魏靜微,許晨昊,牛 野,徐藝玲

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080)

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非接觸式的閥門位置反饋器

魏靜微,許晨昊,牛 野,徐藝玲

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080)

為了解決傳統(tǒng)閥門位置反饋器安全性較低以及防爆式反饋器成本較高的問題，設(shè)計了一種基于霍爾效應(yīng)的非接觸式閥門位置反饋器。介紹了角行程式和直行程式反饋器的基本結(jié)構(gòu)和運行原理，建立了直行程式反饋器永磁體部分二維、三維模型，對其磁場進(jìn)行仿真分析。并通過實驗對磁體磁場進(jìn)行測量，將實際實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相對比，證明了產(chǎn)品設(shè)計的合理性。而且通過實際應(yīng)用也驗證了該產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確、安全地完成檢測任務(wù)。

非接觸式反饋器；霍爾傳感器；檢測模塊；永磁體

0 引言

閥門位置反饋器又稱閥門回訊器，可安裝于角閥、隔膜閥、蝶閥等開關(guān)型閥門上，用以將閥門狀態(tài)以開關(guān)信號形式輸出，可方便接至現(xiàn)場PLC或DCS系統(tǒng)中，實現(xiàn)閥門開關(guān)狀態(tài)的遠(yuǎn)程反饋。

國內(nèi)外對閥門反饋器的研究情況基本一致，僅在產(chǎn)品質(zhì)量與價格上有一定差別。閥門反饋器一般可分為接觸式與非接觸式。接觸式反饋器大多由機械限位開關(guān)構(gòu)成，由于存在機械接觸部分，容易產(chǎn)生火花，所以在防爆場合使用時需加裝隔爆殼體，十分笨重，如果閥門頻繁動作，反饋器的精度和壽命都會有所下降。非接觸式反饋器一般采用NAMUR接近開關(guān)，雖然克服了接觸式反饋器的缺點，但在防爆場合需配接安全柵使用，成本較高。

為解決以上問題，本文提出一種基于霍爾元件的磁電式閥門位置反饋器，安裝方便，測量精度高，無需安全柵，除檢測閥門開關(guān)狀態(tài)外，還可以檢測出由于各種原因?qū)е碌拈y門不能正常開、關(guān)的故障，只要不在強磁環(huán)境下工作，都可以穩(wěn)定、快速完成工作[1-4]。并且，其主電路為本質(zhì)安全型電路，線路板部分采用了澆注防爆方式，極大地提高了系統(tǒng)的防爆性，使設(shè)備在防爆要求較高的場合也能安全運行。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 設(shè)計思路

為了解決傳統(tǒng)閥門位置反饋器的不足，本文提出一種基于霍爾元件的磁電式閥門位置反饋器?；魻杺鞲衅黛`敏度較高，體積小，安裝使用方便，而且成本也比較低。為在防爆場合使用，含有霍爾元件的電路部分應(yīng)使用防爆材料完全澆注，安裝在反饋器殼體中；磁場由永磁體產(chǎn)生，并將永磁體安裝在與閥門同步運動的金屬連桿上。為防止直行程閥門動作時閥芯旋轉(zhuǎn)，需要產(chǎn)生圓形磁場保證霍爾傳感器正常工作。圓形磁場可以使用多個永磁體來產(chǎn)生。永磁體磁場比較穩(wěn)定，壽命長，滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。反饋器實物圖如圖1所示。

圖1 反饋器實物圖

1.2 基本結(jié)構(gòu)

霍爾型閥門位置反饋器主要結(jié)構(gòu)包括外殼、檢測模塊、金屬連桿、永磁體(N35)、磁體架。圓形永磁體被均勻放置在磁體架四周(永磁體放置方式如圖2所示)，用以產(chǎn)生均勻的磁場，這樣就保證閥芯360°旋轉(zhuǎn)也不會影響設(shè)備正常工作。連桿用來連接閥門和磁體架，磁體架可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)位置，保證傳感器能準(zhǔn)確動作，提高了產(chǎn)品的適用能力。檢測模塊包括上下兩組相同的霍爾傳感器，用來檢測閥門的開、關(guān)狀態(tài)。閥門狀態(tài)可通過模塊上的2個LED直觀顯示出來。如果開、關(guān)狀態(tài)均未檢測到，則表示當(dāng)前檢測閥門處于故障狀態(tài)。

圖2 永磁體與支架

1.3 工作原理

閥門通過連桿與永磁體架連接，閥門動作時，會帶動連桿以及永磁體一起動作。當(dāng)閥門處于不同狀態(tài)時(開啟、關(guān)閉和中間狀態(tài))，會通過連桿帶動永磁體運動到不同位置。當(dāng)永磁體與上側(cè)的霍爾元件之間的距離接近到一定程度，霍爾元件動作，輸出信號，點亮發(fā)光二極管，并使三極管導(dǎo)通，在輸出口(UP口)輸出觸發(fā)信號，表示閥門處于開啟狀態(tài)。閥門關(guān)閉時，信號產(chǎn)生過程與閥門開啟時相同。當(dāng)閥門位于兩霍爾元件中間位置，不會觸發(fā)霍爾元件，同時LED也不會發(fā)光，2個輸出口均不會輸出觸發(fā)信號。閥門開啟與關(guān)閉檢測電路相同，電路結(jié)構(gòu)均如圖3所示。圖3中，U1(U2)是霍爾開關(guān)模塊，D1(D2)是發(fā)光二極管，Q1(Q2)是三極管。

圖3 檢測模塊原理圖

2 設(shè)計及開發(fā)應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

提升系統(tǒng)的防爆性能，主要有加裝防爆蓋、使用安全柵、使用本質(zhì)安全型電路等幾種方式。所設(shè)計閥門狀態(tài)反饋器將主電路單獨放置于防爆殼體中，并使用環(huán)氧樹脂澆注的方式，排出空氣，消除了電路打火的隱患。在材料選擇上，霍爾型閥門狀態(tài)反饋器所使用的材料都具有極強的絕緣性。殼體采用PPS (Phenylenesulfide)塑料，上蓋采用PC(Polycarbonate)塑料，連接處使用EPDM(Ethylene-Propylene-Diene Monomer)橡膠密封。電路澆注材料使用的環(huán)氧樹脂，其擊穿電壓可達(dá)35 kV/mm，有優(yōu)良的防爆特性，并對羥、酮、酒精、酯等有優(yōu)異的防護(hù)性能。

反饋器按照使用場合分為角行程式和直行程式。角行程式反饋器磁體部分由豎直排列的2個永磁體構(gòu)成，分別安放在2個相距一定距離的磁體架上。根據(jù)閥門實際情況，2個永磁體之間呈一定角度，用來在閥門旋轉(zhuǎn)時觸發(fā)不同的霍爾開關(guān)，表示不同的閥門狀態(tài)。角行程式反饋器結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。

直行程與角行程反饋器相比，主要區(qū)別在于磁體的擺放方式。直行程式反饋器的磁體部分由均勻分布的小永磁體構(gòu)成。均勻分布的永磁體用來產(chǎn)生圓形磁場，可以減少永磁體的使用，降低成本。直行程反饋器如圖5所示。

圖4 角行程反饋器結(jié)構(gòu)

圖5 直行程反饋器結(jié)構(gòu)

2.2 參數(shù)設(shè)計

永磁體材料選擇常用的燒結(jié)型釹鐵硼中的N35，其矯頑力為860 kA/m，剩余磁感應(yīng)強度為1.17 T，工作溫度<80 ℃，是目前磁性最高的永磁材料。產(chǎn)生圓形磁場需要將磁體架做成圓環(huán)形，并均勻開孔，同時將永磁體做成小圓柱型，嵌入磁體架中，減少材料使用。

通過磁場仿真與計算，選擇霍爾開關(guān)為A110x系列中的A1101型 。A1101型霍爾開關(guān)工作溫度范圍-40～125 ℃；最大動作磁場0.017 5 T,最小釋放磁場0.001 T。反饋器殼體根據(jù)其他模塊尺寸設(shè)計成圓柱形，減少所占空間。

2.3 應(yīng)用舉例

霍爾型閥門狀態(tài)反饋器是一種適用于Φ40～125 mm 尺寸氣缸的電子式位置反饋器，可安裝在角閥、隔膜閥等直行程閥門上；在此基礎(chǔ)上開發(fā)的角行程式閥門狀態(tài)反饋器則適用于蝶閥等閥門。該設(shè)備性價比高，可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場。

當(dāng)現(xiàn)場閥門數(shù)量較多時，還可以加裝AS-I總線模塊。AS-I(Actuator Sensor Interface)總線屬于底層設(shè)備級總線，是以替代傳統(tǒng)并行接線理念開發(fā)的一種專門針對數(shù)字量IO的兩線制網(wǎng)絡(luò)。該兩線制網(wǎng)絡(luò)采用非屏蔽電纜，既傳送信號又提供電源，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無要求，具有簡單可靠、實時性強、抗干擾能力強、開放性好等特點。可以極大減少布線數(shù)量，雖然前期投入有所增加，但可以節(jié)約15%～30%成本。圖6為閥門位置反饋器應(yīng)用在氣動角閥上的接線圖。

圖6 閥門位置反饋器實際接線圖

3 仿真及實驗

3.1 運用Ansoft仿真

3.1.1 二維仿真

根據(jù)已知參數(shù)和尺寸建立永磁體部分的二維圖(圖7)，為每個永磁體建立局部坐標(biāo)，磁體型號選擇NdFe35，并將磁化方向設(shè)為x=-1，y=z=0(因為所選霍爾元件屬于S極敏感，所以永磁體外部全為S極)。支架部分選擇aluminum，其他部分材料全部用Air代替。求解方式選擇靜磁場求解，邊界條件則選擇Vector Potential Boundary(狄里克萊邊界條件)，求解設(shè)置使用默認(rèn)設(shè)置。求解結(jié)果如圖8所示。

圖7 永磁體二維模型

圖8 二維模型求解結(jié)果

3.1.2 三維仿真

建立三維仿真模型，如圖9所示，材料選擇與二維仿真時相同。求解方式為靜態(tài)磁場求解，邊界條件選擇的是Default Boundary Conditions(自然邊界條件)[6]。所求得磁場圖如圖10所示。

圖9 永磁體三維模型

圖10 三維模型求解結(jié)果

為了求得正對磁極位置以及磁極間位置的磁感應(yīng)強度值，在正對磁極(路徑1)以及兩磁極間(路徑2)分別從磁體架中心開始作2條長20 mm的線段，作為計算磁感應(yīng)強度的路徑。如圖11所示。

圖11 磁感應(yīng)強度計算路徑

式(1)為關(guān)于xoy平面對稱的三維場磁感應(yīng)強度求解公式。

B=Bxcosφ+Βysinφ

(1)

式中Bx為投影到X軸的磁場分量；By為投影到Y(jié)軸的磁場分量。

距離與磁感應(yīng)強度關(guān)系曲線如圖12、圖13所示。

圖12 路徑1求解結(jié)果

圖13 路徑2求解結(jié)果

圖14 正對磁體表面磁感應(yīng)強度

圖15 兩磁極之間磁感應(yīng)強度

圖12與圖13為沿路徑1與路徑2的求解結(jié)果。圖14與圖15表示的是從磁體外表面以及磁體支架外表面開始，沿路徑1、2的磁強應(yīng)強度。

3.2 實際測量

永磁體磁場實際測量采用SS495A1霍爾傳感器，該傳感器是一種高精度線性型傳感器，工作溫度范圍-40～+150 ℃。內(nèi)部的激光修正薄膜電阻可提供精確的靈敏度和溫度補償，使得測量結(jié)果較準(zhǔn)確。

測量時，給霍爾傳感器加5 V工作電壓，改變永磁體與傳感器之間的距離，并將輸出電壓記錄下來。分別測量、記錄傳感器正對磁極和兩磁極之間時的電壓值。線性霍爾傳感器工作電流由內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)決定，磁場計算公式變?yōu)槭?2)的形式。

(2)

式中：UH為霍爾電壓；U0為不等位電勢；KH為霍爾傳感器的靈敏度[7-8]。

實際測得數(shù)據(jù)和計算出的磁感應(yīng)強度如表1所示。

表1 實測數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)對比

3.3 數(shù)據(jù)對比

由表1可以看出，通過Ansoft分析得出的結(jié)果，與使用霍爾傳感器所測得之間誤差在允許范圍之內(nèi)，可知所得結(jié)果正確有效。在距離永磁體外表面5 mm附近時的磁場正好在霍爾開關(guān)工作磁場附近，不論是永磁體正對還是兩塊永磁體中間正對霍爾傳感器，都能保證霍爾開關(guān)的正常工作。所以反饋器的霍爾傳感器與永磁體之間的最小距離應(yīng)設(shè)計為5 mm左右。當(dāng)磁體與傳感器距離超過7 mm左右時，就會超出傳感器工作磁場范圍，此時就可以判斷出閥門未能正確打開或關(guān)閉。

4 結(jié)束語

基于霍爾效應(yīng)的霍爾型非接觸式閥門位置反饋器，解決了傳統(tǒng)接觸式反饋器易磨損、防爆性能較低的問題。而且與接近開關(guān)式非接觸反饋器相比，極大地降低了設(shè)備與安裝成本，還可以遠(yuǎn)程檢測閥門未能正確打開或關(guān)閉的故障。除此之外，還有靈敏度高、維護(hù)方便、便于擴(kuò)展等優(yōu)點。

本產(chǎn)品也有一定的限制，如磁體工作溫度的限制導(dǎo)致設(shè)備不能在高溫環(huán)境下工作，以及在強磁環(huán)境下設(shè)備精度較低等。

本文采用Ansoft對反饋器永磁體部分的磁場進(jìn)行仿真，并與實驗相結(jié)合，共同驗證了產(chǎn)品設(shè)計的合理性。產(chǎn)品經(jīng)過進(jìn)一步完善就可以用在各種類型閥門上。目前已經(jīng)有部分廠家開始使用這種反饋器，經(jīng)驗證該反饋器可以準(zhǔn)確、安全地完成檢測任務(wù)。

[1] 張珂,楊其華,李冰,等.基于霍爾器件的非接觸式角度傳感器研制.傳感技術(shù)學(xué)報,2008,21(6):981-984.

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Contactless Valve Position Feedback Device

WEI Jing-wei,XU Chen-hao,NIU Ye,XU Yi-ling

(School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

In order to solve problems that the lower safety of traditional valve position feedback device and the higher cost of explosion-proof valve position feedback device,a contactless valve position feedback device that based on Hall Effect was designed.The basic structure and operation principle of rotary and linear valve position feedback device were described.2D and 3D finite model of Permanent-magnets were built,and simulation analysis on the magnetic field was also described.Meanwhile,the magnetic field was measured through experiments.The experimental results were compared with the simulation results that proved the rationality of the product design.And this product was also demonstrated that it can complete the inspection works safely and accurately through the practical application.

contactless valve position feedback device;hall sensor;detection module;permanent magnets

國家自然科學(xué)基金(51207036)

2015-03-23 收修改稿日期：2015-07-10

TP216

A

1002-1841(2015)12-0141-03

魏靜微(1969—)，碩士，副教授，研究方向為特種電機及控制。E-mail：hustg0314@163.com 許晨昊(1992—)，碩士研究生，研究方向為特種電機控制。 E-mail：491165595@qq.com