天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 蔣軍庭

1.引言

隨著煤礦安全生產(chǎn)以及減員增效理念的進(jìn)一步發(fā)展，對礦井自動(dòng)化的要求越來越高，其中井下用水的自動(dòng)檢測系統(tǒng)就是其中的一項(xiàng)重要組成部分，而系統(tǒng)的可靠性就需要靠各種傳感器來保證。

礦用流量傳感器主要是通過電磁、機(jī)械、壓力等方式檢測管道內(nèi)液體流量大小的一種傳感器，根據(jù)檢測方式不同可以分為電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、容積流量計(jì)、差壓式流量計(jì)等等，被大量應(yīng)用于各行各業(yè)中。但是在判斷低流量以及低流速方面一直沒有相應(yīng)的有效手段，以上的各種流量計(jì)都是基于一定的流量流速來檢測的，但是對于流速流量較低或者液體靜止的情況，測試結(jié)果不準(zhǔn)確；因此研究一款能用于煤礦井下測試低流速低流量的管道液位傳感器就顯得尤為重要。

圖1 電解原理圖

本文主要研究目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種內(nèi)部無運(yùn)動(dòng)固件、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、安全可靠、防護(hù)等級高，且可根據(jù)不同介電常數(shù)的液體相應(yīng)調(diào)節(jié)檢測靈敏度的礦用管道液位傳感器，以提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

2.電極式傳感器原理

2.1 電極式液位傳感器傳感原理

電解是在電解槽中，直流電通過電極和電解質(zhì)，在兩者接觸的界面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的過程。電解質(zhì)中的離子常處于無秩序的運(yùn)動(dòng)中，通直流電后，離子作定向運(yùn)動(dòng)（圖1）。陽離子向陰極移動(dòng)，在陰極得到電子，被還原；陰離子向陽極移動(dòng)，在陽極失去電子，被氧化。

井下用水大都為地下水，含有較多的鉀、鈉、鎂等金屬離子，是良好的導(dǎo)電介質(zhì)。

2.2 液位傳感器工作原理

如圖2，用導(dǎo)電材料制作兩個(gè)電極1a和1b作為探頭元件，將管道的液體與兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)電池模型，當(dāng)有液體流過時(shí)，主控電路收集到信號，通過信號放大電路2-1傳入到單片機(jī)2-2中，單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，將結(jié)果輸出到信號報(bào)警電路中2-4，由報(bào)警指示燈3-2指示（電源指示燈3-1在傳感器接通電源后恒亮）；針對于不同的流速和流量的液體，在傳感器調(diào)試時(shí)可根據(jù)實(shí)際狀況適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電位器，改變運(yùn)算放大器正向輸入端的電位（靈敏調(diào)節(jié)電路2-2），并輸入到單片機(jī)中作為比較控制條件。

3.電極式流量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)傳感器外殼材質(zhì)采用304L不銹鋼，有良好的抗壓及抗腐蝕性能；陰極和陽極的電極采用316L不銹鋼制作，有較高的耐磨及抗腐蝕性；其結(jié)構(gòu)如圖3，傳感器兩側(cè)直接與管道連接，內(nèi)部無任何結(jié)構(gòu)件或者運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件，管道內(nèi)液體可直接流通，可靠性大大增加。

4.電極的腐蝕性研究

電極采用的是316L不銹鋼，不銹鋼不銹是因?yàn)樵诓讳P鋼中含有鉻，鉻會與空氣發(fā)生鈍化反應(yīng)形成鈍化膜，從而保護(hù)基體不受腐蝕。鈍化膜由內(nèi)外兩層，即內(nèi)層，表層或者。

電極在工作的過程中根據(jù)其條件的不同，在陽極和陰極都會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。

陽極在電解失去電子的同時(shí)，也會加大不銹鋼中鉻的鈍化反應(yīng)形成鈍化膜，其反應(yīng)式如下：

圖2 液位傳感器原理框圖

圖3 流量傳感器的剖面結(jié)構(gòu)圖

陰極在發(fā)生還原反應(yīng)的過程中，會有Cr離子還原成鉻的氧化物或者氫氧化物沉積膜，其反應(yīng)式如下：

電極工作時(shí)所通的電壓為5V，相對來說是一個(gè)比較高的電位，此時(shí)陽極主要是鉻發(fā)生鈍化溶解，而Fe則處于鈍態(tài)，其耐腐蝕性能得到保證。但是由于傳感器工作環(huán)境的不同，如沒有水、供電電壓波動(dòng)比較大、水渾濁等等狀態(tài)，電解的過程會很復(fù)雜，這可能會造成鉻鈍化膜有點(diǎn)蝕的情形發(fā)生（即Fe發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)），從而慢慢將電極腐蝕，當(dāng)然這也是一個(gè)比較漫長的過程。為了提高傳感器的使用壽命，工藝上在不影響導(dǎo)電性能的同時(shí)，在電極外部再鍍上一層硬鉻，使其基體能夠得到更好的保護(hù)，經(jīng)過長時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證，其腐蝕程度及導(dǎo)電性能均能滿足使用條件。

5.結(jié)語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場的測試，該電極式液位傳感器外觀精美、安裝方便、性能穩(wěn)定、操作簡單等特點(diǎn)，能進(jìn)行有效的檢測，提高了檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，可用于礦井水泵控制、缺水保護(hù)、瓦斯抽放等應(yīng)用系統(tǒng)中，在環(huán)保、節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格的大環(huán)境下，礦井水處理抬上了一個(gè)新的臺階，因而該液位傳感器具有較好的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)在北徐樓煤礦、神華靈新煤礦、木城澗煤礦等礦上使用。

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