基于霍尔开关软带分层液位测量的磁性浮子液位计的开发

王梦柔，于晓臣，王延朋，张雷

(丹东通博电器(集团)有限公司，辽宁 丹东118000)

磁性浮子液位计是工业现场常用仪表，包含就地显示部分与远传部分，就地显示无需电源，显示部分和介质完全隔离，不会因介质污染显示条而使观测受到影响，不会担心因温度或压力产生破裂；远传部分捆绑于测量管(无磁性)外侧，当浮子随液位上下移动时，将对应液位转化为4～20 mA信号，从而实现远距离检测或控制。但随着工业的迅猛发展，测量介质的工况越来越复杂，大量程、高可靠性、分层液位测量的需求逐渐增多，针对该情况，需要设计一款高可靠性的分层液位测量的磁性浮子液位计。

1 磁性浮子液位计工作原理及特点

1.1 工作原理

本文所述磁性浮子液位计由就地指示器部分和远传部分等组成，是基于磁耦合原理设计的新一代液位计。浮子随液位的变化而升降，根据阿基米德原理将液位的变化量传递给就地指示器部分；远传装置捆绑于测量管外侧，当浮子随液位上下移动时，对应于液位值的霍尔开关受浮子磁场作用而吸合，从而将液位的变化经转换电路转化成4～20 mA信号从而达到远传的目的。

1.2 特 点

磁性浮子液位计的远传部分采用霍尔开关与电阻的串并联作为传感器部分，与传统的干簧管电阻相比，可靠性更高，不易损坏；霍尔开关电阻传感器部分采用软带结构，当仪表在现场需要更换传感器部分时，软带结构运输方便，不易损坏；当仪表量程很大时，运输过程中，传统干簧管结构容易碎裂，而对霍尔开关的影响比较小[1]。

霍尔开关软带与测量转换电路的连接采用独特的电路设计，使之能完成分层液位测量；具有在霍尔开关损坏时不影响测量的技术优点，提高了仪表的可靠性与实用性。

2 磁性浮子液位计结构

2.1 机械结构

磁性浮子液位计机械结构如图1所示。

图1 磁性浮子液位计机械结构示意

2.2 远传部分结构

磁性浮子液位计远传部分结构如图2所示。

基于霍尔开关软带分层液位测量的磁性浮子液位计远传部分包括： 表头、测量杆和沿测量杆滑动的磁性浮球；测量电路包括液位感应单元和测控单元。液位感应单元的柔性电路板沿测量杆轴线安装在管筒内，测量杆与表头密封连接，测控单元安装在表头内，由内部程序控制，感应单元采集液位信号，经A/D转换器转换为数字信号，由内部程序计算，获得液位值，由表头显示器直接显示，还可通过DAC电路输出标准的4～20 mA信号[2]，还可以通过HART协议组态设置。

3 磁性浮子液位计关键技术

3.1 霍尔开关软带

霍尔开关软带由霍尔开关芯片和电阻构成，结构如图3所示。

图2 磁性浮子液位计远传部分总体结构示意

图3 霍尔开关软带结构示意

所选霍尔开关内部集成霍尔薄片、信号放大处理模块、电压稳压模块、锁存模块、动态失调消除模块以及CMOS输出级，整体优化了线路结构，获得低的输入误差反馈，采用SOT-23封装技术减小了软带尺寸。霍尔开关相比于磁簧开关具有高灵敏度、高精度、低功耗的特点，并且可以提高开关质量和耐用性，采用软带的结构便于运输和维护,具有高性能和技术优势[3]。

霍尔开关采用并联连接，电阻之间采用串联方式，当浮子随液位上下移动时，对应于液位值的霍尔开关受浮子磁场作用而吸合，从而将液位的变化转换为直流信号。霍尔开关为有源元件，需要外部电源供电，柔性电路板可以按不同规格设计，若电阻间距为10 mm，则测量精度为±10 mm。柔性电路板的结构设计大幅提高了电路的稳定性。

3.2 分层液位测量原理

传统磁性浮子液位计只能测量一个液面，基于霍尔开关软带的分层液位测量的磁性浮子液位计采用专利结果，实现了介质分离层液位的测量。分层液位测量原理如图4所示，主要由远传部分实现该功能，其中，霍尔开关软带放在远传管内，测量电路的测控单元放在表头内部，测控单元主要包含有恒流源和A/D转换器的单片机、HART芯片，其他硬件电路。

图4 分层液位测量原理示意

测量分层液位时需要2个不同密度的磁性浮子，2个浮子分别漂浮在2个分界面上，霍尔开关在浮子处闭合。设磁性浮子液位计量程为h0，霍尔开关软带上所有电阻阻值相同，霍尔开关间距为h1,轻质磁性浮子位于S3处使对应的霍尔开关闭合，对应液位记为h2，重质磁性浮子位于S5处使对应的霍尔开关闭合，对应液位记为h3,则中间层液位h中=h0-h2-h3。

测量过程如下： 首先，单片机内部程序控制恒流源IEX0输出固定值电流，电流通过电阻Rn，R6，再流经霍尔开关S5，最后通过精密采样电阻R10，A/D转换器采样对应电压值，与基准电压U0计算转换为液位高度h3；然后，单片机控制另一恒流源引脚IEX1输出同样的电流值，电流通过电阻R1，R2，R3，再流经霍尔开关S3，最后通过精密采样电阻R10，A/D转换器采样对应电压值，与基准电压IR4计算转换为液位高度h2，则中间层液位h中=h0-h2-h3[4]。

4 结束语

综上所述，基于霍尔开关软带的分层液位测量的磁性浮子液位计可靠性高，实现了介质分离层的液位工况测量。