摘要：對浮筒液位變送器的測量原理和計(jì)算方法進(jìn)行了介紹 ，針對浮筒液位變送器測量精度低的問題 ，對霍爾元件檢測磁鋼排列進(jìn)行了改進(jìn)，提高了浮筒液位變送器的測量精度。對改進(jìn)前后霍爾元件檢測磁鋼排列進(jìn)行了對比，詳細(xì)介紹了改進(jìn)后磁鋼排列結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對浮筒液位變送器的應(yīng)用和選型提供借鑒。
浮筒液位變送器可用來控制和測量介質(zhì)的液位、界位或密度，應(yīng)用較為廣泛，浮筒液位變送器是由浮力帶動(dòng)扭力管芯軸產(chǎn)生角度的變化，同時(shí)也改變了變送器中霍爾元件檢測磁鋼位移變化而輸出信號。該信號經(jīng) Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換器、微處理器、Ｄ／Ａ 轉(zhuǎn)換器等處理，輸出４～２０ｍＡ 模擬信號并疊加ＨＡＲＴ信號，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)，遠(yuǎn)程組態(tài)、監(jiān)測、維護(hù)及校準(zhǔn)等功能。
 
1、浮筒液位變送器原理及計(jì)算：
 浮筒液位變送器是由液位檢測元件、霍爾變送器和毫伏_－毫安轉(zhuǎn)換器組成。作為液位檢測元件的內(nèi)浮筒垂直地懸掛在杠桿的一端，杠桿的另一端與扭力管芯軸的一端垂直地連接在一起，并由固定在外殼上的支點(diǎn)所支撐。扭力管的另一端通過法蘭固定在儀表外殼上，芯軸的另一端為自由端，用來輸出角位移。
 當(dāng)液位為０時(shí)，浮筒侵入液體中的深度為０，浮筒作用在杠桿上的力為
 

 
式中：Ｆ_０———浮筒作用在杠桿上轉(zhuǎn)角***大時(shí)所受的力；Ｗ———浮筒的重量。
 
作用在扭力管上的扭力矩為
 

 
式中：Ｍ_０———轉(zhuǎn)角***大時(shí)作用在扭力管上的扭力矩；ｌ———浮筒中心到扭力管中心的距離。
此時(shí)扭力管產(chǎn)生的扭角_θ０ ***大，一般為７°左
右， 與Ｍ 的關(guān)系為
θ０ ０
 
θ_０ ＝３２ＬＭ_０^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^）＝３２ＬＦ_０ｌ^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^{） （}３^）
 
式中：ｄ_１，ｄ_２———扭力管的內(nèi)徑和外徑；Ｋ———轉(zhuǎn)
換系數(shù)； ———扭力管所產(chǎn)生***大扭角；Ｌ———扭力 
管的長度。
當(dāng)液位為 Ｈ 時(shí)，浮筒的浸沒深度為 Ｈ－ｘ，作用在杠桿上的力為

式中：ｘ———浮筒上移的距離；———液體的重度；
γ
 
Ａ———浮筒的截面積。
 
根據(jù)前面所述的變浮力法液位測量可知，ｘ 正
 
比于Ｈ，即：
 
ｘ＝ｋＨ ^（５^）
 
式中：ｋ———比例常數(shù)。所以式（４）可變?yōu)?br />Ｆ Ｗ ＡＨ^（１ ｋ^{） （}６^）
_１ ＝ － － γ
 
式中：Ｆ_１———浮筒在位移ｘ時(shí)作用在杠桿上的力。此時(shí)作用在扭力管上的扭力矩為
 

 
式中：Ｍ_１———浮筒在位移ｘ 時(shí)作用在扭力管上的扭力矩。
 
扭力管產(chǎn)生的扭角：
 
θ_１ ＝３２ＬＭ_１^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^）＝３２ＬＦ_１ｌ^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^{） （}８^）
 
式中：_θ１———浮筒在位移 ｘ 時(shí)扭力管所產(chǎn)生的扭角。
 
隨著液位的升高，扭力管產(chǎn)生的扭角將減小，在***高液位時(shí)，扭角***小，約為２°。
 
由式（８）減去式（３）得：

θ＝θ_１ －θ_０ ＝３２ＬＦｌ^／πＫ^（ｄ_２ －ｄ_１^{） （}９^）
 
由式（６）減去式（１）得：
 

成比例關(guān)系，即液位愈高，扭角愈小。
通過霍爾元件便可將 _θ轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳。

２、霍爾元件：
 原有的磁鋼排列結(jié)構(gòu)如圖１所示，霍爾元件沿著固定弧線移動(dòng)，由于芯軸在液位變化的全量程范圍內(nèi)輸出的角位移量很小，所以可把霍爾元件在磁場中的移動(dòng)看成為一直線位移 Ｘ，可以證明 _θ 與 Ｘ 具有線性關(guān)系，如式（１２）所示。

圖１ 原有的磁鋼排列結(jié)構(gòu)
  由于霍爾元件所處的磁場是一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ 與位移Ｘ 成比例的線性磁場，所以霍爾元件的輸出電勢Ｖ_Ｈ 與其位移 Ｘ 成線性關(guān)系，即：
 

 
  在儀表量程范圍內(nèi)，Ｘ 約為１．５ｍｍ，Ｖ_Ｈ 約為１０ｍＶ。從式（１３）可以看出磁場位置是霍爾元件檢測磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)鍵，鑒于以上因素對浮筒液位變送器的磁鋼排列進(jìn)行改進(jìn)。
 目前市場上生產(chǎn)的浮筒液位變送器的檢測器結(jié)構(gòu)如圖１所示，采用兩塊大磁鋼，缺點(diǎn)是實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要求這種排列的磁中心位置磁性為零，要滿足這種要求，則對磁鋼的加工要求較高。另外這種磁鋼排列，霍爾元件檢測需要的磁鋼位移時(shí)，磁場強(qiáng)度變化量接近所需變化量的臨界值，這大幅影響儀表的精度，對儀表的溫度系數(shù)的影響更大，磁場強(qiáng)度變化量小，信號的放大倍數(shù)就要加大，這樣霍爾元件受溫度影響的變化值就會(huì)因?yàn)樾盘柗糯蟊稊?shù)加大而加大儀表的溫度系數(shù)，降低儀表的精度。
 
3、**新型磁鋼排列結(jié)構(gòu)：
 為了使浮筒液位變送器的霍爾元件檢測磁場的效果更好，針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種新式磁鋼排列結(jié)構(gòu)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了一種用４塊小磁鋼排列的結(jié)構(gòu)，該種排列會(huì)加大磁場強(qiáng)度變化量，經(jīng)過檢驗(yàn)，是現(xiàn)有技術(shù)的磁場變化量的２倍以上，而且對磁鋼加工要求也不高，磁場的中間值基本位于中點(diǎn)位置，很好地解決了原結(jié)構(gòu)存在的問題，改進(jìn)后的磁鋼排列結(jié)構(gòu)如圖２所示。

圖２ 改進(jìn)后的磁鋼排列結(jié)構(gòu)
新的磁鋼排列結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
 
１）霍爾元件檢測同樣磁鋼移動(dòng)的距離，磁場強(qiáng)度變化量是原有的２倍以上，線路板內(nèi)的放大器放大倍數(shù)也相應(yīng)降低了，儀表的溫度系數(shù)也相應(yīng)降低。
 
２）對磁鋼的加工要求也相應(yīng)降低，原有的結(jié)構(gòu)由于磁鋼較大，磁鋼充磁后的準(zhǔn)確度不好，很難使磁鋼Ｎ－Ｓ之間的中間點(diǎn)加工到磁鋼尺寸的中間點(diǎn)，影響儀表的精度。而改進(jìn)后的磁鋼排列結(jié)構(gòu)中由于磁鋼相對較小，體積約為原有磁鋼的３３％，對充磁要求不高，對磁鋼的加工要求也不高，中點(diǎn)位置偏差較小。
 
３）該結(jié)構(gòu)的磁鋼排列安裝簡單，加工方便，對
 磁鋼的加工要求也降低了，所以更有利于生產(chǎn)。
 
４、結(jié)束語：
 浮筒液位變送器的磁鋼排列采用新型結(jié)構(gòu)后，安裝使用方便，生產(chǎn)成本低廉，易于推廣使用，提高產(chǎn)品精度，節(jié)約成本。該磁鋼排列結(jié)構(gòu)獲得了實(shí)用新型專利。