一種霍爾式智能閥門定位器的製作方法
2023-10-17 02:58:09
專利名稱：一種霍爾式智能閥門定位器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子信息和自動控制技術領域，尤其涉及一種霍爾式智能閥門定位器。
背景技術：
智能閥門定位器是氣動執行機構的關鍵附件之一，廣泛應用於工業生產，尤其是過程控制工程領域。其工作原理是，通過對閥門閥位的實時採樣，獲取閥位的當前位置數據，並與閥位開度設定值相比較，根據差值和差值變化，完成對氣動閥的閥位調節與控制，使閥位開度始終保持在設定值。通過位置反饋電路，可以將閥位位置數據反饋輸出至系統控制器。同時可以通過 按鍵和LCD液晶顯示屏設定、修改軟體的參數，或調取數據進行顯示。目前，現有技術中的智能閥門定位器、電氣閥門定位器或閥門變送器的閥位檢測裝置中，普遍採用的是「反饋連杆+齒輪組+旋轉式電位器」機械結構，反饋連杆通過特殊結構與氣動執行機構的閥杆連在一起，並隨著閥杆的移動而圍繞連杆的另一端轉動，該位移變量通過齒輪組件被放大若干倍，齒輪組同時帶動與之相連接的電位器旋轉一定的角度，電位器輸出相應大小的電壓信號，該信號輸出至主控電路進行信號的採樣與處理。上述現有技術中接觸式閥位檢測裝置在測量過程中，位移傳感器往往存在機械磨損大、機械滯後嚴重、易受外界振動影響、精度低和結構壽命低等諸多缺點。
發明內容
本發明的目的是提供一種霍爾式智能閥門定位器，能夠克服定位器中接觸式位移傳感器存在的機械磨損大、機械滯後嚴重、易受外界振動影響、測量精度低、結構壽命低等缺點，同時提高智能閥門定位器的動靜態性能。本發明的目的是通過以下技術方案實現的，一種霍爾式智能閥門定位器，所述閥門定位器包括磁鋼結構體、霍爾探頭、霍爾元件及其附屬電路和主控電路，其中所述磁鋼結構體被設計封裝成凹槽形狀，且在凹槽之間形成位移測量所需要的永久磁場，該磁鋼結構體與氣動執行機構的閥杆固定在一起，並隨著閥杆的運動而運動；所述霍爾元件及其附屬電路安裝並密封於所述霍爾探頭內，且霍爾附屬電路的輸入輸出埠與所述主控電路相連接；所述霍爾探頭設置在所述磁鋼結構體凹槽之間的中心位置，當閥體運動時，所述霍爾探頭輸出與運動位移成特定函數關係的模擬電壓信號，該信號通過所述霍爾附屬電路被送入所述主控電路，在所述主控電路中完成霍爾輸出信號的採樣與信息處理，實現閥位位置數據的測量。所述閥門定位器還包括液晶與按鍵電路，所述液晶與按鍵電路通過接口與所述主控電路連接，通過該液晶與按鍵電路來設定、修改軟體的參數，或調取數據進行顯示。所述閥門定位器還包括位置反饋輸出電路，所述位置反饋輸出電路通過接口與所述主控電路連接，通過該位置反饋輸出電路將測量處理後的數據發送給上位機。通過在所述位置反饋輸出電路中設置開關光耦、數字傳輸和電流負反饋控制模塊，提高所述位置反饋輸出電路的傳輸精度。所述磁鋼結構體具體根據設計需求將兩條磁鋼封裝成凹槽形狀，在該磁鋼結構體的外部是一層磁屏蔽，在凹槽內側是非磁屏蔽材料，在所述磁鋼結構體的上下兩端是高導磁率的特殊結構的導磁鋼片，與所述磁鋼連接形成封閉的磁場空間，且該導磁鋼片的外形與尺寸設計成與所述磁鋼結構體凹槽外形與尺寸相一致；所述磁鋼結構體根據測量線行程和角行程的不同要求設計成條形凹槽和圓形凹槽兩種不同形狀。 所述霍爾探頭被設計成一端密封的中空金屬結構體，其外部圓滑呈圓柱狀，頂部密封呈半球狀；且內部中空，側壁帶有固定溝槽，用於固定霍爾附屬電路的電路板；所述霍爾探頭的底部帶有橡膠密封圈和連接法蘭，並通過螺栓和密封圈與所述閥門定位器的本體固定。所述閥門定位器還包括集成式壓電閥，該集成式壓電閥通過密封圈和螺栓與所述閥門定位器的殼體連接並固定，其輸入端與主控電路的控制信號輸出端相連接，其輸出端通過嵌入所述閥門定位器內壁中的氣管路與所述氣動執行機構相連接；該集成式壓電閥用於完成電信號到氣壓信號的轉換，同時用於完成氣體功率的放大。該集成式壓電閥為單只或獨立的兩隻。由上述本發明提供的技術方案可以看出，所述閥門定位器包括磁鋼結構體、霍爾探頭、霍爾元件及其附屬電路、主控電路、集成式壓電閥，其中所述磁鋼結構體被設計封裝成凹槽形狀，且在凹槽之間形成位移測量所需要的永久磁場，該磁鋼結構體與氣動執行機構的閥杆固定在一起，並隨著閥杆的運動而運動；所述霍爾元件及其附屬電路安裝並密封於所述霍爾探頭內，且霍爾附屬電路的輸入輸出埠與所述主控電路相連接；所述霍爾探頭設置在所述磁鋼結構體凹槽之間的中心位置，當閥杆運動時，所述霍爾探頭輸出與運動位移成特定函數關係的模擬電壓信號，該信號通過所述霍爾附屬電路被送入所述主控電路，完成信號的採樣與信息處理，實現閥位位置數據的測量。通過該閥門定位器就能夠克服定位器中接觸式傳感器存在的機械磨損大、機械滯後嚴重、易受外界振動影響、測量精度低、結構壽命低等缺點，同時提高智能閥門定位器的動靜態性能。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖I為本發明實施例提供的霍爾式智能閥門定位器的結構示意圖；圖2為本發明實施例所提供霍爾位移傳感器的結構示意圖；圖3為本發明實施例所提供高精度位置反饋輸出電路的原理圖。
具體實施例方式下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。如圖I所示為本發明實施例提供的霍爾式智能閥門定位器的結構示意圖，所述閥門定位器主要包括磁鋼結構體2、霍爾探頭3、霍爾元件及其附屬電路4、主控電路5，其中所述磁鋼結構體2被設計封裝成凹槽形狀，且在凹槽之間形成位移測量所需要的永久磁場，該磁鋼結構體2與氣 動執行機構I的閥杆固定在一起，並隨著閥杆的運動而運動，這裡所述的運動包括移動或轉動；所述霍爾元件及其附屬電路4安裝並密封於所述霍爾探頭3內，且霍爾附屬電路的輸入輸出埠與所述主控電路5相連接；所述霍爾探頭3設置在所述磁鋼結構體2凹槽之間的中心位置。具體實現中，相應的磁鋼結構體2經過特殊工藝設計，產生位移測量所需要的永久磁場，霍爾元件及其附屬電路4被封裝在霍爾探頭3內，並與磁鋼結構體2共同組成霍爾位移傳感器。該霍爾位移傳感器的結構圖如圖2所示，圖2中包括磁鋼21、導磁鋼片22、磁屏蔽23、霍爾元件24、霍爾附屬電路板25和霍爾探頭26，其中磁鋼結構體具體根據設計需求將兩條磁鋼21封裝成凹槽形狀，在該磁鋼結構體的外部是一層磁屏蔽23，在凹槽內部兩側是非磁屏蔽材料，在所述磁鋼21的上下兩端是高導磁率的特殊結構的導磁鋼片22，例如U型導磁鋼片，與所述磁鋼21連接形成封閉的磁場空間，且該導磁鋼片22的外形尺寸設計成與所述磁鋼結構體凹槽外形尺寸相一致；所述磁鋼結構體根據測量線行程和角行程的不同要求設計成條形凹槽和圓形凹槽兩種不同形狀，具體來說，條形凹槽結構中的兩條條形磁鋼，N極與S極相對、並間隔一定距離、平行放置於同一個平面內；圓形凹槽結構中的兩條條形磁鋼，N極與S極相對、並間隔一定距離、按照同一方向放置於同一個平面內。圖2中霍爾探頭26的外部圓滑呈圓柱狀，頂部密封呈半球狀；且內部帶有固定溝槽，用於固定霍爾附屬電路板25，電路板可以插接固定其中；所述霍爾探頭26的底部帶有橡膠密封圈和連接法蘭，並通過螺栓和密封圈與所述閥門定位器的本體固定。按照上述結構，如圖I :當閥杆運動時，霍爾元件輸出與閥杆運動位移成特定函數關係的模擬電壓信號，該信號通過所述霍爾附屬電路被送入所述主控電路5，完成信號的採樣與信息處理，實現閥位位置數據的測量。上述霍爾傳感器並不僅僅局限於閥位位置測量，磁鋼結構體還可以連接於其他的移動物體上，用於測量物體的實時位移，包括線性位移和角位移等。具體實現中，所述閥門定位器還可以包括集成式壓電閥6，上述集成式壓電閥6通過密封圈和螺栓與所述閥門定位器的殼體連接並固定，上述集成式壓電閥6的輸入端與主控電路5的控制信號輸出端相連接，輸出端通過嵌入定位器內壁中的氣管路與氣動執行機構I相連接，上述集成式壓電閥6完成電信號到氣壓信號的轉換，同時完成氣體功率放大功能，驅動氣動執行機構I運動。具體實現中，上述輸出驅動部分可採用單只集成式開關壓電閥，由一隻集成式開關壓電閥便可以完成通常需要兩隻開關閥才能完成的氣動控制功能；當然並不僅僅局限於此，也可以採用兩隻獨立的開關閥組合使用。所述主控電路5和集成式壓電閥6均被安裝固定於所述閥門定位器的殼體內部，所述霍爾探頭3通過密封圈和法蘭安裝並固定於所述閥門定位器的殼體外側後部。另外，如圖I中所示，本實施例所述閥門定位器還可包括液晶與按鍵電路7，所述液晶與按鍵電路7通過接口與所述主控電路5連接，通過該液晶與按鍵電路7來設定、修改軟體的參數，或調取數據進行顯示。如圖I所示，本實施例所述閥門定位器還可包括位置反饋輸出電路8，所述位置反饋輸出電路8通過接口與所述主控電路5連接，通過該位置反饋輸出電路8將測量的數據，以4-20mA，0-20mA, HART,或FF總線等方式發送給上位機。具體實現中，由於數據傳輸裝置終端普遍採用專門的集成式4-20mA或0-20mA環流發生器，將閥位信號轉換成該環流發生器所產生的電流信號，一般其精度及溫度特性較差，有的在電路中間增加了線性光耦進行前後級隔離，由於光耦本身存在一定的非線性，所以又往往帶來一定的非線性誤差。為此本具體實施例還提出了以下的技術解決方案，通過在所述位置反饋輸出電路8中設置開關 光耦、數字傳輸和電流負反饋控制模塊，提高所述位置反饋輸出電路8的傳輸精度，具體來 說如圖3所示為本實施例所提供的高精度位置反饋輸出電路的原理圖，圖3中與主控電路5相連接的位置反饋輸出電路8中進一步設置有開關光耦86、觸發整形電路87、D/A轉換器88、模擬電壓放大器89、電流放大器810、負反饋電路811。主控電路5的信號輸出端與開關光耦86的信號輸入端相連接，開關光耦86的信號輸出端與觸發整形電路87的信號輸入端相連接，觸發整形電路87的信號輸出端與D/A轉換器88的信號輸入端相連接，D/A轉換器88的信號輸出端與模擬電壓放大器89的信號輸入端相連接,模擬電壓放大器89的信號輸出端與電流放大器810的信號輸入端相連接，電流放大器810的信號輸出端與負反饋電路811的信號輸入端相連接，負反饋電路811的信號輸出端與模擬電壓放大器89的信號輸入端相連接。具體工作中，信號數據通過主控電路5的通信埠輸出到開關光耦86，經過觸發整形電路87後，輸入D/A轉換器88，D/A轉換器88將數位訊號轉換為相應的模擬信號後，將模擬信號經過模擬電壓放大器89放大並輸出至電流放大器810，與負反饋電路811之間組成閉環負反饋迴路，通過該迴路完成電壓-電流轉換和穩流措施後，最終形成4 20mA或0-20mA環路電流輸出，從而提高所述位置反饋輸出電路8的傳輸精度。綜上所述，採用本實施方式提供的技術方案，通過採用霍爾傳感器，克服了當前智能閥門定位器的閥位位移式傳感器存在的機械磨損大、機械滯後嚴重、易受外界振動影響、測量精度低、結構壽命低等缺點；通過將霍爾探頭設置在磁鋼結構體中，將霍爾元件及其附 屬電路安裝密封於霍爾探頭內，將磁鋼、導磁鋼片、磁屏蔽、和非磁屏蔽材料等設計、封裝成帶有凹槽的特殊磁鋼結構體，形成穩定的測量磁場測量裝置，提高了霍爾傳感器的信號抗幹擾能力，不僅可以大幅提高智能閥門定位器和閥位變送器位置檢測裝置的性能，而且該霍爾傳感器具有通用性，可以作為單獨的位移傳感器使用，實現無接觸位移測量；並通過在位置反饋輸出迴路中，增加電流負反饋輸出單元電路設計，提高了負載適應性和電流信號輸出的穩定性；在閥門定位器的位置反饋輸出部分，採用開關光耦隔離和數字式傳輸，降低了信號傳輸的誤碼率，提高了信號傳輸距離；進一步的，還可以將霍爾傳感器裝置與定位器本體進行分體設計，將霍爾傳感器裝置單獨安裝在條件惡劣的工業現場，通過信號線與定位器本體進行較遠距離連接，從而對定位器本體進行保護，使定位器設備安全、可靠運行。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術 人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於，所述閥門定位器包括磁鋼結構體、霍爾探頭、霍爾元件及其附屬電路和主控電路，其中 所述磁鋼結構體被設計封裝成凹槽形狀，且在凹槽之間形成位移測量所需要的永久磁場，該磁鋼結構體與氣動執行機構的閥杆固定在一起，並隨著閥杆的運動而運動； 所述霍爾元件及其附屬電路安裝並密封於所述霍爾探頭內，且霍爾附屬電路的輸入輸出埠與所述主控電路相連接； 所述霍爾探頭設置在所述磁鋼結構體凹槽之間的中心位置，當閥體運動時，所述霍爾探頭輸出與運動位移成特定函數關係的模擬電壓信號，該信號通過所述霍爾附屬電路被送入所述主控電路，在所述主控電路中完成霍爾輸出信號的採樣與信息處理，實現閥位位置數據的測量。
2.如權利要求I所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於，所述閥門定位器還包括液晶與按鍵電路，所述液晶與按鍵電路通過接口與所述主控電路連接，通過該液晶與按鍵電路來設定、修改軟體的參數，或調取數據進行顯示。
3.如權利要求I所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於，所述閥門定位器還包括位置反饋輸出電路，所述位置反饋輸出電路通過接口與所述主控電路連接，通過該位置反饋輸出電路將測量處理後的數據發送給上位機。
4.如權利要求3所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於， 通過在所述位置反饋輸出電路中設置開關光耦、數字傳輸和電流負反饋控制模塊，提高所述位置反饋輸出電路的傳輸精度。
5.根據權利要求I所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於， 所述磁鋼結構體具體根據設計需求將兩條磁鋼封裝成凹槽形狀，在該磁鋼結構體的外部是一層磁屏蔽，在凹槽內側是非磁屏蔽材料，在所述磁鋼結構體的上下兩端是高導磁率的特殊結構的導磁鋼片，與所述磁鋼連接形成封閉的磁場空間，且該導磁鋼片的外形與尺寸設計成與所述磁鋼結構體凹槽外形與尺寸相一致； 所述磁鋼結構體根據測量線行程和角行程的不同要求設計成條形凹槽和圓形凹槽兩種不同形狀。
6.根據權利要求I所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於， 所述霍爾探頭被設計成一端密封的中空金屬結構體，其外部圓滑呈圓柱狀，頂部密封呈半球狀；且內部中空，側壁帶有固定溝槽，用於固定霍爾附屬電路的電路板； 所述霍爾探頭的底部帶有橡膠密封圈和連接法蘭，並通過螺栓和密封圈與所述閥門定位器的本體固定。
7.根據權利要求I所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於，所述閥門定位器還包括集成式壓電閥，該集成式壓電閥通過密封圈和螺栓與所述閥門定位器的殼體連接並固定，其輸入端與主控電路的控制信號輸出端相連接，其輸出端通過嵌入所述閥門定位器內壁中的氣管路與所述氣動執行機構相連接； 該集成式壓電閥用於完成電信號到氣壓信號的轉換，同時用於完成氣體功率的放大。
8.根據權利要求I所述的霍爾式智能閥門定位器，其特徵在於，該集成式壓電閥為單只或獨立的兩隻。
全文摘要
本發明公開了一種霍爾式智能閥門定位器，所述閥門定位器包括磁鋼結構體、霍爾探頭、霍爾元件及其附屬電路、主控電路、集成式壓電閥，其中所述磁鋼結構體被設計封裝成凹槽形狀；所述霍爾元件及其附屬電路安裝並密封於所述霍爾探頭內，且霍爾附屬電路的輸入輸出埠與所述主控電路相連接；所述霍爾探頭設置在所述磁鋼結構體凹槽之間的中心位置，當閥體運動時，所述霍爾探頭輸出與運動位移成特定函數關係的模擬電壓信號，該信號通過所述霍爾附屬電路被送入所述主控電路。通過該閥門定位器就能夠克服定位器中位移式傳感器存在的機械磨損大、滯後、易受外界震動影響、精度低、結構壽命低等缺點，同時提高智能閥門定位器的動靜態性能。
文檔編號F16K37/00GK102661436SQ20121015125
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者劉兆, 王興昆, 白雪蓮, 章英, 耿振, 蔡明 , 谷怡然 申請人:北京京儀海福爾自動化儀表有限公司