霍尔式液位传感器的设计与实现
- 格式：docx
- 大小：276.62 KB
- 文档页数：7
河南工业大学
检测技术
题 目：霍尔式液位传感器的设计与实现
姓 名：
班 级：
学 号：
成 绩：
2012年 10月 30 日
设计题目 霍尔式液位传感器的设计与实现
一 要求和设计内容:
霍尔式液位传感器液位控制器，要求：
1） 当液位低于某一设定值时，水泵开始运转。
2） 当液位高于某一设定值时，水泵停止运转。
3）储液罐是密闭的，只允许在储液罐的玻璃连通器外壁和管腔内设置和安装传
感元件。
4）设计控制电路原理框图；简要说明该检测、控制系统的工作过程。
二 霍尔式液位控制器设计提示
1).首先要了解玻璃连通器的原理，在此基础上，对储液罐液位的测量就转换为
对连通器中液位的测量。
2).确定霍尔IC是开关型的还是线性的。霍尔IC须有磁性元件才能产生霍尔电势，
为此，在连通器内设置一磁性浮子，在玻璃外壁相应高度设置霍尔IC。
3).当水泵将液体泵入储液罐后，连通器内的液位也相应上升，当磁性浮子与霍
尔IC持平时，霍尔IC的输出突变，表示液位已达到设定高度。该信号经控制电路
使水泵停止运转。
4).在连通器外壁平行设置一标尺杆，霍尔IC可在标尺杆上移动并固定，这样就
可以控制不同的液位高度了。
5).本装置只能控制液位的状态量。
三 前言
目前，传统的液位控制器液位的检测大多用电导式或机械式。电导式一般只适用
于导电液体，且电极腐蚀严重；机械式则不易调节液位的范围，调试困难。在传
统液位控制中，一般只能实现自动补液，而不能显示容器内液体，更不能对液源
问题作出反应。而霍尔液位控制器则能弥补传统液位控制器的不足。它采用霍尔
开关集成电路输出信号，用以控制电机的开、关，从而控制液位及对液源问题作
出反应，这对于不能导电的液体具有广泛的应用，也适用于一般导电液体。
液位的测量是油气、田油、水处理站及石油化工装置自动化控制系统的重要组成
部分。目前，在低精度液位测量中，大部分采用干簧管液位传感器，原因在于它
具有价 格低廉、结构简单的优点。干簧管液位传感器的结构是: 在与被测液位
等长的胶木条上，等间隔焊有若干个干簧管，胶木条装在不锈钢管内，钢管外是
浮子，浮子内装有磁铁。在浮力的作用下，浮子漂浮在液面上，浮子的位置随液
位变化而变化，当磁性浮子浮动到某1个干簧管高度时，受到磁场影响该单簧管
触发闭合，否则开路，见图 1。 这样，靠干簧管所连接的电阻的多少，使得变
送器产生( 4 ～ 20) mA 的电流信号，通过检测电流信号的大小，即可以。
干簧管液位传感器有很多缺点，经常会发生个别干簧管该断开时未断开的故障，
一个干簧管不能正常工作，就会影响整个传感器，造成虚假液位，需要用工具敲
一下传 感器的管子方可恢复，而且由于干簧管的尺寸较大( 长约20 mm) ，限制
了传感器的分辨率.
图 1 干簧管液位传感器的原理图
四 霍尔式液位传感器的设计
基于干簧管液位传感器的缺点，构思了一种基于干簧管液位传感器诸多优点
之上的新的液位测量方案: 即用开关式霍尔片“替 代”干簧管。霍尔片具有体积
小(如: 开关式霍尔片简介
开关式霍尔片和模拟式霍尔元件一样，都是基于霍尔效应原理工作的。开关式
霍尔片输出有两种状态，即高电平和低电平。下面简单介绍一下开关式霍尔片
UGN-3040的工作原理。
霍尔片内部包含稳压器、霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发器、和
一个集电极开路的三极管。当有磁场作用在霍尔片上时，根据霍尔效应，霍尔元
件输出霍尔电压UH，该电压经过放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后
的UH电压大于阈值电压( Uth ) 时，施密特电路翻转，输出高电平，使半导体三
极管导通; 当磁场 减弱时，霍尔元件输出的电压UH很小，放大后的UH电压小于
阈值电压，施密特电路由导通状态翻转为截至状态，输出为低电平，导致三极管
截止
由于开关式霍尔片内部的集电极开路，所以工作时必须外加上拉电阻，关于霍尔
片的几种参数如下:
1)电源电压: 4.5 V ～ 24 V;
2)工作温度: － 40℃ ～ + 125℃
图 2 开关式霍尔片的内部结构图 图 3 液位测量原理图
五 霍尔式液位传感器的测量原理
液位测量原理是利用漂浮在被测液面的浮子的位置来判断液面高度的。浮子漂浮
在液面上，随液位高低上下浮动; 浮子内装有环形磁铁，磁铁产生了沿不锈钢保
护管轴向的稳定磁场;不锈钢保护管内装有窄长条电路板,电路板上等间距装有
霍尔片。浮子处在某个位置时，浮子内的磁铁就会触发与浮子同高度的霍尔片，
电 路就会输出一个电信号，这个信号经过 A /D 转换后被送进单片机，经过单
片机判断，输出相应的液位高度。传感器实物见
六 电路设计
霍尔式液位传感器电路原理如图 4 所示，有 i 个霍尔 片在电路板上等间距同
向排列，共同接电源 Vcc ，每个霍尔片输出端的上拉电阻由两部分组成，即 Ri
+ R0 。如果这 i 个霍尔片都没有受到磁场感应，则电路 OUT 端输出电压 UOUT
= Vcc ; 假如，第 i 个霍尔片被浮子中的磁铁感应，根据 开关式霍尔片的工作
原理，则此霍尔片输出低电平，那么电路 OUT 端输出电压为
由于每个霍尔片对应的 Ri 值不同，所以，当被感应时 每个霍尔片的输出
电压值 UOUT 不同。反过来，通过判断 UOUT 的值，就可以判断哪个霍尔片被浮
子中的磁场感应， 进而就可以判断出浮子的位置，被测液位就自然知道了。
电路板实物见图 7。
图 4 霍尔式液位传感器电路原理
七 控制系统的组成
1、系统结构说明
该液位控制器的工作原理如下图所示。图中霍尔元件传感器控制信号来自箱体连
通器中的浮球。各个部件直接在图中标出，现在介绍每一部件在现实应用中的作
用：
带动注液电动机工作，添加液体。 图中使用的霍尔液位控制器就是霍尔接近开
关UGN3020.
霍尔接近开关是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极
开路输出门）等电路坐在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，
OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，
OC门重新变为高阻态，输出高电平。在此处为低电平有效。
4、浮球 内部装有恒磁性铁片，浮球是泡沫材料，可以在液体的浮力作用下
随液位的升高或下降而升降。当上升到液位控制器UGN3020调定好的位置时，控
制开关便发出控制信号。
5、控制器导板 即霍尔接近开关UGN3020安装导轨，上面有压紧螺母，当调定
到自己想要控制的液位时，压紧螺母既可以固定，方便灵活，而且导轨上面带有
刻度，轻松读取液位高度或容器中液体的体积。
6、连通器 主要是将容器中的液体引出，利用了连通器原理。
7、阻尼孔 防止容器中液体的震荡或其它外界干扰，使显示的液位准确。
8、定螺母 固定导板用。
9、挡板 防止输入液体时容器内液体引起的冲击产生误动作。
10、排液阀 排空液体时使用。
八 工作原理
首先闭合隔离开关Q，220V电源经过降压、整流、滤波和稳压后得到12V直流电压
供给控制电路。控制电路发出的信号驱动继电器kM，然后控制注液电动机启停。
1 、液位上升
当液面上升时，液体浮力使浮球浮起，霍尔元件的磁场强度随之增大，当浮球
（磁铁）移动到距离霍尔元件UGN3020几毫米时，霍尔UGN3020接近开关输出低电
平变为高电平，经驱动电路使继电器kM放，使电动机停止运转，液位停止上升。
2、 液位下降
当液位下降时，浮球随之下降，霍尔元件ugn3020接近开关输出低电平，经驱动
电路使继电器kM合，电动机运转，液位重新上升。
控制电路结构图
九 各个电器元件采购表
序号 名称 型号
1 塑料箱体容器 2000L
2 霍尔接近开关 UGN3020
3 12V稳压源 DC：12V AC：380V
4 辅助继电器 DC：12V
5 接触器 DC：12V
6 电路接线板 220V
7 导线 粗、细
8 容器附件、标尺、阀等
十 参考文献
【1】 马西秦.自动检测技术【M】北京：机械工业出版.2008
【2】 王绍纯.自动检测技术【M】北京：冶金工业出版社.1995
【3】 皮壮行. 可编程序控制器系统的设计与应用实例.北京：机械工业出版社，
2000:67~75
【4】谢瑞和.串行技术大全. 北京：清华大学出版社，2003.4:14~23
【5】 高海生等主编.单片机及应用技术大全[M].成都：西南交通大学出版
社.1996：78-82
【6】孙凯.火灾报警系统.传感器世界，2003(5):13-16
【7】蔡得聪.传感器的发展方向及数字传感器的地位.电气自动化2003(9)：21-23
【8】将文光.多机通信技术. 电气自动化2004(6)：12-15
