CN104019275A - 一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，包括霍尔传感器、主电路和反馈输出电路组成，其中所述霍尔传感器又包括磁钢结构体和霍尔探测头。所述磁钢结构体与阀门的阀杆连接，并随着阀杆的运动而运动，霍尔探测头被设置于磁钢结构体永久磁场中的特定位置，当霍尔探测头与磁钢结构体之间产生相对运动时，霍尔探测头便输出与位移呈近似线性关系的信号。

Description

一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置

技术领域

本发明涉及传感器、检测技术和自动控制技术领域，尤其涉及一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置。

背景技术

传感器与检测技术，广泛应用于工业生产，尤其是自动控制工程领域。其工作原理是，通过对物体位移的实时采样，获取物体的当前位置数据，并与设定值相比较，根据差值和差值变化，完成对物体运动速度与位移的调节与控制，使物体位移始终保持在设定值。通过反馈输出电路，可以将物体位置数据反馈输出至控制器。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，现有技术中阀门阀位的检测装置中，接触式测量方法，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，该信号输出至主电路进行信号的采样与处理；基于电磁场的非接触式阀位测量方法，一般有磁阻式非线性测量和霍尔式非线性测量两种。

上述现有技术中阀位检测装置在测量过程中，接触式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，非接触式磁阻式、霍尔式检测装置中，由于采用非线性测量原理，导致计算复杂、计算耗时影响控制效果等诸多缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，能够克服接触式物位检测装置中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、结构寿命低或非接触式磁阻式、霍尔式检测装置中，由于采用非线性测量原理，导致计算复杂、计算耗时影响控制效果等诸多缺点。拥有更强的适应性，更高的测量精度；同时由于应用了一种近似线性的测量技术和简单的近似线性计算方法，所以运算速度提高，大大提高了测控系统的控制性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，包括磁钢结构体、霍尔探测头、主电路和反馈输出电路组成。所述磁钢结构体与阀门的阀杆连接，并随着阀杆的运动而运动，霍尔探测头被设置于磁钢结构体永久磁场中的特定位置，当霍尔探测头与磁钢结构体之间产生相对运动时，霍尔探测头便输出与位移呈近似线性关系的信号。

所述霍尔探测头，包括霍尔芯片、霍尔附属电路和探头壳体组成，且霍尔芯片焊接安装于霍尔附属电路的电路板上，所述霍尔附属电路的电路板安装于霍尔探测头的壳体之内，所述霍尔探测头的壳体是一个一端密封的中空金属结构，底部带有安装法兰和橡胶密封圈，可以连接固定于霍尔式阀位测量装置的本体。

所述磁钢结构体的结构属于特殊设计：一个磁钢结构体一般由两块磁钢的组成，两块磁钢的材质、磁性、厚度弧度、应该保持一致。其中一块磁钢的N极和S极分别与另一块磁钢的S极和N极、在同一个平面上相对、平行排列，且两者间隔一定的距离，其中两块磁钢的对应面，应该保持平行。譬如两个长方体形状磁钢之间的平行平面；同心放置的内外两个圆弧状条形磁钢之间的圆弧状曲面；上、下两个圆环（180弧度）状磁钢之间的平行平面等。

在所述磁钢结构体的永久磁场空间内，存在一段特殊区间，在该区间内沿着特殊要求的运动轨迹，磁场呈现良好的线性分布特性，沿着该轨迹运动的霍尔芯片或霍尔元件，可以产生线性输出信号，进而可以测量物体位移。在所述磁钢结构体磁钢的两端可以分别连接高导磁率的特殊结构“U”形导磁钢片，在该磁钢结构体的外部是一层磁屏蔽层，根据不同的测量需要，磁钢结构体可以封装成不同的形状，譬如中间带有“U”形凹槽的直立形状，以便进行直行程测量；或者带有环形凹槽的圆盘体形状，以便进行角行程测量。

将所述霍尔探测头设置于上述磁钢结构体的凹槽内，当所述磁钢结构体随着阀杆运动时，霍尔探测头便输出与位移成近似线性关系的信号。该信号被送入主电路进行采样与数据处理，获得当前阀位数据，处理后的阀位数据可以进行实时显示或经过位置反馈电路输出至上位机。

通过该霍尔式阀位测量装置，就能够克服目前接触式位移测量装置中位移式电位器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，非接触式磁阻式、霍尔式位移检测装置中，由于采用非线性测量原理，导致计算复杂、计算耗时影响控制效果等诸多缺点。

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基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的用于角行程测量的霍尔传感器结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的用于角行程测量的霍尔传感器结构示意图；

图4为本发明实施例3提供的用于直行程测量的霍尔传感器结构示意图；

图5为本发明实施例3提供的用于直行程测量的霍尔传感器改进结构示意图；

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一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，所述霍尔测量装置包括霍尔传感器1、主电路2和反馈输出电路3组成，其中所述霍尔传感器又包括磁钢结构体11和霍尔探测头12。所述磁钢结构体11与阀杆连接并固定，随着阀杆的运动而运动，所述霍尔探测头12通过连接法兰和橡胶密封圈安装固定于所述霍尔式测量装置的本体上，当阀杆运动时，所述磁钢结构体11与所述霍尔探测头12之间产生相对位移，所述霍尔探测头12中的霍尔芯片（元件）产生相应的电压信号，该信号通过霍尔附属电路，传输至所述主电路2，在主电路中完成采样与数据处理，获得当前阀位数据，阀位数据可以通过所述反馈输出电路3输出至上位机，也可以通过LCD电路实时显示。

如图2所示，本发明的实施例1提供的一种用于角行程测量的霍尔传感器结构示意图，该实施例的霍尔传感器主要包括环上层圆环状磁钢体20、下层圆环状磁钢体21，圆弧弧度一般都设置为180度左右，霍尔芯片（元件）22和霍尔附属电路板21，其中，所述霍尔芯片（元件）22焊接在所述霍尔附属电路板21之上，所述霍尔芯片21和霍尔附属电路板22，可以一起封装在霍尔探测头壳体之内，并可以沿着轨迹24运动，且霍尔芯片（元件）设置于所述上层圆环状磁钢20和下层圆环状磁钢21之间垂线的中间位置。其中，所述上层圆环状磁钢体20的N极和S极分别与所述下层圆环状磁钢体21的S极和N极相对排列，且均沿着圆弧方向、采用同样的方法进行充磁。假设上层圆环状磁钢体20的右端横截面203为N极，则上层圆环状磁钢体20的左端横截面204为S极，相应的下层圆环状磁钢体21的右端横截面211为S极，则下层圆环状磁钢体21的左端横截面212为N极。

如图3所示，为本发明的实施例2提供的一种用于角行程测量的霍尔传感器结构示意图，该实施例的霍尔传感器，主要包括霍尔芯片（元件）34，霍尔附属电路板33，圆弧状条形磁钢体31和圆弧状条形磁钢体32，且两个圆弧状条形磁钢结构体的圆弧弧度一般都设置为180度左右，霍尔芯片（元件）34和霍尔附属电路板33，其中，所述霍尔芯片（元件）34焊接在所述霍尔附属电路板33之上，所述霍尔芯片34和霍尔附属电路板33，可以一起封装在所述霍尔探测头的壳体之内，并可以沿着轨迹35运动，且所述霍尔芯片（元件）34设置于所述外层圆圆弧状条形磁钢体31和所述内层圆弧状条形磁钢体32半径之差的中间位置。其中，所述外层圆弧状条形磁钢体31的N极和S极分别与所述内层圆弧状条形磁钢体32的S极和N极相对排列，且均沿着圆弧方向、采用同样的方法进行充磁，假设外层圆弧状条形磁钢体31的右端横截面301为N极，则外层圆弧状条形磁钢体31的左端横截面302为S极，相应的内层圆弧状条形磁钢体32的右端横截面303为S极，则内层圆弧状条形磁钢体32的左端横截面304为N极。

如图4所示，为本发明的实施例3提供的一种用于直行程测量的霍尔传感器结构示意图，该实施例的霍尔传感器，主要包括霍尔芯片（元件）44，霍尔附属电路板43，长方体状磁钢体42和长方体状磁钢体41，且两个长方体状磁钢结构体保持平行状态。霍尔芯片（元件）44和霍尔附属电路板43，其中，所述霍尔芯片（元件）44焊接在所述霍尔附属电路板43之上，所述霍尔芯片44和所4霍尔附属电路板33，可以一起封装在所述霍尔探测头的壳体之内，且所述霍尔芯片（元件）44设置于所述长方体状磁钢体42和长方体状磁钢体41之差的中间位置，并可以沿着经过所述长方体状磁钢体42和所述长方体状磁钢体41之间二分之一处的垂面，做上下垂直运动。其中，所述长方体状磁钢体42的N极和S极分别与所述长方体状磁钢体41的S极和N极相对排列，且均采用同样的方法进行径向充磁。

进一步的，在上述的磁钢结构中，磁钢体的两端均可以增加导磁钢片结构，将一条磁钢体的N极或S极与另一条磁钢结构体的S极或N极相连接，以增大所述霍尔传感器中磁钢结构体的线性磁场区间，在磁钢结构体的外部增加磁屏蔽层，以增强其抗外部电磁干扰的能力。

进一步的，如图5所示，直行程霍尔传感器可以包括磁钢体51，导磁钢片56，磁屏蔽层52，

霍尔芯片（元件）53，霍尔附属电路54和霍尔探测头的壳体55等组成，在磁钢体的两个端可以增加高导磁率的所述导磁钢片56，在磁钢结构体的外部增加了所述磁屏蔽层52，将所述霍尔芯片（元件）53和霍尔附属电路54，安装并固定于所述霍尔探测头的壳体55之中，所述霍尔探测头的壳体55，是一个一端密封的中空金属体，另一端有安装法兰和密封橡胶圈，通过螺栓与阀位测量装置的本体固定连接。

进一步的，不仅仅是直行程磁钢结构，所有符合所述上述测量原理的磁钢结构体，都可以在磁钢的端点处增加导磁钢片，在结构体的外部增加磁屏蔽层。

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 (9)

1.一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，所述阀位测量装置包括磁钢结构体、霍尔探测头、主电路和反馈输出电路组成，所述磁钢结构体与阀门的阀杆连接，并随着阀杆的运动而运动，霍尔探测头被设置于磁钢结构体永久磁场中的特定位置，当霍尔探测头与磁钢结构体之间产生相对运动时，霍尔探测头便输出与位移呈近似线性关系的信号。

2.如权利要求1所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，所述霍尔探测头，包括霍尔芯片、霍尔附属电路和探头壳体组成，且霍尔芯片焊接安装于霍尔附属电路的电路板上，所述霍尔附属电路的电路板安装于霍尔探测头的壳体之内。

3.如权利要求1、2所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，所述磁钢结构体的结构属于特殊设计：一个磁钢结构体一般由两块磁钢组成，两块磁钢的材质、磁性、厚度、弧度、应该基本保持一致，其中一块磁钢的N极和S极分别与另一块磁钢的S极和N极、在同一个平面上相对、平行排列，且两者间隔一定的距离，其中两块磁钢的对应面，譬如两个长方体形状磁钢之间的平面；同心放置的、具有同一圆心而具有不同半径的、内外两个圆弧状条形磁钢之间的圆弧状曲面；上、下两个圆环（一般180弧度左右）状磁钢之间的平面等，应该保持相互平行。

4.如权利要求1、2、3所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，所述磁钢结构体的永久磁场空间内，存在一段特殊区间，在该区间内沿着特殊要求的运动轨迹，磁场呈现良好的线性分布特性，沿着该轨迹运动的霍尔芯片或霍尔元件，可以产生线性输出信号，进而可以测量物体位移，上述线性区间的霍尔芯片（元件）测量运行轨迹，应该经过上述磁钢结构体中两个对应平行的曲面、平面之间的中心位置处。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，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进行封装，在所述磁钢结构体磁钢的两端可以分别连接高导磁率的特殊结构“U”形导磁钢片，在该磁钢结构体的外部是一层磁屏蔽层，根据不同的测量需要，磁钢结构体可以封装成不同的形状，譬如中间带有“U”形凹槽的直立形状，以便进行直行程测量；或者带有环形凹槽的圆盘体形状，以便进行角行程测量。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，可以有反馈输出电路，以4-20mA、HART、FF等方式输出阀位信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，还可以有按键和液晶显示电路，以便进行相关参数的设置和数据的显示。

8.根据权利要求1所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，该装置不仅仅局限于阀门的阀位测量，用于阀门定位器、智能阀门定位器或阀位变送器使用，可以作为一般通用的物位测量传感器使用。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的一种基于线性测量原理的霍尔式阀位测量装置，其特征在于，配合软件设计，可以具有超低功耗特性。