霍爾式窨井水位檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

荊向峰，楊成忠

(杭州電子科技大學(xué)信息與控制技術(shù)研究所，浙江杭州310018)

0 引言

城市排水管網(wǎng)中的液位是排水調(diào)度的重要依據(jù)，通過對窨井蓋下水位進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)水位，對減少城市排水系統(tǒng)的溢流，提高排水系統(tǒng)效益有著十分重要的意義［1］。目前，在低精度液位測量中，浮球式水位計(jì)是比較成熟的。這其中很多是以線性霍爾元件作為傳感器，包括國產(chǎn)、進(jìn)口及合資的等各種類型，雖然價(jià)格不一，性能優(yōu)劣各不相同，但基本原理大都是類同。其基本原理為:半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，由于水位變化而使磁場強(qiáng)度發(fā)生改變，霍爾元件輸出不同的電動(dòng)勢，進(jìn)而得到水位值［2］。采用線性霍爾傳感器雖然可以得到連續(xù)的水位變化，但由于線性霍爾元件及永磁體本身因素和外部環(huán)境，線性霍爾元件在獲取信息的同時(shí)也向應(yīng)用系統(tǒng)引入了干擾，或產(chǎn)生溫漂。所以在應(yīng)用之前，需要對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化校正。增加電路的復(fù)雜度。浮球的連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積大，連桿自身的重量和機(jī)械部件產(chǎn)生的阻力容易造成浮球不能隨液位的變化而靈活升降，使信號采樣誤差比較大，增大了水位檢測的誤差［3，4］?；谀壳案∏蚴剿挥?jì)的諸多缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、適用窨井環(huán)境下的水位檢測裝置。

1 霍爾開關(guān)式傳感器的設(shè)計(jì)

針對窨井蓋下特殊的工作環(huán)境，基于線性霍爾液位傳感器的缺點(diǎn)，構(gòu)思了一種基于線性傳感器諸多優(yōu)點(diǎn)之上的新的液位測量方案:即用霍爾開關(guān)式傳感器取代線性傳感器?；魻柶哂畜w積小(如:OH3144，其尺寸為4.16mm×3.2mm×1.5mm)、響應(yīng)快等特點(diǎn)。用它來取代線性霍爾片，可以避免線性液位傳感器的諸多缺點(diǎn)，同時(shí)還可以提高測量的分辨率。

1.1 霍爾開關(guān)式傳感器簡介

霍爾開關(guān)式傳感器和線性霍爾片一樣，都是基于霍爾效應(yīng)原理工作的。霍爾開關(guān)式傳感器輸出有兩種狀態(tài)，即高電平和低電平。本文采用霍爾開關(guān)式傳感器型號為OH3144。

OH3144霍爾開關(guān)式傳感器采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的磁敏電路，它是由電壓調(diào)整期、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器和一個(gè)集電極開路的三極管組成的磁敏傳感電路如圖1所示。當(dāng)磁場作用在霍爾片上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件輸出霍爾電壓UH，該電壓經(jīng)過放大器放大后，送入施密特整形電路，當(dāng)放大后的UH電壓大于閾值電壓Uth時(shí)，施密特電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導(dǎo)體三極管導(dǎo)通;當(dāng)磁場減弱時(shí)，霍爾元件輸出的電壓UH很小，放大后的UH電壓小于閾值電壓Uth時(shí)，施密特電路由導(dǎo)通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，輸出為低電平，導(dǎo)致三極管截止。由于霍爾開關(guān)式傳感器內(nèi)部的集成電極開路，所以工作時(shí)必須外加上拉電阻［5］。

關(guān)于霍爾片的幾種參數(shù)如下:

電源電壓4.5～24V;

工作溫度－65～150℃。

圖1 霍爾開關(guān)式的功能方框圖

1.2 窨井水位檢測裝置的設(shè)計(jì)

霍爾式窨井水位檢測裝置包括電路處理單元、浮球、永磁體、PVC管、電路板和過濾網(wǎng)。PVC管的兩端開放，其頂端上設(shè)置有電路處理單元，底端上設(shè)置有過濾網(wǎng)，PVC管的側(cè)壁上裝有電路板，電路板上等間距布置多個(gè)霍爾開關(guān)式傳感器;PVC管內(nèi)設(shè)置有浮球，浮球內(nèi)固定有永磁體，永磁體設(shè)計(jì)為方形或者圓形如圖2所示。

如圖3所示，在電路板上設(shè)置有霍爾開關(guān)式傳感器。其中，霍爾開關(guān)式傳感器同向等間距分布在電路板上，霍爾開關(guān)式傳感器沿著PVC管的軸向布置。

圖2 水位檢測裝置構(gòu)造示意圖

圖3 霍爾片在電路板上分布

1.3 水位檢測裝置的測量原理

水位測量原理是利用漂浮在水位上的浮球的位置來判斷水位的高度。將該裝置豎直置于下水管中，當(dāng)下水管中的水位發(fā)生變化時(shí)，對應(yīng)的浮球也隨之上升或下降，由此觸發(fā)PVC管外的霍爾開關(guān)式傳感器輸出低電平，由于霍爾開關(guān)式傳感器之間的距離已知，通過單片機(jī)采集處理霍爾開關(guān)式傳感器輸出的電平信號，即可得知水位的高度，最后可由顯示器顯示當(dāng)前水位高度。

2 霍爾片間距的確定及可行性驗(yàn)證

根據(jù)液位測量原理可知，霍爾片之間的距離越小，則液位測量的分辨率就會(huì)越大;反之，分辨率會(huì)越小。采用圖3中電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)霍爾傳感器工作時(shí)，單片機(jī)依據(jù)事先設(shè)計(jì)好的程序來判斷哪個(gè)霍爾片被感應(yīng)。設(shè)霍爾片間距為L(單位:mm)，則分辨率可以達(dá)到L/2。浮球的直徑為30mm，磁體的尺寸為20mm×5mm，對比實(shí)驗(yàn)數(shù)值與理論值，確定霍爾片的間距L。L的取值與實(shí)驗(yàn)所測量數(shù)據(jù)如表1所示:

表1 實(shí)際值與實(shí)驗(yàn)測量值(實(shí)驗(yàn)所用電路板總長為1 000mm)單位:mm

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):電路的整體輸出比較穩(wěn)定，當(dāng)浮球的中心基本正對霍爾片時(shí)，此時(shí)正對的霍爾片被感應(yīng)，輸出低電平，其余的霍爾片輸出為高電平;當(dāng)浮球的中心位于兩個(gè)霍爾片中間時(shí)，并且霍爾片間距大于18mm時(shí)，此時(shí)相鄰的兩個(gè)霍爾片不會(huì)感應(yīng)，輸出都為高電平，當(dāng)霍爾片間距小于15mm時(shí)，此時(shí)相鄰的兩個(gè)霍爾片被同時(shí)感應(yīng)，輸出為低電平;當(dāng)霍爾片間距小于4mm時(shí)，連續(xù)3個(gè)或4個(gè)霍爾片都會(huì)被同時(shí)感應(yīng)，造成輸出電平的不平穩(wěn)。

多次實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)霍爾片間距為10mm時(shí)，電路輸出穩(wěn)定，檢測精度比較好，盡管實(shí)際檢測值與實(shí)際值還有點(diǎn)誤差，但這對整個(gè)水位的判斷已經(jīng)夠了。

3 結(jié)束語

基于霍爾開關(guān)式傳感器的水位檢測裝置具有比較好的精確度和良好的反應(yīng)時(shí)間。并且由于水管和浮球均采用PVC材質(zhì)制成，PVC對氧化劑、還原劑和強(qiáng)酸有很強(qiáng)的抵抗力，并且牢固耐用、低成本。尤其適合于窨井蓋下的環(huán)境。整個(gè)裝置基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且傳感器電路簡單、成本低，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

［1］朱紅林.城市排水系統(tǒng)預(yù)測控制算法研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.

［2］孟立凡，藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:174－185.

［3］楊萬國，賈延剛.多種液位儀表的應(yīng)用對比［J］.石油工程建設(shè)，2004，(2):38－43.

［4］高德勝.一種浮球式液位檢測裝置［P］.2000.

［5］淮文博，高宗海，李大成.霍爾式液位傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2010，3(1):150－153.

［6］高茜.提高霍爾傳感器精確度的研究［J］.沈陽電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2002，4(1):42－44.