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 Ａ／Ｄ 轉換器、微處理器、Ｄ／Ａ 轉換器等處理，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_－毫安轉換器組成。作為液位檢測元件的內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———扭力管的內徑和外徑；Ｋ———轉
換系數； ———扭力管所產生***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。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 時扭力管所產生的扭角。
 
隨著液位的升高，扭力管產生的扭角將減小，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轉換成電信號進行遠傳。

２、霍爾元件：
 原有的磁鋼排列結構如圖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，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。
 目前市場上生產的浮筒液位變送器的檢測器結構如圖１所示，采用兩塊大磁鋼，缺點是實際生產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，對儀表的溫度系數的影響更大，磁場強度變化量小，信號的放大倍數就要加大，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加大而加大儀表的溫度系數，降低儀表的精度。
 
3、**新型磁鋼排列結構：
 為了使浮筒液位變送器的霍爾元件檢測磁場的效果更好，針對現有技術中的問題，提供一種新式磁鋼排列結構。經過實驗，開發(fā)了一種用４塊小磁鋼排列的結構，該種排列會加大磁場強度變化量，經過檢驗，是現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，很好地解決了原結構存在的問題，改進后的磁鋼排列結構如圖２所示。

圖２ 改進后的磁鋼排列結構
新的磁鋼排列結構具有以下優(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，線路板內的放大器放大倍數也相應降低了，儀表的溫度系數也相應降低。
 
２）對磁鋼的加工要求也相應降低，原有的結構由于磁鋼較大，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。
 
４、結束語：
 浮筒液位變送器的磁鋼排列采用新型結構后，安裝使用方便，生產成本低廉，易于推廣使用，提高產品精度，節(jié)約成本。該磁鋼排列結構獲得了實用新型專利。