霍爾式液位傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、河南工業(yè)大學(xué)檢測(cè)技術(shù) 題 目：霍爾式液位傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 成 績(jī)： 2012年 10月 30 日設(shè)計(jì)題目 霍爾式液位傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一 要求和設(shè)計(jì)內(nèi)容:霍爾式液位傳感器液位控制器，要求：1） 當(dāng)液位低于某一設(shè)定值時(shí)，水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)。2） 當(dāng)液位高于某一設(shè)定值時(shí)，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。3）儲(chǔ)液罐是密閉的，只允許在儲(chǔ)液罐的玻璃連通器外壁和管腔內(nèi)設(shè)置和安裝傳感元件。4）設(shè)計(jì)控制電路原理框圖；簡(jiǎn)要說明該檢測(cè)、控制系統(tǒng)的工作過程。二 霍爾式液位控制器設(shè)計(jì)提示1).首先要了解玻璃連通器的原理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)液罐液位的測(cè)量就轉(zhuǎn)換為對(duì)連通器中液位的測(cè)量。2).確定霍爾IC是開關(guān)型的還

2、是線性的?；魻朓C須有磁性元件才能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，為此，在連通器內(nèi)設(shè)置一磁性浮子，在玻璃外壁相應(yīng)高度設(shè)置霍爾IC。3).當(dāng)水泵將液體泵入儲(chǔ)液罐后，連通器內(nèi)的液位也相應(yīng)上升，當(dāng)磁性浮子與霍爾IC持平時(shí)，霍爾IC的輸出突變，表示液位已達(dá)到設(shè)定高度。該信號(hào)經(jīng)控制電路使水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 4).在連通器外壁平行設(shè)置一標(biāo)尺桿，霍爾IC可在標(biāo)尺桿上移動(dòng)并固定，這樣就可以控制不同的液位高度了。5).本裝置只能控制液位的狀態(tài)量。三 前言目前，傳統(tǒng)的液位控制器液位的檢測(cè)大多用電導(dǎo)式或機(jī)械式。電導(dǎo)式一般只適用于導(dǎo)電液體，且電極腐蝕嚴(yán)重；機(jī)械式則不易調(diào)節(jié)液位的范圍，調(diào)試?yán)щy。在傳統(tǒng)液位控制中，一般只能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液，而不能

3、顯示容器內(nèi)液體，更不能對(duì)液源問題作出反應(yīng)。而霍爾液位控制器則能彌補(bǔ)傳統(tǒng)液位控制器的不足。它采用霍爾開關(guān)集成電路輸出信號(hào)，用以控制電機(jī)的開、關(guān)，從而控制液位及對(duì)液源問題作出反應(yīng)，這對(duì)于不能導(dǎo)電的液體具有廣泛的應(yīng)用，也適用于一般導(dǎo)電液體。液位的測(cè)量是油氣、田油、水處理站及石油化工裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前，在低精度液位測(cè)量中，大部分采用干簧管液位傳感器，原因在于它具有價(jià) 格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。干簧管液位傳感器的結(jié)構(gòu)是: 在與被測(cè)液位等長的膠木條上，等間隔焊有若干個(gè)干簧管，膠木條裝在不銹鋼管內(nèi)，鋼管外是浮子，浮子內(nèi)裝有磁鐵。在浮力的作用下，浮子漂浮在液面上，浮子的位置隨液位變化而變化，

4、當(dāng)磁性浮子浮動(dòng)到某1個(gè)干簧管高度時(shí)，受到磁場(chǎng)影響該單簧管觸發(fā)閉合，否則開路，見圖 1。 這樣，靠干簧管所連接的電阻的多少，使得變送器產(chǎn)生( 4 20) mA 的電流信號(hào)，通過檢測(cè)電流信號(hào)的大小，即可以。干簧管液位傳感器有很多缺點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生個(gè)別干簧管該斷開時(shí)未斷開的故障，一個(gè)干簧管不能正常工作，就會(huì)影響整個(gè)傳感器，造成虛假液位，需要用工具敲一下傳 感器的管子方可恢復(fù)，而且由于干簧管的尺寸較大( 長約20 mm) ，限制了傳感器的分辨率.圖 1 干簧管液位傳感器的原理圖 四 霍爾式液位傳感器的設(shè)計(jì)基于干簧管液位傳感器的缺點(diǎn)，構(gòu)思了一種基于干簧管液位傳感器諸多優(yōu)點(diǎn)之上的新的液位測(cè)量方案: 即用開關(guān)

5、式霍爾片“替 代”干簧管。霍爾片具有體積小(如: 開關(guān)式霍爾片簡(jiǎn)介 開關(guān)式霍爾片和模擬式霍爾元件一樣，都是基于霍爾效應(yīng)原理工作的。開關(guān)式霍爾片輸出有兩種狀態(tài)，即高電平和低電平。下面簡(jiǎn)單介紹一下開關(guān)式霍爾片UGN-3040的工作原理?；魻柶瑑?nèi)部包含穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器、和一個(gè)集電極開路的三極管。當(dāng)有磁場(chǎng)作用在霍爾片上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件輸出霍爾電壓UH，該電壓經(jīng)過放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的UH電壓大于閾值電壓( Uth ) 時(shí)，施密特電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導(dǎo)體三極管導(dǎo)通; 當(dāng)磁場(chǎng) 減弱時(shí)，霍爾元件輸出的電壓UH很小，放大后的UH電壓小于閾值

6、電壓，施密特電路由導(dǎo)通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為截至狀態(tài)，輸出為低電平，導(dǎo)致三極管截止 由于開關(guān)式霍爾片內(nèi)部的集電極開路，所以工作時(shí)必須外加上拉電阻，關(guān)于霍爾片的幾種參數(shù)如下:1)電源電壓: 4.5 V 24 V;2)工作溫度: 40 + 125圖 2 開關(guān)式霍爾片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 3 液位測(cè)量原理圖五 霍爾式液位傳感器的測(cè)量原理液位測(cè)量原理是利用漂浮在被測(cè)液面的浮子的位置來判斷液面高度的。浮子漂浮在液面上，隨液位高低上下浮動(dòng); 浮子內(nèi)裝有環(huán)形磁鐵，磁鐵產(chǎn)生了沿不銹鋼保護(hù)管軸向的穩(wěn)定磁場(chǎng);不銹鋼保護(hù)管內(nèi)裝有窄長條電路板,電路板上等間距裝有霍爾片。浮子處在某個(gè)位置時(shí)，浮子內(nèi)的磁鐵就會(huì)觸發(fā)與浮子同高度的霍爾片，電

7、 路就會(huì)輸出一個(gè)電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過 A /D 轉(zhuǎn)換后被送進(jìn)單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)判斷，輸出相應(yīng)的液位高度。傳感器實(shí)物見六 電路設(shè)計(jì)霍爾式液位傳感器電路原理如圖 4 所示，有 i 個(gè)霍爾 片在電路板上等間距同向排列，共同接電源 Vcc ，每個(gè)霍爾片輸出端的上拉電阻由兩部分組成，即 Ri + R0 。如果這 i 個(gè)霍爾片都沒有受到磁場(chǎng)感應(yīng)，則電路 OUT 端輸出電壓 UOUT = Vcc ; 假如，第 i 個(gè)霍爾片被浮子中的磁鐵感應(yīng)，根據(jù) 開關(guān)式霍爾片的工作原理，則此霍爾片輸出低電平，那么電路 OUT 端輸出電壓為 由于每個(gè)霍爾片對(duì)應(yīng)的 Ri 值不同，所以，當(dāng)被感應(yīng)時(shí) 每個(gè)霍爾片的輸出電壓值 UOU

8、T 不同。反過來，通過判斷 UOUT 的值，就可以判斷哪個(gè)霍爾片被浮子中的磁場(chǎng)感應(yīng)， 進(jìn)而就可以判斷出浮子的位置，被測(cè)液位就自然知道了。電路板實(shí)物見圖 7。圖 4 霍爾式液位傳感器電路原理七 控制系統(tǒng)的組成1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明該液位控制器的工作原理如下圖所示。圖中霍爾元件傳感器控制信號(hào)來自箱體連通器中的浮球。各個(gè)部件直接在圖中標(biāo)出，現(xiàn)在介紹每一部件在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的作用：帶動(dòng)注液電動(dòng)機(jī)工作，添加液體。 圖中使用的霍爾液位控制器就是霍爾接近開關(guān)UGN3020.霍爾接近開關(guān)是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路坐在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC

9、門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。在此處為低電平有效。4、浮球 內(nèi)部裝有恒磁性鐵片，浮球是泡沫材料，可以在液體的浮力作用下隨液位的升高或下降而升降。當(dāng)上升到液位控制器UGN3020調(diào)定好的位置時(shí)，控制開關(guān)便發(fā)出控制信號(hào)。5、控制器導(dǎo)板 即霍爾接近開關(guān)UGN3020安裝導(dǎo)軌，上面有壓緊螺母，當(dāng)調(diào)定到自己想要控制的液位時(shí)，壓緊螺母既可以固定，方便靈活，而且導(dǎo)軌上面帶有刻度，輕松讀取液位高度或容器中液體的體積。6、連通器 主要是將容器中的液體引出，利用了連通器原理。7、阻尼孔 防止容器中液體的震蕩或其它外界干擾，使顯示的液位準(zhǔn)確。8

10、、定螺母 固定導(dǎo)板用。9、擋板 防止輸入液體時(shí)容器內(nèi)液體引起的沖擊產(chǎn)生誤動(dòng)作。10、排液閥 排空液體時(shí)使用。八 工作原理首先閉合隔離開關(guān)Q，220V電源經(jīng)過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到12V直流電壓供給控制電路?？刂齐娐钒l(fā)出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器kM，然后控制注液電動(dòng)機(jī)啟停。1 、液位上升 當(dāng)液面上升時(shí)，液體浮力使浮球浮起，霍爾元件的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之增大，當(dāng)浮球（磁鐵）移動(dòng)到距離霍爾元件UGN3020幾毫米時(shí)，霍爾UGN3020接近開關(guān)輸出低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器kM放，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，液位停止上升。2、 液位下降當(dāng)液位下降時(shí)，浮球隨之下降，霍爾元件ugn3020接近開關(guān)輸出低電平，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器kM合，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，液位重新上升。控制電路結(jié)構(gòu)圖九 各個(gè)電器元件采購表序號(hào) 名稱 型號(hào) 1 塑料箱體容器 2000L2 霍爾接近開關(guān) UGN30203 12V穩(wěn)壓源 DC：12V AC：380V4 輔助繼電器 DC：12V5 接觸器 DC：12V6 電路接線板 220V7 導(dǎo)線 粗、細(xì)8 容器附件、標(biāo)尺、閥等十 參考文獻(xiàn)【1】 馬西秦.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)【M】北京：機(jī)械工業(yè)出版.2008【2】 王紹純.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)【M】北京：冶金工業(yè)出版社.1995【3】 皮壯行. 可編程序控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000:6775【4】謝瑞和.串行技術(shù)大全. 北京：