磁翻板液位計

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基於各向異性磁電阻(AMR)開關芯片的磁性液位計

來源:作者:發表時間:2019-03-11

本文中心主旨:磁性液位計具有廣泛的應用領域。利用各向異性磁電阻(AMR)開關芯片設計了一種磁性液位計及其測試電路係統,利用微處理器的 I/O 口直接讀取各個 AMR 傳感器的輸出電壓,從而獲得液位高度信息,利用 USB 轉UART 實現和計算機之間的液位數據通信。測試結果表明,所製作的液位計可以準確監測液位高度。

1 引言

     磁性液位計由於具有結構簡單、成本低、測量範圍寬、讀數直觀、安裝使用維修方便,且液位指示器與測量介質完全隔離而具有安全性好等優點,廣泛地應用在煉油、食品加工、化工、冶金、醫藥、環保等行業的液位測量中 [1-3] 。常見的磁性液位計采用幹簧管作為磁敏感元件,然而幹簧管易碎,在運輸和焊接過程中安全性較差。幹簧管為機械結構,有工作壽命限製,特別是在大電流的高負載條件下,其壽命會縮短。同時,利用幹簧管設計的磁性液位計分辨率和精度也不高 [4] ,因此,有必要進一步研製分辨率和精度高的磁性液位計。

     基於各向異性磁電阻效應(AMR)的開關芯片,靈敏度高、體積小、成本低,在消費電子、智能家居、汽車電子等領域都有廣闊的應用前景 [5] 。由於AMR開關芯片是固態器件,沒有幹簧管易碎的問題,開關壽命也遠大於幹簧管,同時,AMR 開關芯片已經集成了處理電路,使得磁性液位計電路設計變得十分簡單。因此,利用 AMR 開關芯片來替代幹簧管製作磁性液位計,將克服幹簧管磁性液位計的諸多難題。本研究利用 AMR 開關芯片設計了一個磁性液位傳感器,分析了器件結構設計、電路信號處理,所製作的磁性液位計可以方便地檢測液位高度,並可以和計算機通訊傳遞液位數據。

2 係統原理與設計

2.1 AMR開關芯片

     AMR開關芯片是基於磁性薄膜的各向異性磁電阻效應而開發的一類傳感器芯片,當外磁場強度低於其工作點時,輸出高電平;反之,當外磁場強度高於其工作點時,輸出低電平。本設計采用電子科技大學與貴州雅光電子股份有限責任公司聯合研製的 CC7001AMR 開關芯片 [5] 來設計磁性液位計。該AMR 開關芯片采用 SOT-23 封裝,尺寸小,適用於磁性液位計,所采用的芯片輸出曲線如圖 1 所示,由於該傳感器芯片已經集成了信號處理電路,直接輸出高低電平,省去了很多後處理電路,使得設計液位計電路變得非常簡單。該芯片的主要指標為:工作電壓 1.8~5 V,工作溫度-55~+150 ℃,工作點為 10 Oe,磁滯 1 Oe,靜態電流僅 1.6 μA。

CC7001 磁電阻開關芯片典型輸出曲線

2.2 工作原理

     利用 AMR 開關芯片設計的磁性液位計及其工作原理如圖 2 所示。內含永磁體的浮子置於連通器中,液位計在連通器外緊貼連通器。該液位計包含12 個等間距分布的 AMR 開關芯片。其基本原理是:與浮子緊鄰的 AMR 開關芯片受到磁體磁場作用,其輸出電壓為低電平,而遠離浮子的開關芯片輸出電壓為高電平,當浮子隨著液麵變化在連通器內上下移動時,開關芯片的輸出特性隨著變化。因此,通過判斷每個開關芯片的輸出電壓大小即可知道浮子的位置,從而確定液位。

液位計結構及工作原理示意圖

2.3 電路設計與製作

     液位檢測電路係統主要包括電源轉換、微處理器、OLED 顯示屏、USB 轉 UART(通用異步收發傳輸器)通信以及其他相關模塊等,如圖 3 所示。其中,電源轉換用於獲得裝置所需的各路電壓,微處理器通過片上 A/D 采集電源轉換的電壓進行實時電壓監測。通過 I/O 口采集 12 路開關芯片的電壓信息,通過 USB轉 UART 通信將液位數據傳輸至電腦等其他設備,USB 轉 UART 通信以 SCI(串行通信接口)通信方式實現電腦與微處理器相連接。同時在 OLED 顯示屏液位信息,OLED 顯示屏以 IIC(兩線式串行總線)通信方式與微處理器相連接。對於其中任意一個 AMR開關芯片,其檢測電路如圖 4 所示。

總體電路結構單個 AMR 開關芯片檢測電路

液位檢測程序流程

     微處理器的液位檢測程序流程如圖 5 所示。當檢測電路通電後,進行初始化,啟動定時器,定時時間為 250 ms,若定時時間到,則通過片上 I/O 采集 12 路開關芯片的電壓,計算出液麵信息,並通過SCI 傳輸至 USB 轉 UART 模塊,OLED 顯示屏也會顯示相關信息,循環上述過程,直至結束。在計算液麵高度時,如果隻有一個開關芯片的輸出電壓為低電平,則認為液麵此時位於該開關芯片位置,當有兩個相鄰的開關芯片輸出電壓都為低電平時,則認為液位介於這兩個開關芯片之間。設計的液位計中兩個相鄰開關芯片距離為 1 cm,因此,可以認為本文設計的液位計可以分辨 0.5 cm 的距離。通過降液位檢測計實物照片不同液麵高度時液位計的輸出結果低兩個相鄰芯片之間的距離,結合位置計算算法,可以進一步提高液位的分辨率。

     根據所設計的液位檢測電路係統,采用兩層印製電路板工藝製作實物樣品,如圖 6 所示,其中微處理器采用意法半導體的 STM32F101C8 單片機。

3 應用效果

     采用製作的液位檢測裝置測試了容器中的液麵高度,圖 7 給出了浮子在不同液麵高度時,磁性液位計測試結果在 OLED 顯示屏的顯示圖像。圖 7a 顯示的是浮子位於第 6 個芯片時的結果,圖 7b 顯示的是浮子介於第 5 個和第 6 個開關芯片之間的結果。可見,磁性液位傳感器可以有效地檢測液麵高度。

4 結束語

     基於 AMR 開關芯片對磁場的輸出特性,設計了一種磁性液位計及其處理電路係統,利用 USB 轉UART 接口實現與計算機等設備的通信,便於該磁性液位計的二次開發。該磁性液位計具有結構簡單可靠、壽命長的特點,可以廣泛應用於石油、化工以及各種油箱、水箱、液體存儲罐中監測液位。

 

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