CN102661436A - 一种霍尔式智能阀门定位器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔式智能阀门定位器，所述阀门定位器包括磁钢结构体、霍尔探头、霍尔元件及其附属电路、主控电路、集成式压电阀，其中所述磁钢结构体被设计封装成凹槽形状；所述霍尔元件及其附属电路安装并密封于所述霍尔探头内，且霍尔附属电路的输入输出端口与所述主控电路相连接；所述霍尔探头设置在所述磁钢结构体凹槽之间的中心位置，当阀体运动时，所述霍尔探头输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号，该信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主控电路。通过该阀门定位器就能够克服定位器中位移式传感器存在的机械磨损大、滞后、易受外界震动影响、精度低、结构寿命低等缺点，同时提高智能阀门定位器的动静态性能。

Description

一种霍尔式智能阀门定位器

技术领域

本发明涉及电子信息和自动控制技术领域，尤其涉及一种霍尔式智能阀门定位器。

背景技术

智能阀门定位器是气动执行机构的关键附件之一，广泛应用于工业生产，尤其是过程控制工程领域。其工作原理是，通过对阀门阀位的实时采样，获取阀位的当前位置数据，并与阀位开度设定值相比较，根据差值和差值变化，完成对气动阀的阀位调节与控制，使阀位开度始终保持在设定值。

通过位置反馈电路，可以将阀位位置数据反馈输出至系统控制器。同时可以通过按键和LCD液晶显示屏设定、修改软件的参数，或调取数据进行显示。

目前，现有技术中的智能阀门定位器、电气阀门定位器或阀门变送器的阀位检测装置中，普遍采用的是“反馈连杆+齿轮组+旋转式电位器”机械结构，反馈连杆通过特殊结构与气动执行机构的阀杆连在一起，并随着阀杆的移动而围绕连杆的另一端转动，该位移变量通过齿轮组件被放大若干倍，齿轮组同时带动与之相连接的电位器旋转一定的角度，电位器输出相应大小的电压信号，该信号输出至主控电路进行信号的采样与处理。

上述现有技术中接触式阀位检测装置在测量过程中，位移传感器往往存在机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、精度低和结构寿命低等诸多缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种霍尔式智能阀门定位器，能够克服定位器中接触式位移传感器存在的机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、测量精度低、结构寿命低等缺点，同时提高智能阀门定位器的动静态性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种霍尔式智能阀门定位器，所述阀门定位器包括磁钢结构体、霍尔探头、霍尔元件及其附属电路和主控电路，其中：

所述磁钢结构体被设计封装成凹槽形状，且在凹槽之间形成位移测量所需要的永久磁场，该磁钢结构体与气动执行机构的阀杆固定在一起，并随着阀杆的运动而运动；

所述霍尔元件及其附属电路安装并密封于所述霍尔探头内，且霍尔附属电路的输入输出端口与所述主控电路相连接；

所述霍尔探头设置在所述磁钢结构体凹槽之间的中心位置，当阀体运动时，所述霍尔探头输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号，该信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主控电路，在所述主控电路中完成霍尔输出信号的采样与信息处理，实现阀位位置数据的测量。

所述阀门定位器还包括液晶与按键电路，所述液晶与按键电路通过接口与所述主控电路连接，通过该液晶与按键电路来设定、修改软件的参数，或调取数据进行显示。

所述阀门定位器还包括位置反馈输出电路，所述位置反馈输出电路通过接口与所述主控电路连接，通过该位置反馈输出电路将测量处理后的数据发送给上位机。

通过在所述位置反馈输出电路中设置开关光耦、数字传输和电流负反馈控制模块，提高所述位置反馈输出电路的传输精度。

所述磁钢结构体具体根据设计需求将两条磁钢封装成凹槽形状，在该磁钢结构体的外部是一层磁屏蔽，在凹槽内侧是非磁屏蔽材料，在所述磁钢结构体的上下两端是高导磁率的特殊结构的导磁钢片，与所述磁钢连接形成封闭的磁场空间，且该导磁钢片的外形与尺寸设计成与所述磁钢结构体凹槽外形与尺寸相一致；

所述磁钢结构体根据测量线行程和角行程的不同要求设计成条形凹槽和圆形凹槽两种不同形状。

所述霍尔探头被设计成一端密封的中空金属结构体，其外部圆滑呈圆柱状，顶部密封呈半球状；且内部中空，侧壁带有固定沟槽，用于固定霍尔附属电路的电路板；

所述霍尔探头的底部带有橡胶密封圈和连接法兰，并通过螺栓和密封圈与所述阀门定位器的本体固定。

所述阀门定位器还包括集成式压电阀，该集成式压电阀通过密封圈和螺栓与所述阀门定位器的壳体连接并固定，其输入端与主控电路的控制信号输出端相连接，其输出端通过嵌入所述阀门定位器内壁中的气管路与所述气动执行机构相连接；

该集成式压电阀用于完成电信号到气压信号的转换，同时用于完成气体功率的放大。

该集成式压电阀为单只或独立的两只。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述阀门定位器包括磁钢结构体、霍尔探头、霍尔元件及其附属电路、主控电路、集成式压电阀，其中所述磁钢结构体被设计封装成凹槽形状，且在凹槽之间形成位移测量所需要的永久磁场，该磁钢结构体与气动执行机构的阀杆固定在一起，并随着阀杆的运动而运动；所述霍尔元件及其附属电路安装并密封于所述霍尔探头内，且霍尔附属电路的输入输出端口与所述主控电路相连接；所述霍尔探头设置在所述磁钢结构体凹槽之间的中心位置，当阀杆运动时，所述霍尔探头输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号，该信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主控电路，完成信号的采样与信息处理，实现阀位位置数据的测量。通过该阀门定位器就能够克服定位器中接触式传感器存在的机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、测量精度低、结构寿命低等缺点，同时提高智能阀门定位器的动静态性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的霍尔式智能阀门定位器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供霍尔位移传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供高精度位置反馈输出电路的原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的霍尔式智能阀门定位器的结构示意图，所述阀门定位器主要包括磁钢结构体2、霍尔探头3、霍尔元件及其附属电路4、主控电路5，其中：

所述磁钢结构体2被设计封装成凹槽形状，且在凹槽之间形成位移测量所需要的永久磁场，该磁钢结构体2与气动执行机构1的阀杆固定在一起，并随着阀杆的运动而运动，这里所述的运动包括移动或转动；

所述霍尔元件及其附属电路4安装并密封于所述霍尔探头3内，且霍尔附属电路的输入输出端口与所述主控电路5相连接；所述霍尔探头3设置在所述磁钢结构体2凹槽之间的中心位置。具体实现中，相应的磁钢结构体2经过特殊工艺设计，产生位移测量所需要的永久磁场，霍尔元件及其附属电路4被封装在霍尔探头3内，并与磁钢结构体2共同组成霍尔位移传感器。

该霍尔位移传感器的结构图如图2所示，图2中包括磁钢21、导磁钢片22、磁屏蔽23、霍尔元件24、霍尔附属电路板25和霍尔探头26，其中：

磁钢结构体具体根据设计需求将两条磁钢21封装成凹槽形状，在该磁钢结构体的外部是一层磁屏蔽23，在凹槽内部两侧是非磁屏蔽材料，在所述磁钢21的上下两端是高导磁率的特殊结构的导磁钢片22，例如U型导磁钢片，与所述磁钢21连接形成封闭的磁场空间，且该导磁钢片22的外形尺寸设计成与所述磁钢结构体凹槽外形尺寸相一致；所述磁钢结构体根据测量线行程和角行程的不同要求设计成条形凹槽和圆形凹槽两种不同形状，具体来说，条形凹槽结构中的两条条形磁钢，N极与S极相对、并间隔一定距离、平行放置于同一个平面内；圆形凹槽结构中的两条条形磁钢，N极与S极相对、并间隔一定距离、按照同一方向放置于同一个平面内。

图2中：霍尔探头26的外部圆滑呈圆柱状，顶部密封呈半球状；且内部带有固定沟槽，用于固定霍尔附属电路板25，电路板可以插接固定其中；所述霍尔探头26的底部带有橡胶密封圈和连接法兰，并通过螺栓和密封圈与所述阀门定位器的本体固定。

按照上述结构，如图1：当阀杆运动时，霍尔元件输出与阀杆运动位移成特定函数关系的模拟电压信号，该信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主控电路5，完成信号的采样与信息处理，实现阀位位置数据的测量。

上述霍尔传感器并不仅仅局限于阀位位置测量，磁钢结构体还可以连接于其他的移动物体上，用于测量物体的实时位移，包括线性位移和角位移等。

具体实现中，所述阀门定位器还可以包括集成式压电阀6，上述集成式压电阀6通过密封圈和螺栓与所述阀门定位器的壳体连接并固定，上述集成式压电阀6的输入端与主控电路5的控制信号输出端相连接，输出端通过嵌入定位器内壁中的气管路与气动执行机构1相连接，上述集成式压电阀6完成电信号到气压信号的转换，同时完成气体功率放大功能，驱动气动执行机构1运动。具体实现中，上述输出驱动部分可采用单只集成式开关压电阀，由一只集成式开关压电阀便可以完成通常需要两只开关阀才能完成的气动控制功能；当然并不仅仅局限于此，也可以采用两只独立的开关阀组合使用。

所述主控电路5和集成式压电阀6均被安装固定于所述阀门定位器的壳体内部，所述霍尔探头3通过密封圈和法兰安装并固定于所述阀门定位器的壳体外侧后部。

另外，如图1中所示，本实施例所述阀门定位器还可包括液晶与按键电路7，所述液晶与按键电路7通过接口与所述主控电路5连接，通过该液晶与按键电路7来设定、修改软件的参数，或调取数据进行显示。

如图1所示，本实施例所述阀门定位器还可包括位置反馈输出电路8，所述位置反馈输出电路8通过接口与所述主控电路5连接，通过该位置反馈输出电路8将测量的数据，以4-20mA,0-20mA,HART,或FF总线等方式发送给上位机。具体实现中，由于数据传输装置终端普遍采用专门的集成式4-20mA或0-20mA环流发生器，将阀位信号转换成该环流发生器所产生的电流信号，一般其精度及温度特性较差，有的在电路中间增加了线性光耦进行前后级隔离，由于光耦本身存在一定的非线性，所以又往往带来一定的非线性误差。为此本具体实施例还提出了以下的技术解决方案，通过在所述位置反馈输出电路8中设置开关光耦、数字传输和电流负反馈控制模块，提高所述位置反馈输出电路8的传输精度，具体来说：

如图3所示为本实施例所提供的高精度位置反馈输出电路的原理图，图3中：与主控电路5相连接的位置反馈输出电路8中进一步设置有开关光耦86、触发整形电路87、D/A转换器88、模拟电压放大器89、电流放大器810、负反馈电路811。主控电路5的信号输出端与开关光耦86的信号输入端相连接，开关光耦86的信号输出端与触发整形电路87的信号输入端相连接，触发整形电路87的信号输出端与D/A转换器88的信号输入端相连接，D/A转换器88的信号输出端与模拟电压放大器89的信号输入端相连接，模拟电压放大器89的信号输出端与电流放大器810的信号输入端相连接，电流放大器810的信号输出端与负反馈电路811的信号输入端相连接，负反馈电路811的信号输出端与模拟电压放大器89的信号输入端相连接。

具体工作中，信号数据通过主控电路5的通信端口输出到开关光耦86，经过触发整形电路87后，输入D/A转换器88，D/A转换器88将数字信号转换为相应的模拟信号后，将模拟信号经过模拟电压放大器89放大并输出至电流放大器810，与负反馈电路811之间组成闭环负反馈回路，通过该回路完成电压-电流转换和稳流措施后，最终形成4～20mA或0-20mA环路电流输出，从而提高所述位置反馈输出电路8的传输精度。

综上所述，采用本实施方式提供的技术方案，通过采用霍尔传感器，克服了当前智能阀门定位器的阀位位移式传感器存在的机械磨损大、机械滞后严重、易受外界振动影响、测量精度低、结构寿命低等缺点；通过将霍尔探头设置在磁钢结构体中，将霍尔元件及其附属电路安装密封于霍尔探头内，将磁钢、导磁钢片、磁屏蔽、和非磁屏蔽材料等设计、封装成带有凹槽的特殊磁钢结构体，形成稳定的测量磁场测量装置，提高了霍尔传感器的信号抗干扰能力，不仅可以大幅提高智能阀门定位器和阀位变送器位置检测装置的性能，而且该霍尔传感器具有通用性，可以作为单独的位移传感器使用，实现无接触位移测量；并通过在位置反馈输出回路中，增加电流负反馈输出单元电路设计，提高了负载适应性和电流信号输出的稳定性；在阀门定位器的位置反馈输出部分，采用开关光耦隔离和数字式传输，降低了信号传输的误码率，提高了信号传输距离；进一步的，还可以将霍尔传感器装置与定位器本体进行分体设计，将霍尔传感器装置单独安装在条件恶劣的工业现场，通过信号线与定位器本体进行较远距离连接，从而对定位器本体进行保护，使定位器设备安全、可靠运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，所述阀门定位器包括磁钢结构体、霍尔探头、霍尔元件及其附属电路和主控电路，其中：

所述磁钢结构体被设计封装成凹槽形状，且在凹槽之间形成位移测量所需要的永久磁场，该磁钢结构体与气动执行机构的阀杆固定在一起，并随着阀杆的运动而运动；

所述霍尔元件及其附属电路安装并密封于所述霍尔探头内，且霍尔附属电路的输入输出端口与所述主控电路相连接；

所述霍尔探头设置在所述磁钢结构体凹槽之间的中心位置，当阀体运动时，所述霍尔探头输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号，该信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主控电路，在所述主控电路中完成霍尔输出信号的采样与信息处理，实现阀位位置数据的测量。

2.如权利要求1所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，所述阀门定位器还包括液晶与按键电路，所述液晶与按键电路通过接口与所述主控电路连接，通过该液晶与按键电路来设定、修改软件的参数，或调取数据进行显示。

3.如权利要求1所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，所述阀门定位器还包括位置反馈输出电路，所述位置反馈输出电路通过接口与所述主控电路连接，通过该位置反馈输出电路将测量处理后的数据发送给上位机。

4.如权利要求3所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，

通过在所述位置反馈输出电路中设置开关光耦、数字传输和电流负反馈控制模块，提高所述位置反馈输出电路的传输精度。

5.根据权利要求1所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，

所述磁钢结构体具体根据设计需求将两条磁钢封装成凹槽形状，在该磁钢结构体的外部是一层磁屏蔽，在凹槽内侧是非磁屏蔽材料，在所述磁钢结构体的上下两端是高导磁率的特殊结构的导磁钢片，与所述磁钢连接形成封闭的磁场空间，且该导磁钢片的外形与尺寸设计成与所述磁钢结构体凹槽外形与尺寸相一致；

所述磁钢结构体根据测量线行程和角行程的不同要求设计成条形凹槽和圆形凹槽两种不同形状。

6.根据权利要求1所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，

所述霍尔探头被设计成一端密封的中空金属结构体，其外部圆滑呈圆柱状，顶部密封呈半球状；且内部中空，侧壁带有固定沟槽，用于固定霍尔附属电路的电路板；

所述霍尔探头的底部带有橡胶密封圈和连接法兰，并通过螺栓和密封圈与所述阀门定位器的本体固定。

7.根据权利要求1所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，所述阀门定位器还包括集成式压电阀，该集成式压电阀通过密封圈和螺栓与所述阀门定位器的壳体连接并固定，其输入端与主控电路的控制信号输出端相连接，其输出端通过嵌入所述阀门定位器内壁中的气管路与所述气动执行机构相连接；

该集成式压电阀用于完成电信号到气压信号的转换，同时用于完成气体功率的放大。

8.根据权利要求1所述的霍尔式智能阀门定位器，其特征在于，该集成式压电阀为单只或独立的两只。

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