1 應用簡報

引言

旋轉式流量計利用流體流動，以與流速成正比的速度旋轉機械組件。與使用簧片開關的流量計相比，采用霍爾效應傳感器可實現更小的外形尺寸設計、更長的器件壽命以及更小的組裝誤差。

可通過磁性葉輪和霍爾效應傳感器實施一種測量流體流速的可靠非接觸式方法，如圖 1-1 所示。在這種方法中，磁體被放置在葉輪上，這樣霍爾傳感器能夠檢測葉輪旋轉時不斷變化的磁場。這種不斷變化的磁場會使霍爾器件在超過磁性閾值時改變輸出狀態。因此，霍爾傳感器輸出頻率可用于測量流經儀表的液體流速。

在設計機械類流量計時，有必要評估系統方案的基本要求。最小和最大流速等特性決定了葉輪尺寸等機械因素。磁體選擇會影響適合應用的霍爾效應傳感器的類型。因此，系統精度要求將影響實現測量所需的磁極或霍爾傳感器的總數。

器件靈敏度

選擇霍爾效應傳感器時，請確保該傳感器對流量計中使用的磁體具有足夠的靈敏度。磁體的位置和尺寸可能會顯著影響霍爾效應傳感器檢測到的磁通密度。霍爾效應器件通常會提供多種靈敏度選項，以滿足應用的具體靈敏度要求。選擇霍爾效應傳感器時，必須確保具有足夠的磁余量，以可靠地觸發磁場變化。

單極開關

單極開關是現有最簡單的霍爾效應器件，能夠在一個方向（磁體的北極或南極）上檢測 B_OP 和 B_RP。使用具有單個檢測方向的傳感器時，磁體方向需要擺放正確才能實現磁場檢測。霍爾效應開關的常見磁體方案包括南極或北極朝向磁體交替擺放，或者單個朝向磁體相距較遠，使得磁體之間的磁場強度低于 B_RP 閾值。在數字霍爾效應器件中，B_OP 和 B_RP 決定了器件的開關閾值。對于霍爾效應開關，此特性使得輸出占空比取決于磁場閾值水平和磁體運動。通常，與采用鎖存器時相比，在流量計設計中實現霍爾效應開關時必須更加小心。不過，開關可以與各種磁體方案配合使用，從而進一步提高了流量計機械設計的靈活性。圖 1-2 顯示了單極開關的工作方式。

全極開關

全極開關就像是兩個連接在一起但極性相反的單極開關。因此，該開關仍舊采用 B_OP 和 B_RP 工作；不過，磁場的極性不再影響傳感器的輸出。此方案要求磁體相距較遠，使得磁體間的磁場強度低于 B_RP 閾值。使用全極開關時，磁體可以按照任意方向（北向或南向）擺放，而磁極都不會給傳感器工作造成影響。磁體可以按照任一方向擺放，從而簡化了流量計的整體機械組裝。圖 1-3 中顯示了全極開關的工作方式。

1D 鎖存器

一維 (1D) 霍爾效應鎖存器具有與開關相似的工作特性，但存在一個獨特之處，即保留之前的輸出狀態，直到檢測到相反極性的磁極。因此，傳感器必須檢測變化的磁極，以便在輸出上產生相應的變化。假設磁體間距相等，那么不管檢測頻率如何，鎖存器的輸出波形占空比都約為 50%。圖 1-4 展示了霍爾效應鎖存器的工作特性。

2D 集成鎖存器

二維 (2D) 霍爾效應鎖存器采用與 1D 霍爾效應鎖存器相似的工作方式，但在單個封裝中集成了多個感應元件。在 TMAG5111 器件中，這一特性支持旋轉感應和方向感應。由于具有多個感應元件，2D 鎖存器無需額外的磁極，即可提高傳感系統的分辨率。此外，2D 霍爾效應鎖存器具有固有的正交特性，因此無需像 1D 霍爾效應鎖存器那樣精確地按照互成 90° 的方式交錯放置。正交輸出可以實現更準確的頻率測量，以及機械式流量計中的回流檢測功能。

帶寬

與具有模擬帶寬的運算放大器等器件不同，霍爾效應傳感器具有數字帶寬。帶寬決定霍爾效應傳感器能夠檢測的最大頻率。必須考慮流量計中存在的磁極總數，以驗證葉輪的最大轉速是否小于器件的帶寬。例如，如果流量計采用高帶寬 DRV5013 霍爾效應鎖存器（30kHz）和具有 32 個極點（16 個北極，16 個南極）的環形磁體，則理論上的最大典型檢測速度為每秒 1875 轉。使用計算得出的最大檢測轉速來驗證最大流速并不會導致機械組件超過霍爾效應器件的檢測能力。

工作電壓范圍

不同的系統具有不同的可用電源電壓。如果系統的可用電源電壓均超出霍爾傳感器的工作電壓范圍，則需要一個額外的電壓穩壓器來生成一個電壓軌，以便為霍爾傳感器供電。DRV5013 等器件具有寬電源電壓范圍（2.5V 至 38V），因此霍爾效應傳感器適用于各種高壓或低壓應用。

封裝

封裝選擇可影響流量計的機械設計，因為封裝的尺寸和靈敏度面決定了霍爾效應傳感器的位置。通過將表面貼裝封裝與引線式 TO-92 封裝進行比較，可以非常明顯地感受到該影響。圖 1-5 顯示了采用 SOT-23 和 TO-92 封裝的傳統及平面霍爾效應傳感器的檢測方向差異。此外，如果機械約束顯示了霍爾傳感器安裝選項，可以使用平面傳感器來檢測封裝外側的磁場（圖 1-5）。

功耗

低功耗霍爾效應器件能夠通過減少有效電流消耗來延長電池供電系統的運行壽命。例如，DRV5032 低功耗霍爾效應開關具有一個采樣率為 5Hz 的器件，在 1.8V 電源條件下典型電流消耗僅為 0.54μA。電流消耗通常與器件帶寬成反比，因此有必要為目標流量監測應用平衡這兩個特性。如果需要高帶寬和低功耗，則可能有必要通過在外部對睡眠或使能引腳（如果器件擁有該引腳的話）進行周期性運行或者對器件的 V_CC 引腳進行周期性運行來降低平均電流消耗。

有關霍爾效應傳感器功能的比較摘要，請參閱表 1-1。

有關在流量計應用中使用霍爾效應傳感器的更多詳細信息和指南，請參閱表 1-2 和
表 1-3。