CN103792030A - 一种霍尔压力变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔压力变送器，所述霍尔压力变送器包括压力测量传感器、变送器和附属电路。压力测量传感器用于将输入端的压力数值转换成霍尔电压输出，该霍尔电压在变送器中进行采样和数据处理，变送器可以将处理后的压力数据，以4—20mA,HART等总线模式传送至上位机。附属电路可以包括按键与液晶显示电路。本发明技术方案，克服了传统弹簧管压力变送器存在机械摩擦、机械滞后严重、易受外界振动影响、结构件寿命低等缺点。本发明实现了压力信号的线性、实时、无接触测量、超低功耗转换，而且能将测量数据高精度反馈传输。

Description

一种霍尔压力变送器

技术领域

本发明涉及电子技术、传感器技术、检测与控制技术领域，更具体的说，尤其涉及一种霍尔压力变送器。

背景技术

压力测量，是检测与控制技术领域的重要内容之一，压力测量与变送装置更是广泛应用于工业生产中，尤其是过程控制工程领域。压力测量装置的工作原理主要是：当输入压力变化时，压力传感器中的敏感元件便会产生相应的电信号输出，对该信号进行实时采样和数据处理，便可以获取当前输入压力变化值；处理后的输入压力数据，可以通过反馈电路传输至上位机。压力变送器便是一种常见的压力测量与变送装置。

目前，在现有技术中的弹簧管压力测量变送装置中的压力测量传感器，有以下几种测量原理：

其一，衔铁+差动变压器模式

弹性元件位移到电信号的转换，一般采用衔铁+差动变压器模式，该模式下功耗较高，不适应于4-20mA回路；

其二，接触式转换模式

采用接触式转换装置，譬如电阻丝应变片，实现机械位移到电信号的转变。采用上述现有技术的接触式检测装置，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、存在非线性、精度低、结构寿命短等诸多缺点。

其三，无接触式霍尔元件

目前霍尔压力变送器，普遍存在功耗较大、非线性严重等缺点，实时测控效果较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种霍尔压力变送器，不仅能够克服现有压力变送器中机械位移到电信号转换环节功耗较大，不适用于4-20mA回路；或者存在机械磨、机械滞后严重、易受外界振动影响、非线性严重、测量精度低、结构寿命低等缺点；同时克服了目前霍尔式弹簧管压力变送器中无线性角位移霍尔传感器等缺陷。本发明实现了压力信号线性、连续检测，机械位移到电信号之间的无接触、超低功耗转换，而且能将压力数据高精度反馈传输。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种霍尔压力变送器，包括：

压力测量传感器，所述压力测量传感器包括弹簧管、杠杆-齿轮系统、角位移霍尔传感器组成；所述弹簧管的输入压力变化时由于自身弹性变形而使自由端产生位移，所述弹簧管的自由端与杠杆-齿轮系统刚性连接，所述杠杆-齿轮系统将该位移放大，所述杠杆与所述角位移霍尔传感器中的霍尔探头刚性连接，当所述弹簧管的输入压力变化时，所述霍尔探头与所述杠杆同步移动一定的角度，从而使所述角位移霍尔传感器输出一定的霍尔电压信号。

变送器，所述变送器包括主电路、反馈输出电路组成；所述主电路，用于接收所述角位移霍尔传感器发送的霍尔电压信号，并对该电压信号进行采样与信息处理，所述反馈输出电路用于将所述主电路采样处理后的压力数据传输至所述上位机。

进一步的，所述角位移霍尔传感器包括：

磁钢构件，所述磁钢构件由四部分组成：同心放置的两个圆弧状条形永久磁钢，两个“U”形导磁钢片，磁屏蔽层，加固与保护层。其中，根据设计需求，将2条特殊材料和特定尺寸的磁钢，加工制作成具有同一圆心、不同半径的圆弧形状磁钢体，且2条磁钢所对应的圆弧的弧度均为180度，且均沿圆弧方向充磁；在同一平面上，将2条圆弧状条形磁钢同心放置，并将其中一条磁钢的N极与另一条磁钢的S极内外相对放置，且间隔一定距离；在所述圆弧状条形磁钢的两个端点处，各用一片高导磁率的“U”形导磁钢片将内外两个圆弧状条形磁钢连接，在2条圆弧状的条形磁钢之间形成一个特殊结构的磁场；在上述磁钢结构体的外部是磁屏蔽层；整个磁钢构件被封装成带有180度或360度弧度圆环状沟槽的圆盘体。所述磁钢构件用于产生可进行角位移测量的磁场，在上述180度或360度弧度圆环状沟槽内部是可进行角位移线性测量的磁场。

霍尔探头，所述霍尔探头设置在所述两个圆弧状条形永久磁钢之间，即2条磁钢所在圆的半径之和二分之一的位置；所述霍尔探头被设计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，用于固定所述霍尔电路板；所述霍尔探头的底部可带有橡胶密封圈和连接法兰，通过螺栓与所述杠杆相连接固定；所述霍尔元件及其附属电路被焊接于是所述霍尔电路板上，所述霍尔元件用于探测磁场并产生电信号输出，所属霍尔附属电路的输入输出端口与所述主电路相连接，用于将所述霍尔元件输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路；所属霍尔探头用于安装和保护所述霍尔元件及其附属电路和霍尔电路板。

进一步的，所述反馈输出电路：

所述反馈输出电路通过接口电路与所述主电路和上位机连接；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。

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；

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总线等方式，通过有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

所述霍尔压力变送器，还可以包括附属电路，所述附属电路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相连接，用于设定、修改软件的参数，或者，用于调取数据等信息进行显示。

本发明技术方案的实现，

不仅能够克服现有弹簧管压力变送器中位移-电信号转换环节存在的功耗较大，不适用于4-20mA回路；或者存在机械磨、机械滞后严重、易受外界振动影响、非线性严重、测量精度低、结构寿命低等缺点；同时克服了目前霍尔式弹簧管压力变送器中无线性角位移霍尔传感器等缺陷。本发明实现了压力信号线性、连续检测，机械位移到电信号之间的无接触、超低功耗转换，而且能将压力数据高精度反馈传输。

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压力变送器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的霍尔压力变送器的电路原理图；

图3为本发明实施例所提供霍尔式角行程传感器结构示意图；

图4为本发明实施例所提供弹簧管结构示意图；

图5为本发明实施例所提供霍尔压力变送器系统结构图；

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，本发明实施例霍尔压力变送器具体包括压力测量传感器11、变送器22和附属电路33。

如图2所示，所述压力测量传感器11由弹簧管111、杠杆-齿轮系统112、角位移霍尔传感器113组成；所述压力测量传感器11，用于检测输入压力，当输入压力P变化时，将输入压力变化所引起的位移量转变成电信号，并将所述电信号传输给所述变送器12；所述变送器12由主电路115、反馈输出电路116组成，所述变送器12用于接收所述压力测量传感器11发送的所述电信号，并对所述电信号进行采样和数据处理，实现对输入压力的测量和测量数据的反馈传输。

进一步的，如图4、图5所示：

所述弹簧管111由弹簧管接头31、弹簧管本体32、自由端33组成，所述弹簧管接头31用于连接所述弹簧管本体32与外部气源；所述弹簧管本体32是压力测量的弹性元件，其输入端与所述弹簧管接头31连接，其输出端与所述自由端33连接；当外部输入气压P时，根据弹性变形原理，所述弹簧管本体32开始膨胀变形，使所述自由端33产生弹性变形位移，该位移传递给所述杠杆-齿轮系统；

所述杠杆-齿轮系统112由拉杆34、扇形齿轮35、杠杆36、游丝与中心小齿轮37、支点42、指针38组成；所述拉杆34的前端与所述自由端33连接，所述拉杆34的后端与所述杠杆36连接，所述扇形齿轮安装固定在所述杆杠36上，并与所述游丝与中心小齿轮37中的中心小齿轮连接，所述中心小齿轮37连接游丝并通过转轴与壳体连接，所述指针38安装固定在所述中心小齿轮37上，所述杠杆36同时还连接所述角位移霍尔传感器113中的霍尔探头41，所述支点42与壳体和所述杆杠36连接；当所述自由端33因所述弹簧管本体32产生弹性变形位移时，该位移量通过所述拉杆34传递给所述杠杆-齿轮系统的杠杆36，使所述杠杆36绕所述支点42转动一定的角度，所述杠杆36的角位移通过所述扇形齿轮35传递给所述中心小齿轮37，使之带动所述指针38旋转，同时，所述杠杆36带动所述霍尔探头41同步运动。

所述角位移霍尔传感器113，包括：

磁钢构件，所述磁钢构件包括2条圆弧状条形磁钢39、40；2个 “U”形导磁钢片15、16；磁屏蔽层2、6；加固与保护层7、4；其中两条圆弧状条形磁钢所对应的圆弧弧度均为180度，且均沿圆弧方向充磁，在同一平面同一圆心放置，2条所述圆弧状条形磁钢39的N极14、S极8，分别与磁钢40的S极13、N极9内外相对放置；所述磁钢构件外部是包括磁屏蔽层2、6在内的磁屏蔽层；整个磁钢构件被封装成带有圆环状沟槽的圆盘体，用于产生进行角位移测量的磁场；

霍尔探头，所述霍尔探头41设置在所述永久磁钢构39、40之间的中心位置，所述霍尔探头41由所述探头保护层12、所述霍尔元件及其附属电路11、所述霍尔电路板10组成；所述霍尔元件及其附属电路11、所述霍尔电路板10，安装并密封于所述霍尔探头护层12内，其中所述霍尔元件是磁敏感元件，可产生与所处磁场场强成某种函数关系的模拟电压，通过输入输出端口将所述霍尔元件输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路115；所述霍尔探头41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，电路板10可以插接固定其中；所述霍尔探头41，被放置于所述圆弧状条形磁钢39、40之间的位置，其半径等于所述圆弧状条形磁钢39、40各自所在圆半径之和的一半；所述霍尔探头41的底部可带有橡胶密封圈和连接法兰，可通过螺栓与所述杠杆36连接固定；

进一步的，通过将所述霍尔探头41设置在所述2条所述圆弧状条形磁钢39、40之间；将所述霍尔元件及其附属电路11、所述霍尔电路板10 安装密封于所述霍尔探头41内部；将所述2条所述圆弧状条形磁钢39、40，2个导磁钢片15、16，磁屏蔽层2、13和加固与保护层7、4等设计、封装成带有圆环状沟槽的圆盘体磁钢构件；不仅形成了一个稳定的可进行角位移测量的磁场，而且提高了角位移霍尔传感器的抗干扰能力。

如图2所示，所述霍尔压力变送器还包括：

变送器12，所述变送器12包括主电路115和反馈输出电路116组成，所述主电路115用于接收所述压力测量传感器11发送的所述电信号，并对所述电信号进行采样和数据处理，实现对输入压力的测量，还可以将处理后的压力数据通输出至所述反馈输出电路116；所述反馈输出电路116通过接口电路与所述主电路115连接，用于将所述主电路115采样、处理后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。

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。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；在测量装置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。

如图1、图2所示，所述霍尔压力变送器还可以包括：

附属电路33，附属电路33包括按键与液晶电路114等，所述按键与液晶电路114通过接口与所述主电路115连接，用于设定、修改相关参数，或者，用于调取内部数据等信息进行显示。

进一步的，如图4所示：其中，B点是静态下的弹簧管自由端初始位置位置，C点是输入压力后自由端产生位移后的位置。根据弹性变形原理，对于薄壁弹簧管，中心角相对变化量与被测压力之间的关系表达式如下：

…………（1）

式中，

—弹簧管材料的泊松系数；

—弹簧管弹性模数；

，

—弹簧管的截面的长半轴、短半轴；

—弹簧管几何参数，；

，

—与

 比值有关的系数；

当弹簧管的材料、结构尺寸及其所决定的参数不变时，弹簧管的自由端的中心角位移变化量

，与输入压力

成正比。

进一步的，霍尔压力变送器的具体测量原理与计算方法如下：

如图3所示，当所述霍尔探头41沿着半径

所确定的圆弧，其中，在一定角度范围内运动时，可以实现角位移的近似线性测量和线性计算。

如图5所示，设L1、L3为霍尔压力变送器的线性测量区间边界线，则角位移的起始线可设置为L2，具体计算方法有如下两种：

输出模拟电压—周长计算公式：

…………（2）

式中，

：与霍尔元件（霍尔芯片）、磁场场强有关的常数，即霍尔系数；

：角位移所对应的圆弧的弧长；

：霍尔元件输出的模拟电压幅值；

输出模拟电压—角度计算公式：

…………(3)

式中，

：与霍尔元件（霍尔芯片）、磁场场强有关的常数，即霍尔系数；

：角位移量（弧度数值）；

：霍尔探头41运行轨迹的圆周半径；

：圆弧状条形磁钢39所在圆周半径；

：圆弧状条形磁钢40所在圆周半径；

：霍尔元件输出的模拟电压的幅值； 

另外，上述测量装置的位移输入量与输出信号幅值之间的特殊函数关系，包括线性特征、线性计算方法及其具体计算公式—公式（2），具有通用性，不仅仅适用于本发明中所描述的所述压力变送器中的磁钢结构，也同样适用于另外一种磁钢结构，即在同一平面上平行放置的2条具有相同几何形状、尺寸和用相同方式充磁的磁钢，且1条磁钢的N极、S极分别与另一条条形磁钢的S极、N极相对排列、2条磁钢对称放置，彼此间隔一定距离。其中，

表示为所述霍尔探头在磁钢结构线性区间的相对直线位移量。

所述霍尔元件产生的模拟电压信号通过接口电路被送入所述主电路115，完成信号的采样与数据处理，从而实现所述角位移霍尔传感器113中角位移量的近似线性测量和计算。

根据数学公式（1）、数学公式（2）或数学公式（3），以及霍尔元件和磁钢结构的相关参数，便可以计算出在某一输入压力

下的输出角位移量及其输出电压值。

综上所述，采用本实施方式提供的技术方案，通过采用线性角位移霍尔传感器来实现弹簧管压力变送器中压力信号的采集和处理，不仅能够克服现有弹簧管压力变送器中位移-电信号转换环节存在的功耗较大，不适用于4-20mA回路；或者存在机械磨损、机械滞后严重、易受外界振动影响、非线性严重、测量精度低、结构寿命低等缺点；同时克服了目前霍尔式弹簧管压力变送器中无线性角行程霍尔传感器等缺陷。本发明实现了压力信号线性、连续检测，以及机械位移到电信号之间的无接触、超低功耗转换，而且能将压力数据高精度反馈传输至上位机。

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 (9)

1.一种霍尔压力变送器，其特征在于，包括：

压力测量传感器，所述压力测量传感器包括弹簧管、杠杆-齿轮系统、角位移霍尔传感器组成；所述弹簧管输入压力变化时，所述弹簧管由于自身机械形变而使自由端产生位移，由于所述弹簧管的自由端与杠杆-齿轮系统连接，所述杠杆-齿轮系统将该位移放大；所述杠杆-齿轮系统与所述角位移霍尔传感器中的霍尔探头连接，当弹簧管输入压力变化时，所述霍尔探头与所述杠杆系统同步移动一定的角度，从而使所述角位移霍尔传感器输出一定的霍尔电压信号；

变送器，所述变送器包括主电路、反馈输出电路组成，所述主电路，用于接收所述角位移霍尔传感器发送的霍尔电压信号，并对该信号进行采样与信息处理，以实现压力数据的测量；所述反馈输出电路用于将所述主电路采样处理后的压力数据传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的压力变送器，其特征在于，所述角位移霍尔传感器包括：

磁钢构件，所述磁钢构件由四部分组成：封装成同心放置的两个圆弧状条形永久磁钢，两个分别安装于上述磁钢端点处的“U”形导磁钢片，磁屏蔽层，加固与保护层；所述磁钢构件用于产生可进行角位移测量的磁场；

霍尔探头，所述霍尔探头包括探头护层、霍尔元件及其附属电路、霍尔电路板组成，所述霍尔探头设置在所述磁钢构件内外两个圆弧状条形永久磁钢所在圆的、半径之和二分之一的位置，用于将所述霍尔元件输出的所述模拟电压信号发送给所述主电路；

根据权利要求1所述的压力变送器，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总线等方式，通过有线传输电路或无线传输电路发送给上位机。

3.根据权利要求1、2所述的压力变送器，其特征在于，所述磁钢构件中，将2条根据设计需求，特殊材料和特定尺寸的永久磁钢，加工制作成2条具有同一圆心不同半径的圆弧状条形结构，均有180度的圆弧弧度，且均沿圆弧方向充磁；在同一平面上，2条圆弧状条形磁钢同心放置，并将一条磁钢的N极与另一条磁钢的S极内外相对放置，间隔一定距离；在所述圆弧状条形磁钢的两个端点处，各用一片高导磁率的“U”形导磁钢片将内外2条圆弧状条形磁钢相连接，在2条磁钢之间形成一特殊结构的永久磁场；在所述磁钢结构体的外侧是磁屏蔽层；整个磁钢构件被封装成带有180度或360度圆弧弧度圆环状沟槽的圆盘体形状。

4.根据权利要求1、2所述的压力变送器，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，用于固定所述霍尔电路板，所述霍尔探头的底部可带有橡胶密封圈和连接法兰，可通过螺栓与所述杠杆相连接固定。

5.根据权利要求1所述的压力变送器，其特征在于，还可以包括附属电路：

 所述附属电路包括按键与显示电路等电路，所述按键与液晶显示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，或者用于调取内部数据等信息进行显示等。

6.根据权利要求1、2所述的压力变送器，其特征在于，所述角位移霍尔传感器的角位移输入量与输出信号幅值之间的关系，即在一定的角度或弧度范围内，其输入输出关系为近乎线性的函数关系，可实现对角位移的连续、线性测量和输出；包括霍尔元件输出的模拟电压幅值与对应的角位移圆弧弧长或角位移角度之间的线性计算方法及其具体计算公式。

7. 根据权利要求1、2、4、7所述的压力变送器，其特征在于，所述压力测量装置的压力输入值与输出信号幅值之间的关系，包括线性特征、线性计算方法及其具体计算公式，具有通用性，不仅仅适用于本发明中所描述的压力变送器中的磁钢结构，也同样适用于另外一种磁钢结构，即在同一平面上平行放置的2条具有相同几何形状、尺寸和用相同方式充磁的磁钢，该2条磁钢的N、S极相对放置、2条磁钢对称排列，彼此间隔一定的距离；譬如2条具有完全相同的几何形状和尺寸的垂直放置的长方体磁钢，利用相同的方式充磁，具有相同的磁场分布和磁场特征，且2条磁钢左右对称、平行放置于通一平面之上，两者之间间隔一定距离，其中一条磁钢的N极与另一条磁钢的S极相对应放置。

8.根据权利要求1、2所述的压力变送器，其特征在于，所述角位移霍尔传感器中的霍尔元件选择和软、硬件电路设计，可以使测量装置在低功耗、超低功耗状态下运行。

9.根据权利要求1、2所述的压力变送器，其特征在于，所述压力测量传感器，其中的压力测量弹性元件不仅仅局限于单圈弹簧管，可以是多圈弹簧管；同时，弹性元件也不仅仅局限于单圈或多圈弹簧管，可以是其他的可以进行力测量的弹性元件，譬如波纹管等；相应的，当采用直行程形变的弹性元件作为力测量元件时，所述的霍尔传感器也不仅仅局限于角行程霍尔位移传感器，可以使用直行程霍尔位移传感器。

Images