浮筒液位变送器磁钢排列结构的改进

摘要：对浮筒液位变送器的测量原理和计算方法进行了介绍 ，针对浮筒液位变送器测量精度低的问题 ，对霍尔元件检测磁钢排列进行了改进，提高了浮筒液位变送器的测量精度。对改进前后霍尔元件检测磁钢排列进行了对比，详细介绍了改进后磁钢排列结构的优点，对浮筒液位变送器的应用和选型提供借鉴。
浮筒液位变送器可用来控制和测量介质的液位、界位或密度，应用较为广泛，浮筒液位变送器是由浮力带动扭力管芯轴产生角度的变化，同时也改变了变送器中霍尔元件检测磁钢位移变化而输出信号。该信号经 Ａ／Ｄ 转换器、微处理器、Ｄ／Ａ 转换器等处理，输出４～２０ｍＡ 模拟信号并叠加ＨＡＲＴ信号，具有精度高、抗干扰能力强，远程组态、监测、维护及校准等功能。
 
1、浮筒液位变送器原理及计算：
 浮筒液位变送器是由液位检测元件、霍尔变送器和毫伏_－毫安转换器组成。作为液位检测元件的内浮筒垂直地悬挂在杠杆的一端，杠杆的另一端与扭力管芯轴的一端垂直地连接在一起，并由固定在外壳上的支点所支撑。扭力管的另一端通过法兰固定在仪表外壳上，芯轴的另一端为自由端，用来输出角位移。
 当液位为０时，浮筒侵入液体中的深度为０，浮筒作用在杠杆上的力为
 

 
式中：Ｆ_０———浮筒作用在杠杆上转角***大时所受的力；Ｗ———浮筒的重量。
 
作用在扭力管上的扭力矩为
 

 
式中：Ｍ_０———转角***大时作用在扭力管上的扭力矩；ｌ———浮筒中心到扭力管中心的距离。
此时扭力管产生的扭角_θ０ ***大，一般为７°左
右， 与Ｍ 的关系为
θ０ ０
 
θ_０ ＝３２ＬＭ_０^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^）＝３２ＬＦ_０ｌ^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^{） （}３^）
 
式中：ｄ_１，ｄ_２———扭力管的内径和外径；Ｋ———转
换系数； ———扭力管所产生***大扭角；Ｌ———扭力 
管的长度。
当液位为 Ｈ 时，浮筒的浸没深度为 Ｈ－ｘ，作用在杠杆上的力为

式中：ｘ———浮筒上移的距离；———液体的重度；
γ
 
Ａ———浮筒的截面积。
 
根据前面所述的变浮力法液位测量可知，ｘ 正
 
比于Ｈ，即：
 
ｘ＝ｋＨ ^（５^）
 
式中：ｋ———比例常数。所以式（４）可变为
Ｆ Ｗ ＡＨ^（１ ｋ^{） （}６^）
_１ ＝ － － γ
 
式中：Ｆ_１———浮筒在位移ｘ时作用在杠杆上的力。此时作用在扭力管上的扭力矩为
 

 
式中：Ｍ_１———浮筒在位移ｘ 时作用在扭力管上的扭力矩。
 
扭力管产生的扭角：
 
θ_１ ＝３２ＬＭ_１^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^）＝３２ＬＦ_１ｌ^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^{） （}８^）
 
式中：_θ１———浮筒在位移 ｘ 时扭力管所产生的扭角。
 
随着液位的升高，扭力管产生的扭角将减小，在***高液位时，扭角***小，约为２°。
 
由式（８）减去式（３）得：

θ＝θ_１ －θ_０ ＝３２ＬＦｌ^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^{） （}９^）
 
由式（６）减去式（１）得：
 

成比例关系，即液位愈高，扭角愈小。
通过霍尔元件便可将 _θ转换成电信号进行远传。

２、霍尔元件：
 原有的磁钢排列结构如图１所示，霍尔元件沿着固定弧线移动，由于芯轴在液位变化的全量程范围内输出的角位移量很小，所以可把霍尔元件在磁场中的移动看成为一直线位移 Ｘ，可以证明 _θ 与 Ｘ 具有线性关系，如式（１２）所示。

图１ 原有的磁钢排列结构
  由于霍尔元件所处的磁场是一个磁感应强度Ｂ 与位移Ｘ 成比例的线性磁场，所以霍尔元件的输出电势Ｖ_Ｈ 与其位移 Ｘ 成线性关系，即：
 

 
  在仪表量程范围内，Ｘ 约为１．５ｍｍ，Ｖ_Ｈ 约为１０ｍＶ。从式（１３）可以看出磁场位置是霍尔元件检测磁感应强度的关键，鉴于以上因素对浮筒液位变送器的磁钢排列进行改进。
 目前市场上生产的浮筒液位变送器的检测器结构如图１所示，采用两块大磁钢，缺点是实际生产时要求这种排列的磁中心位置磁性为零，要满足这种要求，则对磁钢的加工要求较高。另外这种磁钢排列，霍尔元件检测需要的磁钢位移时，磁场强度变化量接近所需变化量的临界值，这大幅影响仪表的精度，对仪表的温度系数的影响更大，磁场强度变化量小，信号的放大倍数就要加大，这样霍尔元件受温度影响的变化值就会因为信号放大倍数加大而加大仪表的温度系数，降低仪表的精度。
 
3、**新型磁钢排列结构：
 为了使浮筒液位变送器的霍尔元件检测磁场的效果更好，针对现有技术中的问题，提供一种新式磁钢排列结构。经过实验，开发了一种用４块小磁钢排列的结构，该种排列会加大磁场强度变化量，经过检验，是现有技术的磁场变化量的２倍以上，而且对磁钢加工要求也不高，磁场的中间值基本位于中点位置，很好地解决了原结构存在的问题，改进后的磁钢排列结构如图２所示。

图２ 改进后的磁钢排列结构
新的磁钢排列结构具有以下优点：
 
１）霍尔元件检测同样磁钢移动的距离，磁场强度变化量是原有的２倍以上，线路板内的放大器放大倍数也相应降低了，仪表的温度系数也相应降低。
 
２）对磁钢的加工要求也相应降低，原有的结构由于磁钢较大，磁钢充磁后的准确度不好，很难使磁钢Ｎ－Ｓ之间的中间点加工到磁钢尺寸的中间点，影响仪表的精度。而改进后的磁钢排列结构中由于磁钢相对较小，体积约为原有磁钢的３３％，对充磁要求不高，对磁钢的加工要求也不高，中点位置偏差较小。
 
３）该结构的磁钢排列安装简单，加工方便，对
 磁钢的加工要求也降低了，所以更有利于生产。
 
４、结束语：
 浮筒液位变送器的磁钢排列采用新型结构后，安装使用方便，生产成本低廉，易于推广使用，提高产品精度，节约成本。该磁钢排列结构获得了实用新型专利。