示部分和介質完全隔離，不會因介質污染顯示條而使觀測受到影響，不會擔心因溫度或壓力產生破裂；遠傳部分捆綁于測量管(無磁性)外側，當浮子隨液位上下移動時，將對應液位轉化為4～20 mA信號，從而實現遠距離檢測或控制。但隨著工業的迅猛發展，測量介質的工況越來越復雜，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計的新一代液位計。浮子隨液位的變化而升降，根據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，當浮子隨液位上下移動時，對應于液位值的霍爾開關受浮子磁場作用而吸合，從而將液位的變化經轉換電路轉化成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與電阻的串并聯作為傳感器部分，與傳統的干簧管電阻相比，可靠性更高，不易損壞；霍爾開關電阻傳感器部分采用軟帶結構，當儀表在現場需要更換傳感器部分時，軟帶結構運輸方便，不易損壞；當儀表量程很大時，運輸過程中，傳統干簧管結構容易碎裂，而對霍爾開關的影響比較小[1]。

霍爾開關軟帶與測量轉換電路的連接采用獨特的電路設計，使之能完成分層液位測量；具有在霍爾開關損壞時不影響測量的技術優點，提高了儀表的可靠性與實用性。

2 磁性浮子液位計結構

2.1 機械結構

磁性浮子液位計機械結構如圖1所示。

圖1 磁性浮子液位計機械結構示意

2.2 遠傳部分結構

磁性浮子液位計遠傳部分結構如圖2所示。

基于霍爾開關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單元和測控單元。液位感應單元的柔性電路板沿測量桿軸線安裝在管筒內，測量桿與表頭密封連接，測控單元安裝在表頭內，由內部程序控制，感應單元采集液位信號，經A/D轉換器轉換為數字信號，由內部程序計算，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協議組態設置。

3 磁性浮子液位計關鍵技術

3.1 霍爾開關軟帶

霍爾開關軟帶由霍爾開關芯片和電阻構成，結構如圖3所示。

圖2 磁性浮子液位計遠傳部分總體結構示意

圖3 霍爾開關軟帶結構示意

所選霍爾開關內部集成霍爾薄片、信號放大處理模塊、電壓穩壓模塊、鎖存模塊、動態失調消除模塊以及CMOS輸出級，整體優化了線路結構，獲得低的輸入誤差反饋，采用SOT-23封裝技術減小了軟帶尺寸。霍爾開關相比于磁簧開關具有高靈敏度、高精度、低功耗的特點，并且可以提高開關質量和耐用性，采用軟帶的結構便于運輸和維護,具有高性能和技術優勢[3]。

霍爾開關采用并聯連接，電阻之間采用串聯方式，當浮子隨液位上下移動時，對應于液位值的霍爾開關受浮子磁場作用而吸合，從而將液位的變化轉換為直流信號。霍爾開關為有源元件，需要外部電源供電，柔性電路板可以按不同規格設計，若電阻間距為10 mm，則測量精度為±10 mm。柔性電路板的結構設計大幅提高了電路的穩定性。

3.2 分層液位測量原理

傳統磁性浮子液位計只能測量一個液面，基于霍爾開關軟帶的分層液位測量的磁性浮子液位計采用專利結果，實現了介質分離層液位的測量。分層液位測量原理如圖4所示，主要由遠傳部分實現該功能，其中，霍爾開關軟帶放在遠傳管內，測量電路的測控單元放在表頭內部，測控單元主要包含有恒流源和A/D轉換器的單片機、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，霍爾開關在浮子處閉合。設磁性浮子液位計量程為h0，霍爾開關軟帶上所有電阻阻值相同，霍爾開關間距為h1,輕質磁性浮子位于S3處使對應的霍爾開關閉合，對應液位記為h2，重質磁性浮子位于S5處使對應的霍爾開關閉合，對應液位記為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，再流經霍爾開關S5，最后通過精密采樣電阻R10，A/D轉換器采樣對應電壓值，與基準電壓U0計算轉換為液位高度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，再流經霍爾開關S3，最后通過精密采樣電阻R10，A/D轉換器采樣對應電壓值，與基準電壓IR4計算轉換為液位高度h2，則中間層液位h中=h0-h2-h3[4]。

4 結束語

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