CN102829241B - 一种霍尔式角行程阀位变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔式角行程阀位变送器，技术方案包括：霍尔式位移传感器，与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；用于在阀门的阀杆运动时，将阀杆的位移量转变成电信号，并将所述位置信号传输给主电路；主电路，用于接收所述霍尔式位移传感器发送的所述位置信号，并对所述位置信号进行采样与信息处理，以便实现阀门阀位的位置数据的测量。本发明技术方案的实现，一方面能够克服目前角行程阀位变送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、结构寿命低等缺点，另一方面还能够提高角行程阀位变送器阀门定位器的动静态性能，并能实现阀位数据的高精度反馈传输。

Description

一种霍尔式角行程阀位变送器

技术领域

本发明涉及电子技术、传感器技术与自动控制技术领域，更具体的说，尤其涉及一种霍尔式角行程阀位变送器。

背景技术

角行程阀位变送器是阀门的重要附件之一，广泛应用于工业生产中，尤其是过程控制工程领域。角行程阀位变送器的工作原理主要是：对阀门阀位进行实时采样，获取阀位的当前位置数据；通过阀位反馈电路，将获取到的阀位位置数据反馈输出至系统控制器。

目前，在现有技术中的角行程阀位变送器、电气阀门定位器或者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，其中，反馈连杆通过特殊结构与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆连在一起，并随着气动执行机构的转轴或阀杆的转动而围绕连杆的另一端转动，该转动的位移量，被传递给齿轮组件，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，通过电位器输出相应大小的电压信号，该电压信号输出至主电路进行信号的采样与处理。

采用上述现有技术的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、易受外界振动影响、精度低、结构寿命短等诸多缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种霍尔式角行程阀位变送器，不仅能够克服现有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，而且还能够提高角行程阀位变送器、阀门定位器的动静态性能，并能实现阀位数据的高精度反馈传输。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种霍尔式角行程阀位变送器，包括：

霍尔式位移传感器，与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；用于在阀门的阀杆运动时，将阀门阀杆的位移转变成电信号，并将所述位置电信号传输给主电路；

主电路，用于接收所述霍尔式位移传感器发送的所述位置信号，并对所述位置信号进行采样与信息处理，以便实现对阀门阀位的测量。

进一步的，所述霍尔式位移传感器包括：

磁钢结构体，封装成中间凹陷的圆台体形状；用于与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；

霍尔探头，设置在所述磁钢结构体中间凹陷的中心位置；用于在阀门的阀杆运动时，实时检测阀门阀杆的位移，并输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号：

霍尔元件及其附属电路，安装并密封于所述霍尔探头内，所属霍尔元件被焊接于所属霍尔附属电路的电路板上，且所述霍尔附属电路的输入输出端口与所述主电路相连接；用于将所述霍尔探头输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路。

进一步的，所述霍尔式角行程阀位变送器还包括：

阀位反馈输出电路，通过接口电路与所述主电路连接；用于将所述主电路输出的阀位测量数据以总线的方式，采用有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

进一步的，所述有线传输电路包括：开关光耦，触发整形电路，D/A转换器，模拟电压放大器，电流放大器以及电流负反馈电路；

其中，所述开关光耦的信号输入端与所述主电路的信号输出端相连接，所述开关光耦的信号输出端与触发整形电路的信号输入端相连；所述触发整形电路的信号输出端与D/A转换器的信号输入端相连；所述D/A转换器的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连；所述模拟电压放大器的信号输出端与电流放大器的信号输入端相连接；所述电流放大器的信号输出端与电流负反馈电路的信号输入端相连接；所述电流负反馈电路的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连接。

进一步的，将所述主电路输出的测量数据以总线的方式发送给所述上位机，包括：

将所述测量数据以4-20mA,0-20mA或者HART总线的方式，通过有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

进一步的，所述磁钢结构体中：

将两块根据设计需求，特殊材料和特定尺寸的磁钢，放在同一平面的同一条直线上，并将一块磁钢的N极与另一块磁钢的S极相对放置，且间隔一定距离；

在所述磁钢结构体的外侧用高导磁率的导磁钢片连接，形成一封闭的磁场结构体；

在所述磁场结构体的外侧，间隔一定距离，放置一个类似形状的高导磁率的环状金属结构体，作为磁屏蔽层，所述磁场结构体与外侧的磁屏蔽层，在同一平面上、同心放置，且彼此不接触，磁场结构体和外侧的磁屏蔽层一起，被封装成中间凹陷的圆台体形状。

进一步的，所述霍尔探头：

设置为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，内部侧壁带有固定沟槽，用于固定所述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位变送器的本体固定。

进一步的，所述变送器还可以包括：

按键与液晶电路，所述按键与液晶电路通过接口与所述主电路连接，用于设定、修改软件的参数，或者，用于调取阀门阀位的位置数据信息进行显示。

本发明技术方案的实现，一方面能够克服目前角行程阀位变送器中，位移式传感器存在的机械磨损大、滞后、易受外界震动影响、结构寿命低等缺点，另一方面还能够提高角行程阀位变送器、定位器的动静态性能，并能实现阀位数据的高精度反馈传输。

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角行程阀位变送器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的霍尔式角行程阀位变送器的具体结构示意图；

图3为本发明实施例所提供霍尔式角位移传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供霍尔式角行程阀位变送器反馈输出电路原理图。

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。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种霍尔式角行程阀位变送器，包括如下部件：

霍尔式位移传感器11，与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；用于在阀杆运动时，将阀门阀杆的位移转变成电信号，并将所述位置电信号传输给主电路；

主电路12，用于接收所述霍尔式位移传感器发送的所述位置信号，并对所述位置信号进行采样与信息处理，以便实现阀门阀位的位置数据的测量。

可见，通过上述提出的霍尔式角行程阀位变送器的技术方案，不仅能够克服目前角行程阀位变送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、结构寿命低等缺点，还能够提高阀位变送器、定位器的动静态性能，并能实现阀位数据的高精度反馈传输。

如图2所示，本发明实施例霍尔式角行程阀位变送器具体包括霍尔式位移传感器11以及主电路12：

所述霍尔式位移传感器11可以包括：

磁钢结构体111，封装成中间凹陷的圆台体形状；用于与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；

霍尔探头112，设置在所述磁钢结构体中间凹陷的中心位置；用于在阀门的阀杆运动时，实时检测阀门阀杆的位移，并输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号：

霍尔元件及其附属电路113，安装并密封于所述霍尔探头内，且所述霍尔附属电路的输入输出端口与所述主电路相连接；用于将所述霍尔探头输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路。

其中，所述霍尔式位移传感器的具体结构可以参见图3所示：

图3所示，霍尔式位移传感器可以包括磁钢21、导磁钢片22、磁屏蔽层23、霍尔元件24、霍尔附属电路板25、固定材料26、壳体27和霍尔探头28，其中：

针对所述磁钢结构体，具体根据设计需求，特殊材料和特定尺寸的两块磁钢21，放置在同一平面的同一条直线上，其中一块磁钢的N极与另一块磁钢的S极相对放置，且间隔一定距离，在两块磁钢的外侧用高导磁率的导磁钢片22连接，形成一封闭的环状磁场结构体；

在上述磁场结构体的外侧，间隔一定距离，放置一个类似形状的高导磁率的环状金属结构体23，作为磁屏蔽层，两个结构体在同一平面上、同心放置，且彼此不接触。磁场结构体和外侧的磁场屏蔽层一起，被封装成中间凹陷的圆台体形状。

针对霍尔探头28，其外部圆滑呈圆柱状，顶部密封呈半球状；且内部侧壁带有固定沟槽，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28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位变送器的本体固定。

按照图3所示霍尔式位移传感器的结构示例，当阀门的阀杆转动时，霍尔元件输出与阀杆转动角度对应成特定函数关系的模拟电压信号，该模拟电压信号通过所述霍尔附属电路被送入所述主电路12，完成信号的采样与信息处理，实现阀位位置数据的检测。

另外，所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转动物体或部件上，用于测量物体或部件的实时角位移。

进一步的说，如图2所示，所述霍尔式角行程阀位变送器还可以包括：

阀位反馈输出电路114，通过接口电路与所述主电路连接；用于将所述主电路输出的测量数据以总线的方式，采用有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

本发明实施例的具体实现过程中，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，有的通过在电路中间增加了线性光耦进行前后级隔离，由于线性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。为此本发明实施例提出了以下的技术解决方案，通过在所述阀位反馈输出电路中设置如下部件，来提高所述阀位反馈输出电路的传输精度：

如图4所示，当阀位反馈输出电路将所述测量数据采用有线传输电路发送给上位机时，所述有线传输电路包括：开关光耦38，触发整形电路39，D/A转换器310，模拟电压放大器311，电流放大器312以及电流负反馈电路313；

其中，所述开关光耦的信号输入端与所述主电路的信号输出端相连接，所述开关光耦的信号输出端与触发整形电路的信号输入端相连；所述触发整形电路的信号输出端与D/A转换器的信号输入端相连；所述D/A转换器的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连；所述模拟电压放大器的信号输出端与电流放大器的信号输入端相连接；所述电流放大器的信号输出端与电流负反馈电路的信号输入端相连接；所述电流负反馈电路的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连接。

本发明具体实现过程中，来自主电路12的数据信号，通过接口电路37输出到无线传输电路36或有线传输电路，在无线传输电路36中，采用跳频传输技术，将数据信息通过无线网络传输到远端，在远端电路中，数据信息以0-20mA、4-20mA、HART等模式输出；

在有线传输电路中，数据输出到开关光耦38，经过触发整形电路39后，输入D/A转换器310，D/A转换器310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311放大并输出至电流放大器312，与负反馈电路313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、0-20mA环路电流或HART输出，从而提高所述阀位反馈输出的传输精度。

因此，可以看出，本发明实施例中可以将所述测量数据以4-20mA,0-20mA或者HART总线等方式，通过有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

另外，本发明实施例所述变送器还可以包括：

按键与液晶电路115，所述按键与液晶电路通过接口与所述主电路连接，用于设定、修改软件的参数，或者，用于调取阀门阀位的位置数据等信息进行显示。

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来实现阀门阀位位置数据的采集，克服了当前角行程阀位变送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；

另外，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、封装成带有中央凹陷的特殊磁钢结构体，形成稳定的测量磁场的测量装置，提高了霍尔传感器的信号抗干扰能力，不仅可以大幅提高角行程阀位变送器或智能阀门定位器位置检测装置的性能，而且该霍尔传感器具有通用性，可以作为单独的角位移传感器使用，实现无接触位移测量；

通过在阀位反馈输出回路中，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；在阀位变送器的阀位反馈输出部分，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。

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揭露的技术范围内，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 (5)

1.一种霍尔式角行程阀位变送器，其特征在于，包括：

霍尔式位移传感器，与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；用于在气动执行机构的转轴或阀门的阀杆运动时，将转轴或阀杆的位移量转变成电信号，并将转轴或阀杆的位置数据传输给主电路；其包括：磁钢结构体，封装成中间凹陷的圆台体形状；用于与气动执行机构的转轴或阀门的阀杆固定在一起；霍尔探头，设置在所述磁钢结构体中间凹陷的中心位置；用于在气动执行机构的转轴或阀门的阀杆运动时，实时检测转轴或阀杆的位移，并输出与运动位移成特定函数关系的模拟电压信号：霍尔元件及其附属电路，安装并密封于所述霍尔探头内，且所述霍尔元件被焊接于霍尔附属电路的电路板上，霍尔附属电路的输入输出端口与所述主电路相连接；用于将所述霍尔探头输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路；

主电路，用于接收所述霍尔式位移传感器发送的所述位置数据，并对所述位置数据进行采样与信息处理，以便实现阀门阀位的位置数据的测量；

所述霍尔式角行程阀位变送器包括：阀位反馈输出电路，通过接口电路与所述主电路连接；用于将所述主电路输出的测量数据以总线的方式，采用有线传输电路发送给上位机；所述有线传输电路包括：开关光耦，触发整形电路，D/A转换器，模拟电压放大器，电流放大器以及电流负反馈电路；其中，所述开关光耦的信号输入端与所述主电路的信号输出端相连接，所述开关光耦的信号输出端与触发整形电路的信号输入端相连；所述触发整形电路的信号输出端与D/A转换器的信号输入端相连；所述D/A转换器的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连；所述模拟电压放大器的信号输出端与电流放大器的信号输入端相连接；所述电流放大器的信号输出端与电流负反馈电路的信号输入端相连接；所述电流负反馈电路的信号输出端与模拟电压放大器的信号输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于，将所述主电路输出的测量数据以总线的方式发送给所述上位机，包括：

将所述测量数据以4-20mA,0-20mA或者HART总线的方式，通过有线传输电路发送给上位机。

3.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于，所述磁钢结构体中：

将两块根据设计需求，特殊材料和特定尺寸的磁钢，放在同一平面的同一条直线上，并将一块磁钢的N极与另一块磁钢的S极相对放置，且间隔一定距离；

在所述磁钢结构体的外侧用高导磁率的导磁钢片连接，形成一封闭的磁场结构体；

在所述磁场结构体的外侧，间隔一定距离，放置一个类似形状的高导磁率的环状金属结构体，作为磁屏蔽层，所述磁场结构体与外侧的磁屏蔽层，在同一平面上、同心放置，且彼此不接触，整个磁钢结构和外侧的磁屏蔽层一起，被封装成中间凹陷的圆台体形状。

4.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于，所述霍尔探头：

设置为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，内部侧壁带有固定沟槽，用于固定所述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位变送器的本体固定。

5.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于，所述变送器还包括：

按键与液晶电路，所述按键与液晶电路通过接口与所述主电路连接，用于设定、修改软件的参数，或者，用于调取阀门阀位的位置数据信息进行显示。