霍尔式窨井水位检测装置的设计与实现

荆向峰，杨成忠

(杭州电子科技大学信息与控制技术研究所，浙江杭州310018)

0 引言

城市排水管网中的液位是排水调度的重要依据，通过对窨井盖下水位进行检测，实时监控管网水位，对减少城市排水系统的溢流，提高排水系统效益有着十分重要的意义［1］。目前，在低精度液位测量中，浮球式水位计是比较成熟的。这其中很多是以线性霍尔元件作为传感器，包括国产、进口及合资的等各种类型，虽然价格不一，性能优劣各不相同，但基本原理大都是类同。其基本原理为:半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，由于水位变化而使磁场强度发生改变，霍尔元件输出不同的电动势，进而得到水位值［2］。采用线性霍尔传感器虽然可以得到连续的水位变化，但由于线性霍尔元件及永磁体本身因素和外部环境，线性霍尔元件在获取信息的同时也向应用系统引入了干扰，或产生温漂。所以在应用之前，需要对其进行温度补偿和线性化校正。增加电路的复杂度。浮球的连接传动机构复杂，体积大，连杆自身的重量和机械部件产生的阻力容易造成浮球不能随液位的变化而灵活升降，使信号采样误差比较大，增大了水位检测的误差［3，4］。基于目前浮球式水位计的诸多缺点，本文设计了一种结构简单、精度较高、适用窨井环境下的水位检测装置。

1 霍尔开关式传感器的设计

针对窨井盖下特殊的工作环境，基于线性霍尔液位传感器的缺点，构思了一种基于线性传感器诸多优点之上的新的液位测量方案:即用霍尔开关式传感器取代线性传感器。霍尔片具有体积小(如:OH3144，其尺寸为4.16mm×3.2mm×1.5mm)、响应快等特点。用它来取代线性霍尔片，可以避免线性液位传感器的诸多缺点，同时还可以提高测量的分辨率。

1.1 霍尔开关式传感器简介

霍尔开关式传感器和线性霍尔片一样，都是基于霍尔效应原理工作的。霍尔开关式传感器输出有两种状态，即高电平和低电平。本文采用霍尔开关式传感器型号为OH3144。

OH3144霍尔开关式传感器采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整期、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和一个集电极开路的三极管组成的磁敏传感电路如图1所示。当磁场作用在霍尔片上时，根据霍尔效应，霍尔元件输出霍尔电压UH，该电压经过放大器放大后，送入施密特整形电路，当放大后的UH电压大于阈值电压Uth时，施密特电路发生翻转，输出高电平，使半导体三极管导通;当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压UH很小，放大后的UH电压小于阈值电压Uth时，施密特电路由导通状态翻转为截止状态，输出为低电平，导致三极管截止。由于霍尔开关式传感器内部的集成电极开路，所以工作时必须外加上拉电阻［5］。

关于霍尔片的几种参数如下:

电源电压4.5～24V;

工作温度－65～150℃。

图1 霍尔开关式的功能方框图

1.2 窨井水位检测装置的设计

霍尔式窨井水位检测装置包括电路处理单元、浮球、永磁体、PVC管、电路板和过滤网。PVC管的两端开放，其顶端上设置有电路处理单元，底端上设置有过滤网，PVC管的侧壁上装有电路板，电路板上等间距布置多个霍尔开关式传感器;PVC管内设置有浮球，浮球内固定有永磁体，永磁体设计为方形或者圆形如图2所示。

如图3所示，在电路板上设置有霍尔开关式传感器。其中，霍尔开关式传感器同向等间距分布在电路板上，霍尔开关式传感器沿着PVC管的轴向布置。

图2 水位检测装置构造示意图

图3 霍尔片在电路板上分布

1.3 水位检测装置的测量原理

水位测量原理是利用漂浮在水位上的浮球的位置来判断水位的高度。将该装置竖直置于下水管中，当下水管中的水位发生变化时，对应的浮球也随之上升或下降，由此触发PVC管外的霍尔开关式传感器输出低电平，由于霍尔开关式传感器之间的距离已知，通过单片机采集处理霍尔开关式传感器输出的电平信号，即可得知水位的高度，最后可由显示器显示当前水位高度。

2 霍尔片间距的确定及可行性验证

根据液位测量原理可知，霍尔片之间的距离越小，则液位测量的分辨率就会越大;反之，分辨率会越小。采用图3中电路进行实验，当霍尔传感器工作时，单片机依据事先设计好的程序来判断哪个霍尔片被感应。设霍尔片间距为L(单位:mm)，则分辨率可以达到L/2。浮球的直径为30mm，磁体的尺寸为20mm×5mm，对比实验数值与理论值，确定霍尔片的间距L。L的取值与实验所测量数据如表1所示:

表1 实际值与实验测量值(实验所用电路板总长为1 000mm)单位:mm

通过实验发现:电路的整体输出比较稳定，当浮球的中心基本正对霍尔片时，此时正对的霍尔片被感应，输出低电平，其余的霍尔片输出为高电平;当浮球的中心位于两个霍尔片中间时，并且霍尔片间距大于18mm时，此时相邻的两个霍尔片不会感应，输出都为高电平，当霍尔片间距小于15mm时，此时相邻的两个霍尔片被同时感应，输出为低电平;当霍尔片间距小于4mm时，连续3个或4个霍尔片都会被同时感应，造成输出电平的不平稳。

多次实验表明:当霍尔片间距为10mm时，电路输出稳定，检测精度比较好，尽管实际检测值与实际值还有点误差，但这对整个水位的判断已经够了。

3 结束语

基于霍尔开关式传感器的水位检测装置具有比较好的精确度和良好的反应时间。并且由于水管和浮球均采用PVC材质制成，PVC对氧化剂、还原剂和强酸有很强的抵抗力，并且牢固耐用、低成本。尤其适合于窨井盖下的环境。整个装置基本能够达到设计要求，而且传感器电路简单、成本低，具有很好的实用价值。

［1］朱红林.城市排水系统预测控制算法研究［D］.上海:上海交通大学，2009.

［2］孟立凡，蓝金辉.传感器原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2007:174－185.

［3］杨万国，贾延刚.多种液位仪表的应用对比［J］.石油工程建设，2004，(2):38－43.

［4］高德胜.一种浮球式液位检测装置［P］.2000.

［5］淮文博，高宗海，李大成.霍尔式液位传感器的设计与实现［J］.电气技术与自动化，2010，3(1):150－153.

［6］高茜.提高霍尔传感器精确度的研究［J］.沈阳电力高等专科学校学报，2002，4(1):42－44.