CN107192428A - 一种新型磁霍尔液位传感器 - Google Patents

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刘长庚
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    • G01F23/74—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats of the free float type without mechanical transmission elements using magnetically actuated indicating means for sensing changes in level only at discrete points

Abstract

一种新型磁霍尔液位传感器，包括有壳体以及设于壳体内与壳体配套的PCB板，壳体外壳上设有浮子，浮子内设有磁体，还包括有控制模块，控制模块包括有MCU控制器、A/D转换模块、D/A转换模块、用于检测温度的温度检测模块、信号输出接口模块，所述A/D转换模块、D/A转换模块、温度检测模块以及信号输出接口模块分别与MCU控制器连接；PCB板上沿长度方向依次设有若干霍尔元件，各个霍尔元件的输出引脚均连接有电阻R，各个电阻R之间依次串联。具有高分辨率、高精度的特点，完全可以满足客户对液位传感器精度的需求；输出的液位信号呈线性变化，数据容易处理；可根据不同的长度可裁剪信号数，大大提升后期数据整理效率。

Description

一种新型磁霍尔液位传感器
技术领域
本发明涉及液位测量领域，尤其是一种新型磁霍尔液位传感器。
背景技术
现有技术中的液位传感器大多使用干簧管作为磁感应元件，但是干簧管触点和簧片是相当小而精致的，所以它们难以承受高压或大电流。电流过大时，簧片会因过热失去弹性。即开关容量小，接点易产生抖动以及接点接触电阻大；而且干簧管的故障排查工序多，故障干簧管需要用专用仪器(如AT值测试器、绝缘耐压测试器、内阻测试器等)检测；而且不适合误差范围小的产品设计：AT值范围大，从成本角度考虑不能保证批量产品的AT值都相同，并且配套磁石也不尽相同。后来市场上出现了使用霍尔元件代替干簧管作为磁感应元件，但是这种无法通用，需要根据客户需要进行单独定制，同时精度较差，而且生产成本非常大。再后来出现的可批量生产的磁-霍尔液位传感器，可替换现有常规液位传感器的需求，通用性高，但是分辨率不高，批量生产速度不高。
因此现在市场上迫切需要一种满足可贴片的快速生产速度要求同时具有高分辨率、高精度、高品质的新型磁霍尔液位传感器。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种新型磁霍尔液位传感器。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种新型磁霍尔液位传感器，包括有壳体以及设于壳体内与壳体配套的PCB板，所述壳体外壳上设有浮子，所述浮子内设有用于产生磁场的磁体，还包括有控制模块，所述控制模块包括有用于接收采集的数据信号进行处理并发出指令信号MCU控制器、用于将模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块、用于将数字信号转换为模拟信号的 D/A转换模块、用于检测温度的温度检测模块、用于将MCU处理后得到的液位数据信号输出的信号输出接口模块，所述A/D转换模块、D/A 转换模块、温度检测模块以及信号输出接口模块分别与MCU控制器连接；
所述PCB板上沿长度方向依次设有若干霍尔元件，各个霍尔元件的输出引脚均连接有电阻R，各个电阻R之间依次串联；
所述若干霍尔元件中的首位霍尔元件Q1的输出引脚连接有电阻 R1，所述首位霍尔元件Q1的输出引脚通过电阻R1以及电阻RP与工作电压VDD连接，所述电阻R1与电阻RP串联；所述A/D转换模块连接电阻R1与电阻RP之间的电路，所述A/D转换模块用于将采集到的电阻R1与电阻RP之间的电路电压VOUT的模拟信号转换为相对应的数字信号；
所述若干霍尔元件中的末位霍尔元件Qx的接地引脚与输出引脚通过电阻Rx连接；所述各个霍尔元件的电源引脚分别连接供电电压VCC，所述各个霍尔元件的接地引脚均接地。
进一步地，当液位传感器的分辨率为D，磁石长度为L，且D< L<1.5*D。
进一步地，所述信号输出接口模块还连接有信号转换模块、CAN 总线模块以及信号输出模块。
进一步地，所述磁体为磁铁。
本发明的有益效果为：
1.本发明的磁霍尔液位传感器具有高分辨率、高精度的特点，完全可以满足客户对液位传感器精度的需求。
2.本发明的液位传感器输出的液位信号呈线性变化，数据容易处理。
3.可根据不同的长度可裁剪信号数，大大提升后期数据整理效率。
4.本发明的霍尔液位传感器上的霍尔元件完全可贴片批量生产，代替干簧管。
5.本发明的霍尔液位传感器可以输出标准信号，无需标定。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式的电路连接示意图。
图2为本发明一种具体实施方式中液位传感器的结构示意图。
图中：1为PCB板，2为GND，3为VCC，4为Vout，51为首位霍尔元件Q1，52为霍尔元件，53位末位霍尔元件Qx，61为电阻R1， 62为电阻R，7为电阻Rx。
图3为本发明一种具体实施方式中液位传感器的信号输出图表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
一种新型磁霍尔液位传感器，包括有壳体以及设于壳体内与壳体配套的PCB板1，所述壳体外壳上设有浮子，所述浮子内设有用于产生磁场的磁体，还包括有控制模块，所述控制模块包括有用于接收采集的数据信号进行处理并发出指令信号MCU控制器、用于将模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块、用于将数字信号转换为模拟信号的 D/A转换模块、用于检测温度的温度检测模块、用于将MCU处理后得到的液位数据信号输出的信号输出接口模块，所述A/D转换模块、D/A 转换模块、温度检测模块以及信号输出接口模块分别与MCU控制器连接；所述PCB板上沿长度方向依次设有若干霍尔元件52，各个霍尔元件的输出引脚均连接有电阻R 62，各个电阻R之间依次串联；
若干霍尔元件中的首位霍尔元件Q151的输出引脚连接有电阻R161，所述首位霍尔元件Q1的输出引脚通过电阻R1以及电阻RP与Vout连接，所述电阻R1与电阻RP串联；所述A/D转换模块连接电阻R1与电阻RP之间的电路，所述A/D转换模块用于将采集到的电阻R1与电阻 RP之间的电路电压VOUT的模拟信号转换为相对应的数字信号。
若干霍尔元件中的末位霍尔元件Qx53的接地引脚与输出引脚通过电阻Rx 7连接；所述各个霍尔元件的电源引脚分别连接供电电压 VCC3，所述各个霍尔元件的接地引脚均接地GND2；信号输出接口模块还连接有信号转换模块、CAN总线模块以及信号输出模块；磁体为磁铁或者电磁铁，当为电磁铁时，电磁铁连接有独立电源。
本发明的霍尔液位传感器在使用时：
采用霍尔元件测量液位，在VCC电压的驱动下：
1.如果有磁场的作用下,霍尔元件Q1工作在饱和导通状态下，Y1 处的电压为0V，在VOUT上的电压为RP与R1上的分压；
2.如果有磁场的作用下,霍尔元件Q2工作在饱和导通状态下，Y2 处的电压为0V，在VOUT上的电压为RP与(R1+R2)上的分压；
3.如果有磁场的作用下,霍尔元件Q3工作在饱和导通状态下，Y3 处的电压为0V，在VOUT上的电压为RP与(R1+R2+R3)上的分压；
4.如果有磁场的作用下,霍尔元件Q4工作在饱和导通状态下，Y4 处的电压为0V，在VOUT上的电压为RP与(R1+R2+R3+R4)上的分压；
5.如果有磁场的作用下,霍尔元件Qx工作在饱和导通状态下， Yx-1处的电压为0V，在VOUT上的电压为RP与(R1+R2+R3+R4+…+ Rx-1)上的分压；
6.如果整个电路没有磁场的作用下，在VOUT上的电压为RP与 (R1+R2+R3+R4+…+Rx-1+Rx)上的分压。
如果取VDD为5V,RP＝2000Ω，对R1～Rx进行电阻分配如下表所示，根据电阻分压，Vout的电压值通过计算如下表所示：
每个信号数表示第几个霍尔元件导通，信号数1表示第一个霍尔元件导通，可以表示液位的最高位。信号2表示第二个霍尔元件导通，表示液位的次高位。如果配置信号个数为154个，表示信号数为154 的代表最低液位。
请参阅附图3所示，信号从1到信号154，信号输出呈线性变化。
Vout经过A/D采样后，根据电压值可以判断是哪一个霍尔元件导通，从而判断出是液位高度。
例如：
液位高度为500mm，如果信号为154的值为零液位，信号1的值为满液位500，
1.如果A/D采样值为4.906V，通过程序查找为第153个信号，计算：
H(mm)＝500mm-153/154*500mm＝3.24(mm)；
2.如果A/D采样值为0.127V，通过程序查找为第5个信号，计算：H(mm)＝500mm-5/154*500mm＝483.76(mm)；
3.如果A/D采样值为0V，通过程序查找为第1个信号，计算： H(mm)＝500mm-0/154*500mm＝500(mm)；
本发明中PCB板结构为：
霍尔元件与电阻并列排列为一组信号，同时，霍尔元件与霍尔元件垂直排列，电阻与电阻垂直排列，虚线部分为PCB上的布线，GND 布线与VCC布线一样，由PCB从上往下，垂直一条线，并呈平行排列。这种PCB结构具有可裁剪，可批量的优点。
工作在不饱和导通下的液位测量，具有得到2倍的测量分辨率。
如果取VDD为5V，RP＝167Ω，当液位传感器的分辨率为D，磁石长度为L，且D＜L＜1.5*D时：对R1～Rx进行电阻分配如下表所示：
磁石在第一个霍尔元件的正上方，Vout测试数据为下表所示：
信号数 VDD(V) Rp(Ω) R1～Rx(Ω) R1+R2+··Rx(Ω) Vout(V)
1 3.3 167 0 0 0.506
2 3.3 167 10 10 0.645
3 3.3 167 10 20 0.767
4 3.3 167 10 30 0.907
5 3.3 167 12 42 1.029
6 3.3 167 12 54 1.165
7 3.3 167 15 69 1.282
8 3.3 167 15 84 1.403
9 3.3 167 18 102 1.519
10 3.3 167 18 120 1.623
11 3.3 167 20 140 1.756
12 3.3 167 27 167 1.861
13 3.3 167 33 200 1.974
14 3.3 167 39 239 2.090
15 3.3 167 43 282 2.210
16 3.3 167 62 344 2.240
随着磁石往下移动，磁石同时在第一和第二个霍尔元件的正上方，Vout测试数据为下表所示：
信号数 VDD(V) Rp(Ω) R1～Rx(Ω) R1+R2+··Rx(Ω) Vout(V)
1 3.3 167 0 0 0.408
2 3.3 167 10 10 0.556
3 3.3 167 10 20 0.692
4 3.3 167 10 30 0.837
5 3.3 167 12 42 0.970
6 3.3 167 12 54 1.112
7 3.3 167 15 69 1.238
8 3.3 167 15 84 1.369
9 3.3 167 18 102 1.448
10 3.3 167 18 120 1.602
11 3.3 167 20 140 1.735
12 3.3 167 27 167 1.735
13 3.3 167 33 200 1.871
14 3.3 167 39 239 2.000
15 3.3 167 43 282 2.120
随着磁石继续往下移动，会出现磁石在第二个霍尔元件的正上方，再随着磁石继续往下移动，会出现磁石同时在第二和第三个霍尔元件的正上方，由于产生的Vout会交替对应上方两个表格的数据，因此，16个霍尔元件产生了共31个数据，根据霍尔元件排列的间距为D，而实际可以测试D/2的位置，从而提高了测试的分辨率。

Claims (4)

1.一种新型磁霍尔液位传感器，包括有壳体以及设于壳体内与壳体配套的PCB板，所述壳体外壳上设有浮子，所述浮子内设有用于产生磁场的磁体，其特征在于：还包括有控制模块，所述控制模块包括有用于接收采集的数据信号进行处理并发出指令信号MCU控制器、用于将模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块、用于将数字信号转换为模拟信号的D/A转换模块、用于检测温度的温度检测模块、用于将MCU处理后得到的液位数据信号输出的信号输出接口模块，所述A/D转换模块、D/A转换模块、温度检测模块以及信号输出接口模块分别与MCU控制器连接；
所述PCB板上沿长度方向依次设有若干霍尔元件，各个霍尔元件的输出引脚均连接有电阻R，各个电阻R之间依次串联；
所述若干霍尔元件中的首位霍尔元件Q1的输出引脚连接有电阻R1，所述首位霍尔元件Q1的输出引脚通过电阻R1以及电阻RP与工作电压VDD连接，所述电阻R1与电阻RP串联；所述A/D转换模块连接电阻R1与电阻RP之间的电路，所述A/D转换模块用于将采集到的电阻R1与电阻RP之间的电路电压VOUT的模拟信号转换为相对应的数字信号；
所述若干霍尔元件中的末位霍尔元件Qx的接地引脚与输出引脚通过电阻Rx连接；所述各个霍尔元件的电源引脚分别连接供电电压VCC，所述各个霍尔元件的接地引脚均接地。
2.根据权利要求1所述的新型磁霍尔液位传感器，其特征在于：所述浮子内设的磁体的长度L与所述相邻的两霍尔元件的间距D的关系为：D<L<1.5D。
3.根据权利要求1所述的新型磁霍尔液位传感器，其特征在于：所述信号输出接口模块还连接有信号转换模块、CAN总线模块以及信号输出模块。
4.根据权利要求1所述的新型磁霍尔液位传感器，其特征在于：所述磁体为磁铁。
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