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  • 霍尔式智能阀门定位器原理与设计
    发布日期:2016-1-16


    于气动系统具有结构简单、性价比高、进口电动调节阀绿色环保、安全可靠、抗高频干扰、过载能力强等诸多优点,因而在工业过程控制领域,得到了广泛应用。但是,在传统的气动设备的位移检测中,譬如阀位变动器、气动定位控制器等,常用各种机械传动机构和接触式电位器作为传感器,所以往往出现磨损、氧化、老化、机械滞后等不良现象,严重影响测量和控制精度。而霍尔传感器,作为一种无接触、线性、高精度传感器,则可以极大地弥补了传统位移检测传感器的不足。近年来,集成有霍尔元件和微处理芯片的低功耗霍尔传感芯片,已经开始应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。基于线性霍尔传感器技术,北控集团所属北京京仪集团公司,研制并推出了一款全新的霍尔式智能气动定位控制器。与传统非霍尔式智能阀门定位器相比,具有无接触、无机械磨损、长寿命、高精度等一系列优点。 
        1 霍尔效应与线性霍尔传感器设计
        1.1 霍尔效应与霍尔传感器基本原理
        置于磁场中的载流体(一般多用半导体材料),其若与磁场垂直放置,当通以电流时,在与磁场和电流垂直的方向上,由于电荷因受到洛仑磁力的作用而发生偏转,形成电荷聚积,产生霍尔电势,这便是霍尔效应。霍尔传感器便是基于霍尔效应的一种新型磁通强度传感器,当用于测量磁场中物体位移时,又称霍尔位移传感器,一般分为角位移和线性位移霍尔传感器,通过检测永磁磁场中,不同位置处的磁通量的变化,来探测物体的位移量。
        霍尔线性位移传感器测量原理如下:两块NS磁极倒置、且相对平行放置的条形磁钢,和一个霍尔探头共同组成了一个位移测量系统,其磁场场强仿真曲线如图1所示。其中,矢量箭头表示磁力线的大小及方向;磁场中的圆形物体,表示霍尔传感器探头,磁力线垂直穿越霍尔探头。当探头上电后,由于霍尔效应的存在,便会输出霍尔电压。霍尔电压与电流、磁场强度和霍尔系数的关系如下:
            (1)


    图1 磁场场强仿真曲线图


        其中:Rh为霍尔系数;IS为电流强度;B为磁场场强;d为磁钢间距。当Rh、IS和d三个参数固定或保持恒定时,霍尔电压便与磁场强度的大小成正比关系,这便是线性霍尔传感器的测量原理。
        1.2 线性霍尔传感器设计与实现
        1.2.1 结构设计
        图2是线性位移霍尔传感器的结构图。磁钢材料的选择与结构设计,是该部分的重点内容。其中,磁钢选材要求:①磁一致性好,磁性均匀;②结晶体结构致密,强度高,抗腐蚀性很强;③磁钢的磁性容易控制;④温度特性良好。综合考虑,铝镍钴磁钢符合要求。


    图2 线性位移霍尔传感器结构图


        同时,导磁钢片,也是传感器磁路的重要环节,导磁材料的磁阻必须要小,选用具有特殊掺杂的铁镍合金。另外,磁钢物理尺寸和磁体封装工艺等,也是线性霍尔传感器设计中的重要因素。设计中,构建了封闭性磁体结构,并用特殊材料对磁体外部及特殊部位进行了磁屏蔽封装。在进行定位器设计时,将霍尔传感器的探头与定位器固定在一起,并保持静止不动;经过特殊工艺加工处理后的永久磁钢与气动阀的阀杆,用特殊工装和螺栓固定在一起,并随着阀杆的运动而同步移动。磁钢结构与阀杆的连接要牢固,并尽量贴近阀杆部位,防止气动执行机构在高速调节时引发霍尔传感器发生颤振,影响定位功能。实践证明,该设计结构不仅具有良好的抗电磁干扰的能力,而且具有很高的测量精度。
        1.2.2 时序控制与低功耗设计
        本设计中采用了一款低功耗线性霍尔元件芯片,其主要特性如下:它的工作电压为2.4V~3.5V,典型工作电流和功耗分别为3.2mA和10mW;在非工作状态下功耗电流小于25μA。磁场的磁通量为零时,传感器输出电压是参考电压的一半,最大饱和磁通所对应的最大输出电压为电源电压;在非饱和状态下,磁场中的磁通量每变化10-4T,传感器输出电压变化不小于2mV,且两者成线性关系。该芯片有一个重要的控制端,通过时序调节与软件控制,可以使霍尔元件进入不同工作状态,极大地降低元件平均工作电流,从而满足系统低功耗需要。检测表明,采取综合措施后,霍尔芯片平均功耗电流不超过100μA。
        2 霍尔式智能阀门定位器原理与设计
        2.1 系统结构设计
        霍尔式智能阀门定位器系统结构,如图3所示,共由八个部分组成:①前端信号处理;②电源(包括I/V变换、电压变换和升压电路);③输入-输出-人机部分;④位置反馈输出(包括4~20mA/HART接口、专用通信模块);⑤输出驱动电路与集成式压电阀;⑥霍尔传感器;⑦位置检测放大部分;⑧CPU最小应用系统等。其中,霍尔传感器结构设计是系统结构设计的重点与核心。


    图3 霍尔式智能阀门定位器系统结构图

    本页关键词:进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀

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