磁翻板液位计

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基于各向异性磁电阻(AMR)开关芯片的磁性液位计

来源:作者:发表时间:2019-03-11

本文中心主旨:磁性液位计具有广泛的应用领域。利用各向异性磁电阻(AMR)开关芯片设计了一种磁性液位计及其测试电路系统,利用微处理器的 I/O 口直接读取各个 AMR 传感器的输出电压,从而获得液位高度信息,利用 USB 转UART 实现和计算机之间的液位数据通信。测试结果表明,所制作的液位计可以准确监测液位高度。

1 引言

     磁性液位计由于具有结构简单、成本低、测量范围宽、读数直观、安装使用维修方便,且液位指示器与测量介质完全隔离而具有安全性好等优点,广泛地应用在炼油、食品加工、化工、冶金、医药、环保等行业的液位测量中 [1-3] 。常见的磁性液位计采用干簧管作为磁敏感元件,然而干簧管易碎,在运输和焊接过程中安全性较差。干簧管为机械结构,有工作寿命限制,特别是在大电流的高负载条件下,其寿命会缩短。同时,利用干簧管设计的磁性液位计分辨率和精度也不高 [4] ,因此,有必要进一步研制分辨率和精度高的磁性液位计。

     基于各向异性磁电阻效应(AMR)的开关芯片,灵敏度高、体积小、成本低,在消费电子、智能家居、汽车电子等领域都有广阔的应用前景 [5] 。由于AMR开关芯片是固态器件,没有干簧管易碎的问题,开关寿命也远大于干簧管,同时,AMR 开关芯片已经集成了处理电路,使得磁性液位计电路设计变得十分简单。因此,利用 AMR 开关芯片来替代干簧管制作磁性液位计,将克服干簧管磁性液位计的诸多难题。本研究利用 AMR 开关芯片设计了一个磁性液位传感器,分析了器件结构设计、电路信号处理,所制作的磁性液位计可以方便地检测液位高度,并可以和计算机通讯传递液位数据。

2 系统原理与设计

2.1 AMR开关芯片

     AMR开关芯片是基于磁性薄膜的各向异性磁电阻效应而开发的一类传感器芯片,当外磁场强度低于其工作点时,输出高电平;反之,当外磁场强度高于其工作点时,输出低电平。本设计采用电子科技大学与贵州雅光电子股份有限责任公司联合研制的 CC7001AMR 开关芯片 [5] 来设计磁性液位计。该AMR 开关芯片采用 SOT-23 封装,尺寸小,适用于磁性液位计,所采用的芯片输出曲线如图 1 所示,由于该传感器芯片已经集成了信号处理电路,直接输出高低电平,省去了很多后处理电路,使得设计液位计电路变得非常简单。该芯片的主要指标为:工作电压 1.8~5 V,工作温度-55~+150 ℃,工作点为 10 Oe,磁滞 1 Oe,静态电流仅 1.6 μA。

CC7001 磁电阻开关芯片典型输出曲线

2.2 工作原理

     利用 AMR 开关芯片设计的磁性液位计及其工作原理如图 2 所示。内含永磁体的浮子置于连通器中,液位计在连通器外紧贴连通器。该液位计包含12 个等间距分布的 AMR 开关芯片。其基本原理是:与浮子紧邻的 AMR 开关芯片受到磁体磁场作用,其输出电压为低电平,而远离浮子的开关芯片输出电压为高电平,当浮子随着液面变化在连通器内上下移动时,开关芯片的输出特性随着变化。因此,通过判断每个开关芯片的输出电压大小即可知道浮子的位置,从而确定液位。

液位计结构及工作原理示意图

2.3 电路设计与制作

     液位检测电路系统主要包括电源转换、微处理器、OLED 显示屏、USB 转 UART(通用异步收发传输器)通信以及其他相关模块等,如图 3 所示。其中,电源转换用于获得装置所需的各路电压,微处理器通过片上 A/D 采集电源转换的电压进行实时电压监测。通过 I/O 口采集 12 路开关芯片的电压信息,通过 USB转 UART 通信将液位数据传输至电脑等其他设备,USB 转 UART 通信以 SCI(串行通信接口)通信方式实现电脑与微处理器相连接。同时在 OLED 显示屏液位信息,OLED 显示屏以 IIC(两线式串行总线)通信方式与微处理器相连接。对于其中任意一个 AMR开关芯片,其检测电路如图 4 所示。

总体电路结构单个 AMR 开关芯片检测电路

液位检测程序流程

     微处理器的液位检测程序流程如图 5 所示。当检测电路通电后,进行初始化,启动定时器,定时时间为 250 ms,若定时时间到,则通过片上 I/O 采集 12 路开关芯片的电压,计算出液面信息,并通过SCI 传输至 USB 转 UART 模块,OLED 显示屏也会显示相关信息,循环上述过程,直至结束。在计算液面高度时,如果只有一个开关芯片的输出电压为低电平,则认为液面此时位于该开关芯片位置,当有两个相邻的开关芯片输出电压都为低电平时,则认为液位介于这两个开关芯片之间。设计的液位计中两个相邻开关芯片距离为 1 cm,因此,可以认为本文设计的液位计可以分辨 0.5 cm 的距离。通过降液位检测计实物照片不同液面高度时液位计的输出结果低两个相邻芯片之间的距离,结合位置计算算法,可以进一步提高液位的分辨率。

     根据所设计的液位检测电路系统,采用两层印制电路板工艺制作实物样品,如图 6 所示,其中微处理器采用意法半导体的 STM32F101C8 单片机。

3 应用效果

     采用制作的液位检测装置测试了容器中的液面高度,图 7 给出了浮子在不同液面高度时,磁性液位计测试结果在 OLED 显示屏的显示图像。图 7a 显示的是浮子位于第 6 个芯片时的结果,图 7b 显示的是浮子介于第 5 个和第 6 个开关芯片之间的结果。可见,磁性液位传感器可以有效地检测液面高度。

4 结束语

     基于 AMR 开关芯片对磁场的输出特性,设计了一种磁性液位计及其处理电路系统,利用 USB 转UART 接口实现与计算机等设备的通信,便于该磁性液位计的二次开发。该磁性液位计具有结构简单可靠、寿命长的特点,可以广泛应用于石油、化工以及各种油箱、水箱、液体存储罐中监测液位。

 

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