一种涡轮流量计检测探头、敏感元件及流量计的制作方法

本发明属于仪器仪表领域，具体涉及一种基于霍尔传感器的涡轮流量计检测探头、一种敏感元件以及对应的涡轮流量计。

背景技术：

1、涡轮流量计是一种速度式流量计，该流量计包括一个涡轮以及一个检测涡轮转速的探头。当流体通过涡轮流量计时，会推动涡轮使其以一定的转速旋转。在涡轮流量计检测过程中，涡轮转速和通过的流体流量间具有特定的函数关系；而装在壳体外的探头则可以检测涡轮转动并生成与涡轮转速相关的电信号。通过对探头输出的电信号进行处理可以得到涡流转速，进而计算出流量的检测结果。

2、传统的涡轮流量计中采用线圈作为探头中的敏感元件实现叶轮转速进行测量，当叶轮转动时，叶轮的叶片部分和叶间间隙交替靠近线圈，由于叶轮采用铁磁性的铸铁材料制备而成，因而线圈会检测出周围的感应磁场发生的周期性变化。对感应信号进行分析即可计算出叶轮的转速，进而计算出流体的流量。

3、线圈型电磁流量计是目前应用最广泛的流量检测方案，但是其也存在一些性能上缺陷。例如：常规的带磁性的线圈放大器抗电磁干扰能力差，长时间使用时容易在测试点附近积累磁性杂质因而使检测性能变差。另外，线圈型电磁流量计的信号强度随涡轮转速成正比，所以存在信号的截止区和饱和区，这使得线圈型流量计在小流量(低转速)或大流量(高转速)测量时容易发生信号丢失现象，进而导致测量结果不准。

4、除此之外，市场上现存的大多数产品的输出信号为脉冲频率输出；而目前工业现场的信号接收设备却普遍采用4-20ma标准电流信号，老旧的涡轮流量计产品无法满足新标准对输出信号的要求。

技术实现思路

1、为了解决现有线圈型电磁流量计的精度和稳定性较差，信号输出标准不统一的问题，本发明提供一种基于霍尔传感器的涡轮流量计检测探头、一种敏感元件以及对应的涡轮流量计。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种基于霍尔传感器的涡轮流量计检测探头，其包括信号检测部分和信号处理部分，信号检测部分用于检测涡轮流量计中涡轮叶片的转动，并生成一个对应的感应信号；信号处理部分用于将感应信号转换为4-20ma的标准电流信号。

4、信号检测部分由线性霍尔元件和微型永磁体构成；微型永磁体位于线性霍尔元件的顶部，且微型永磁体的磁极间连线方向垂直于线性霍尔元件的磁感应面。线性霍尔元件的输出端作为信号检测部分的输出端，输出信号vout满足下式：

5、vout＝k·b

6、上式中，k表示线性霍尔元件的灵敏度系数；b表示线性霍尔元件所处环境的磁感应强度。

7、作为本发明进一步的改进，在信号检测部分中永磁体一侧与涡轮流量计的叶轮靠近时，当叶轮转动时引起线性霍尔元件磁感应面的磁通量变化，进而产生正弦波形的感应信号。

8、作为本发明进一步的改进，信号处理部分用于将信号检测部分采集到的正弦交流信号转换为4-20ma的标准电流信号输出。信号处理电路包括：信号放大电路、整形电路、频压转换电路、压流转换电路和稳压电源。信号放大电路用于对线性霍尔元件的感应信号进行放大，放大倍数a为100倍。整形电路用于将放大后的感应信号变换为标准方波频率信号输出。频压转换电路采用f/v转换器将整形电路输出的频率信号转换为电压信号输出。压流转换电路用于将频压转换电路输出的电压信号转换为4-20ma的标准电流信号输出；稳压电源用于为信号处理部分的其它电路提供运行所需的+5v的电压源。

9、作为本发明进一步的改进，，压流转换电路包括+24v的电源正极端、0v的电源负极端和输出端out。压流转换电路包括：电位器s1、z1，运算放大器u3.2、u4.1、u4.2，电阻r2、r11～r16，电容c8～c11、c13，保护二极管d1～d3，稳压管d4，mos管q1，bjt管q2和磁珠l1～l2。压流转换电路的电路连接关系如下：

10、s1的其中一个固定端接u1的输出端，另一个固定端通过r2接地，滑动端通过r10连接在u3.2的同相输入端。u3.2的同相输入端还通过c7接地，u3.2的反相输入端与输出端相连，并依次通过串联的r12、z1和r11接+5v电压源。c8的一端接在r12和z1的连接点处，并与u4.2的同相输入端相连。c8的另一端接地。u4.2的反相输入端与q2的发射极相连并通过r13接地。u4.2的输出端与q2的基极相连；q2的集电极与u4.1的同相输入端、以及c10、r15的下端相连。c10的上端通过d4接vcc；c9的上端接vcc，下端通过r14接地。c9的下端还与c10、r15、r16的上端相连，r16的下端与u4.1的反相输入端和q1的源极相连。u4.1输出端接q1的栅极；q1的漏极通过d3和l2接信号输出端out。电源正极端依次通过串联的l1、d1、c11接gnd；d1和c11的连接点接vcc；电源负极端依次通过l3和d2接到gnd上。

11、作为本发明进一步的改进，信号放大电路由电容c3、c17，电阻r17～r19，运算放大器u5和bjt管q3构成。电路连接关系如下：q3的基极通过c17连接在感应线圈t的一端，感应线圈t的另一端接gnd。r17连接在q3的基极和集电极之间。q3的集电极通过r18连接+5v的电压源。q3的发射极通过相互并联的r19和c3接gnd。u5的同相输入端接q3的集电极，u5的反相输入端与输出端相连并作为放大信号的输出端口。

12、作为本发明进一步的改进，整形电路由电容c18、c19，电阻r3～r9，运算放大器u3.1构成。电路连接关系如下：

13、电容c18采用极性电解电容，c18的负极接信号放大电路的输出端口，c18的正极与r5和r9的一端连接；r5的另一端通过相互并联r6和c19接gnd。r9的另一端接在u3.1的同相输入端上。r8连接在u3.1的同相输入端和输出端之间。u3.1的反相输入端通过r7连接+5v电压源。u3.1的输出端还依次通过c12、r4和r3接gnd。r3和r4的连接点引出作为标准方波频率信号的输出端口f。

14、作为本发明进一步的改进，频压转换电路由电容c1、c2、c4，电阻r1，以及f/v转换器u1构成。f/v转换器u1采用xd2917型频压转换器，包括1～8引脚。u1的1号引脚接整形电路的输出端口f；2号引脚通过c1接gnd；3号引脚通过相互并联的r1和c2接gnd；4号引脚和7号引脚相连，并作为转换后的电压信号输出端口；5号和6号引脚相连并接+5v的电压源；8号引脚接gnd。电容c4连接在5号和8号引脚之间。

15、作为本发明进一步的改进，稳压电源由稳压芯片u2以及电容c5、c6、c13构成，稳压芯片采用ht7550型集成电路，包括3个引脚；电路连接关系如下：u2的1号引脚接gnd，2号引脚接vcc，3号引脚用于产生+5v的输出电压；电容c5连接在1号和2号引脚之间；电容c6连接在1号和3号引脚之间。

16、此外，电容c13连接在壳体端ke和gnd之间。

17、本发明还提供一种敏感元件，其用于检测涡轮流量计中涡轮叶片的转动并生成一个对应的正弦波形的感应信号。敏感元件由线性霍尔元件和微型永磁体构成；微型永磁体位于封装后的线性霍尔元件的顶部，且微型永磁体的磁极间连线方向垂直于线性霍尔元件的磁感应面。线性霍尔元件的输出端作为敏感元件的输出端。

18、本发明还提供一种涡轮流量计，其包括涡轮结构和探头。该涡轮流量计中的探头采用如前述的基于霍尔传感器的涡轮流量计检测探头。

19、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

20、本发明利用线性霍尔元件和永磁体设计了一个可以检测涡轮流量计中涡轮转动的新型敏感元件，该敏感元件具有较强的抗电磁干扰能力，以及更高的灵敏度，将其应用于涡轮流量计后，可以提高涡轮流量计的精度和稳定性，并提升其对高流量和低流量检测场景的适应性。

21、此外，本实施例提供的基于线性霍尔元件和永磁体的敏感元件只需要提供极低磁感应强度的原生磁场即可激发线性霍尔元件产生检测信号。这可以降低叶轮在运转过程中吸附铁磁性杂质的风险，改善传统的线圈型涡轮流量计容易出现的因叶轮沾染铁磁性杂质而导致的检测精度下降的缺陷。

22、本发明还设计了一种全新的可以直接将涡轮流量计中线性霍尔元件采集到的正弦波信号直接转换为4-20ma的标准电流信号的新型信号处理电路，该信息电路可以依次对感应信号进行放大、整形、频压转换和电流转换输出。相对于传统的频率输出型信号处理电路，本发明方案进需要增加由集成电路xd2917为基础的频压转换部分，以及由若干运放、mos管、bjt，以及电阻电容等基础元件构成的电流输出部分。因此该方案兼具性能优势和成本优势。

23、本发明提供的信号处理电路中设计了多次滤除杂波处理，可以提高采集信号的稳定性，提升输出的电流信号的精度。此外，本发明提供的电路方案还支持针对应用场景对检测信号的零点和满度进行调整，性能更加强大。安装调试也更加方便。