霍爾式液位傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上河南工業(yè)大學(xué)檢測技術(shù) 題 目：霍爾式液位傳感器的設(shè)計與實現(xiàn) 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 成 績： 2012年 10月 30 日設(shè)計題目 霍爾式液位傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)一 要求和設(shè)計內(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，水泵開始運轉(zhuǎn)。2） 當(dāng)液位高于某一設(shè)定值時，水泵停止運轉(zhuǎn)。3）儲液罐是密閉的，只允許在儲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)計控制電路原理框圖；簡要說明該檢測、控制系統(tǒng)的工作過程。二 霍爾式液位控制器設(shè)計提示1).首先要了解玻璃連通器的原理，在此基礎(chǔ)上，對儲液罐液位的測量就轉(zhuǎn)換為對連通器中液位的測量。2)

2、.確定霍爾IC是開關(guān)型的還是線性的?；魻朓C須有磁性元件才能產(chǎn)生霍爾電勢，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，霍爾IC的輸出突變，表示液位已達到設(shè)定高度。該信號經(jīng)控制電路使水泵停止運轉(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大多用電導(dǎo)式或機械式。電導(dǎo)式一般只適用于導(dǎo)電液體，且電極腐蝕嚴重；機械式則不易調(diào)節(jié)液位的范圍，調(diào)試困難。在傳統(tǒng)液位控制中，一

3、般只能實現(xiàn)自動補液，而不能顯示容器內(nèi)液體，更不能對液源問題作出反應(yīng)。而霍爾液位控制器則能彌補傳統(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，用以控制電機的開、關(guān)，從而控制液位及對液源問題作出反應(yīng)，這對于不能導(dǎo)電的液體具有廣泛的應(yīng)用，也適用于一般導(dǎo)電液體。液位的測量是油氣、田油、水處理站及石油化工裝置自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前，在低精度液位測量中，大部分采用干簧管液位傳感器，原因在于它具有價 格低廉、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。干簧管液位傳感器的結(jié)構(gòu)是: 在與被測液位等長的膠木條上，等間隔焊有若干個干簧管，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

4、子的位置隨液位變化而變化，當(dāng)磁性浮子浮動到某1個干簧管高度時，受到磁場影響該單簧管觸發(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，通過檢測電流信號的大小，即可以。干簧管液位傳感器有很多缺點，經(jīng)常會發(fā)生個別干簧管該斷開時未斷開的故障，一個干簧管不能正常工作，就會影響整個傳感器，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)計基于干簧管液位傳感器的缺點，構(gòu)思了一種基于干簧管液位傳感器諸多優(yōu)點之上的新

5、的液位測量方案: 即用開關(guān)式霍爾片“替 代”干簧管?；魻柶哂畜w積小(如: 開關(guān)式霍爾片簡介 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、信號放大器、施密特觸發(fā)器、和一個集電極開路的三極管。當(dāng)有磁場作用在霍爾片上時，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，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 減弱時，霍爾元件輸出的電壓UH很小

6、，放大后的UH電壓小于閾值電壓，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 液位測量原理圖五 霍爾式液位傳感器的測量原理液位測量原理是利用漂浮在被測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; 浮子內(nèi)裝有環(huán)形磁鐵，磁鐵產(chǎn)生了沿不銹鋼保護管軸向的穩(wěn)定磁場;不銹鋼保護管內(nèi)裝有窄長條電路板,電路板上等間距裝有霍爾片。浮子處在某個位置時，浮子內(nèi)的磁鐵就會觸

7、發(fā)與浮子同高度的霍爾片，電 路就會輸出一個電信號，這個信號經(jīng)過 A /D 轉(zhuǎn)換后被送進單片機，經(jīng)過單片機判斷，輸出相應(yīng)的液位高度。傳感器實物見六 電路設(shè)計霍爾式液位傳感器電路原理如圖 4 所示，有 i 個霍爾 片在電路板上等間距同向排列，共同接電源 Vcc ，每個霍爾片輸出端的上拉電阻由兩部分組成，即 Ri + R0 。如果這 i 個霍爾片都沒有受到磁場感應(yīng)，則電路 OUT 端輸出電壓 UOUT = Vcc ; 假如，第 i 個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 由于每個霍爾片對應(yīng)的 Ri 值不同，所以，當(dāng)被感應(yīng)時 每個

8、霍爾片的輸出電壓值 UOUT 不同。反過來，通過判斷 UOUT 的值，就可以判斷哪個霍爾片被浮子中的磁場感應(yīng)， 進而就可以判斷出浮子的位置，被測液位就自然知道了。電路板實物見圖 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來自箱體連通器中的浮球。各個部件直接在圖中標(biāo)出，現(xiàn)在介紹每一部件在現(xiàn)實應(yīng)用中的作用：帶動注液電動機工作，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）等電路坐在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強

9、度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，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，控制開關(guān)便發(fā)出控制信號。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，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

10、干擾，使顯示的液位準(zhǔn)確。8、定螺母 固定導(dǎo)板用。9、擋板 防止輸入液體時容器內(nèi)液體引起的沖擊產(chǎn)生誤動作。10、排液閥 排空液體時使用。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)出的信號驅(qū)動繼電器kM，然后控制注液電動機啟停。1 、液位上升 當(dāng)液面上升時，液體浮力使浮球浮起，霍爾元件的磁場強度隨之增大，當(dāng)浮球（磁鐵）移動到距離霍爾元件UGN3020幾毫米時，霍爾UGN3020接近開關(guān)輸出低電平變?yōu)楦唠娖剑?jīng)驅(qū)動電路使繼電器kM放，使電動機停止運轉(zhuǎn)，液位停止上升。2、 液位下降當(dāng)液位下降時，浮球隨之下降，霍爾元件ugn3020

11、接近開關(guān)輸出低電平，經(jīng)驅(qū)動電路使繼電器kM合，電動機運轉(zhuǎn)，液位重新上升?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)圖九 各個電器元件采購表序號 名稱 型號 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8 容器附件、標(biāo)尺、閥等十 參考文獻【1】 馬西秦.自動檢測技術(shù)【M】北京：機械工業(yè)出版.2008【2】 王紹純.自動檢測技術(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)計與應(yīng)用實例.北京：機械工業(yè)出版社，2000:6775【4】謝瑞和.串行技術(shù)大全. 北京：清華大學(xué)出版社