摘要：對浮筒液位變送器的測量原理和計算方法進行了介紹 ，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行了改進，提高了浮筒液位變送器的測量精度。對改進前后霍爾元件檢測磁鋼排列進行了對比，詳細介紹了改進后磁鋼排列結(jié)構的優(yōu)點，對浮筒液位變送器的應用和選型提供借鑒。
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，應用較為廣泛，浮筒液位變送器是由浮力帶動扭力管芯軸產(chǎn)生角度的變化，同時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，遠程組態(tài)、監(jiān)測、維護及校準等功能。
 
1、浮筒液位變送器原理及計算：
 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。
 當液位為０時，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。
此時扭力管產(chǎn)生的扭角_θ０ ***大，一般為７°左
右， 與Ｍ 的關系為
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。
當液位為 Ｈ 時，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時作用在杠桿上的力。此時作用在扭力管上的扭力矩為
 

 
式中：Ｍ_１———浮筒在位移ｘ 時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，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)換成電信號進行遠傳。

２、霍爾元件：
 原有的磁鋼排列結(jié)構如圖１所示，霍爾元件沿著固定弧線移動，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看成為一直線位移 Ｘ，可以證明 _θ 與 Ｘ 具有線性關系，如式（１２）所示。

圖１ 原有的磁鋼排列結(jié)構
  由于霍爾元件所處的磁場是一個磁感應強度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強度的關鍵，鑒于以上因素對浮筒液位變送器的磁鋼排列進行改進。
 目前市場上生產(chǎn)的浮筒液位變送器的檢測器結(jié)構如圖１所示，采用兩塊大磁鋼，缺點是實際生產(chǎn)時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，磁場強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因為信號放大倍數(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：
 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)有技術中的問題，提供一種新式磁鋼排列結(jié)構。經(jīng)過實驗，開發(fā)了一種用４塊小磁鋼排列的結(jié)構，該種排列會加大磁場強度變化量，經(jīng)過檢驗，是現(xiàn)有技術的磁場變化量的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位置，很好地解決了原結(jié)構存在的問題，改進后的磁鋼排列結(jié)構如圖２所示。

圖２ 改進后的磁鋼排列結(jié)構
新的磁鋼排列結(jié)構具有以下優(yōu)點：
 
１）霍爾元件檢測同樣磁鋼移動的距離，磁場強度變化量是原有的２倍以上，線路板內(nèi)的放大器放大倍數(shù)也相應降低了，儀表的溫度系數(shù)也相應降低。
 
２）對磁鋼的加工要求也相應降低，原有的結(jié)構由于磁鋼較大，磁鋼充磁后的準確度不好，很難使磁鋼Ｎ－Ｓ之間的中間點加工到磁鋼尺寸的中間點，影響儀表的精度。而改進后的磁鋼排列結(jié)構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，中點位置偏差較小。
 
３）該結(jié)構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)構獲得了實用新型專利。