徐國(guó)萍

(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西省太原市,030053)

礦用本質(zhì)安全型水位冗余測(cè)量傳感器的研究與設(shè)計(jì)

徐國(guó)萍

(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西省太原市,030053)

針對(duì)傳統(tǒng)投入式水位傳感器在惡劣測(cè)量環(huán)境時(shí)容易出現(xiàn)污泥堵塞和進(jìn)水故障等現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一種礦用本質(zhì)安全型水位冗余測(cè)量傳感器,介紹了該傳感器采用壓差信號(hào)和電容信號(hào)兩種測(cè)量方式的雙重功能一體化結(jié)構(gòu),闡述了該傳感器信號(hào)處理的電路組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器適用于對(duì)水位測(cè)量有嚴(yán)格要求的各種重要場(chǎng)合,具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

水位測(cè)量 壓差信號(hào) 電容信號(hào) 傳感器

1 引言

目前測(cè)量水位的傳感器種類很多,主要包括超聲波式、浮力式以及投入式等水位傳感器。超聲波式液位測(cè)量法是通過(guò)探測(cè)自身發(fā)出的超聲波被液面反射后的信號(hào)來(lái)計(jì)算液面位置。超聲波受傳輸媒介的氣體成分和容器幾何結(jié)構(gòu)特性影響較大,不適用于有氣泡或懸浮物的介質(zhì),而且容易受電磁波干擾,又受到安裝條件和環(huán)境限制,價(jià)格也相對(duì)較貴。浮力式液位測(cè)量法不適合粘度較大的液體,粘度較大會(huì)使摩擦增大,嚴(yán)重時(shí)可能使浮子卡死而造成指示錯(cuò)誤。而投入式水位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、量程范圍大、安裝方便以及價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn),因此在煤礦井下水位測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。投入式液位傳感器實(shí)質(zhì)是一種測(cè)量液位的壓差傳感器,必須在傳感器投入頭部設(shè)有導(dǎo)流孔來(lái)感受壓差,由于礦井巷道積水水質(zhì)較差,底部沉積有大量淤泥或其它污物,很容易堵塞傳感器頭部的導(dǎo)流孔,從而造成測(cè)量失效,另外傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后密封性能下降,出現(xiàn)傳感器內(nèi)部進(jìn)水現(xiàn)象,輕則造成測(cè)量失效,重則造成變送器及智能表的損壞。

為了解決現(xiàn)有投入式水位傳感器存在的弊端,本文提出了一種將傳感器設(shè)計(jì)成壓差信號(hào)和電容信號(hào)兩種測(cè)量方式的雙重功能一體化結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置的技術(shù)方案,整套裝置由傳感器探頭和信號(hào)處理電路兩部分組成,適用于對(duì)水位測(cè)量和控制有嚴(yán)格要求的各種重要場(chǎng)合,具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感器采用壓差信號(hào)和電容信號(hào)兩種測(cè)量方式的雙重功能一體化結(jié)構(gòu),傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖

(1)傳感器殼體上部、殼體下部和空心絲堵均為圓柱形,采用不銹鋼材質(zhì),相互之間采用螺紋方式連接構(gòu)成傳感器的投入探頭,探頭兼具配重功能,重量為0.5 kg,保證一體化傳感器能沉入儲(chǔ)水池底部。

(2)封裝于探頭內(nèi)的壓敏器件選用擴(kuò)散硅壓力膜片,具有4個(gè)輸出管腳與變送器相連。

(3)電纜選用專用帶有導(dǎo)氣管的六芯屏蔽電纜,這種電纜最外層為聚氯乙烯護(hù)套層,第二層為金屬屏蔽層,第三層為聚四氟乙烯絕緣層,最里邊為六芯導(dǎo)線和導(dǎo)氣管,電纜中的四芯導(dǎo)線與壓敏器件變送電路的4個(gè)輸出管腳焊接,組成壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的傳感部分,電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的傳感部分使用電纜剩余的兩芯導(dǎo)線,其中一芯與電纜的金屬屏蔽層焊接,然后用密封膠將屏蔽層的裸露部分與外界隔離,以防傳感器內(nèi)部進(jìn)水后屏蔽層與水接觸。另外一芯用螺絲與殼體上部連接,從而構(gòu)成一個(gè)可變電容,即可變電容的一個(gè)極為電纜的金屬屏蔽層,另外一個(gè)極為通過(guò)殼體接觸的水,兩個(gè)極之間的絕緣介質(zhì)為電纜最外邊的護(hù)套層,水位變化時(shí)水與電纜最外邊的護(hù)套層接觸面積發(fā)生改變,從而引起可變電容的電容值變化,球形密封圈、上環(huán)形密封圈和下環(huán)形密封圈均選用橡膠密封圈,保證殼體上部、殼體下部、空心絲堵、壓敏器件、電纜、球形密封圈、上環(huán)形密封圈和下環(huán)形密封圈組裝擰緊后,使殼體上部的空腔形成密閉體,防止水在壓力的作用下滲入殼體上部空腔內(nèi)部,電纜所帶的導(dǎo)氣管將殼體上部空腔與大氣連通,以保證壓敏元件承受壓差。

3 電容信號(hào)水位測(cè)量原理

本文中電容信號(hào)水位測(cè)量是根據(jù)電容變化與水位高度成比例的關(guān)系,利用同軸電纜作為電容敏感元件將水位高度轉(zhuǎn)化為電容值。同軸電纜是由軸心重合的芯線和金屬屏蔽網(wǎng)筒兩根導(dǎo)體構(gòu)成,芯線與屏蔽網(wǎng)圓筒之間為發(fā)泡聚四氟乙烯介質(zhì),屏蔽網(wǎng)外是聚氯乙烯護(hù)套層。電容液位測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2 電容液位測(cè)量原理圖

由圖2可見(jiàn),同軸電纜可看做是一個(gè)柱形電容器,設(shè)芯線的直徑為d,屏蔽網(wǎng)圓筒的直徑為D0,電纜長(zhǎng)度為H,發(fā)泡聚四氟乙烯的介電常數(shù)為ε,根據(jù)柱形電容器的電容公式可得同軸電纜本身的固有電容C0為:

式中:ε——發(fā)泡聚四氟乙烯介電常數(shù),F/m;

H——電纜長(zhǎng)度,m;

D0——屏蔽網(wǎng)圓筒直徑,m;

d——芯線直徑,m。

當(dāng)同軸電纜浸入導(dǎo)電液體時(shí),形成兩個(gè)柱形電容器的并聯(lián),一個(gè)電容器是同軸電纜的固有電容器,芯線與屏蔽網(wǎng)作為其兩極,其間的發(fā)泡聚四氟乙烯為電介質(zhì);另一個(gè)電容器是同軸電纜的屏蔽層作為一個(gè)極板,導(dǎo)電的液體作為另外一個(gè)極板,同軸電纜外聚氯乙烯護(hù)套層作為電容器兩極板間的電介質(zhì)。這里水與同軸電纜的芯線相連接,因此這兩個(gè)柱形電容器具有共同電極,一個(gè)是屏蔽層,一個(gè)是芯線(導(dǎo)電液體),這兩個(gè)電容器形成了并聯(lián)關(guān)系,假設(shè)聚氯乙烯護(hù)套層的介電常數(shù)和發(fā)泡聚四氟乙烯的介電常數(shù)相同(均為ε),電纜外聚氯乙烯護(hù)套層的直徑(即緊貼電纜外的導(dǎo)電液體層的直徑)為D,液位的高度為h,則浸入導(dǎo)電液體的同軸電纜的等效電容C為:

式中:ε——聚氯乙烯護(hù)套層介電常數(shù),F/m;

h——液位高度,m;

D——導(dǎo)電液體層直徑,m;

d——芯線直徑,m。

由式(2)可知,浸入導(dǎo)電液體的同軸電纜的等效電容與液位h成線性關(guān)系,這樣通過(guò)測(cè)量浸入導(dǎo)電液體的同軸電纜電容值,經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后就可轉(zhuǎn)化為液位的高度。

4 壓差信號(hào)液位測(cè)量原理

壓差信號(hào)液位測(cè)量裝置的核心為壓敏器件,它是利用單晶硅壓阻效應(yīng)制成的擴(kuò)散硅壓力膜片,在擴(kuò)散硅彈性膜片上集成有4個(gè)等值應(yīng)變電阻器,由這4個(gè)電阻組成了惠斯通電橋。將壓力敏感元件和變送器封裝在傳感器的探頭殼體內(nèi),防水導(dǎo)氣電纜的導(dǎo)氣管與探頭的空腔體相聯(lián)通,壓力敏感元件與變送器連接,變送器與導(dǎo)氣電纜的導(dǎo)線連接。測(cè)量時(shí)將傳感器探頭投入到蓄水池底部,水流通過(guò)導(dǎo)流孔與壓力敏感元件接觸,水位靜壓與大氣的壓差直接作用在壓敏元件所帶的彈性膜片上,使得彈性膜片受力變形,從而引起應(yīng)變電阻器電阻值發(fā)生變化,惠斯通電橋輸出信號(hào),并將壓差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。彈性膜片的變形程度與其所受的壓差成正比關(guān)系,當(dāng)液位傳感器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí),傳感器探頭底部受到的液體壓力P為:

式中:P——傳感器探頭底部所受壓力,Pa;

ρ——被測(cè)液體密度,kg/m3;

g——測(cè)量地重力加速度,N/kg;

h——傳感器投入液體的深度,m;

P0——液面上大氣壓,Pa。

由式(3)可知,作用在壓敏器件上的被測(cè)液體靜壓和大氣的壓差與該液體的高度成比例。由于防水導(dǎo)氣電纜將液面上的大氣壓P0與傳感器的背壓腔(探頭空腔體)良好相連,抵消了傳感器背壓P0,使傳感器測(cè)得壓力ρgh不受外界大氣壓影響,所以,通過(guò)測(cè)量壓力P即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位深度h的精確測(cè)量和控制。

5 傳感器信號(hào)處理電路組成

傳感器信號(hào)處理電路用于將傳感器探頭采集到的壓差信號(hào)和電容信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理,其電路框圖如圖3所示。

圖3 水位冗余測(cè)量傳感器電路框圖

壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)由壓敏器件將與液位高度成正比的壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成m V級(jí)模擬電信號(hào),再經(jīng)信號(hào)放大電路放大至V級(jí)模擬信號(hào),送至電壓頻率轉(zhuǎn)換電路1轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào),并通過(guò)光電隔離電路1送至單片機(jī);電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)由同軸電纜將液位的變化轉(zhuǎn)換為與之成正比的可變電容C的變化,并將可變電容值送入電容電壓轉(zhuǎn)化模塊,該模塊以電容電壓轉(zhuǎn)換芯片CAV444為核心,能夠?qū)﹄娙菪盘?hào)進(jìn)行采集和處理,并將可變電容值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出,電壓信號(hào)經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換電路2轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)后通過(guò)光電隔離電路2送至單片機(jī);單片機(jī)采用MSP430F169作為數(shù)據(jù)處理中心,對(duì)接收到的兩路信號(hào)完成內(nèi)部數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和分析判斷,并將水位高度實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上。

一體化傳感器測(cè)量水位時(shí),壓差信號(hào)方式組成的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度較高,同時(shí)故障率也較高。而電容信號(hào)方式組成的測(cè)量系統(tǒng)因受到環(huán)境條件變化的影響測(cè)量精度略低,但發(fā)生故障的概率也很低。正常情況下兩種信號(hào)同時(shí)采集,二者所反映的水位值基本相同,主要以壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)為準(zhǔn),電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)平時(shí)處于備用狀態(tài)。

一體化傳感器在出現(xiàn)淤泥堵塞導(dǎo)流孔、內(nèi)部進(jìn)水、壓敏器件及其它電路損壞等故障狀態(tài)下,會(huì)造成壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)信號(hào)、突然增大或減小、與電容信號(hào)水位測(cè)量值差值大于100 mm等信號(hào)異常,單片機(jī)根據(jù)壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)異常判斷出壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)故障,并控制壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)退出測(cè)量狀態(tài),同時(shí)控制處于備用狀態(tài)的電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài),此時(shí)水位冗余測(cè)量傳感器仍能夠繼續(xù)工作,正常顯示水位并正常控制水泵開(kāi)啟和停止。單片機(jī)同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),提醒工作人員測(cè)量裝置處于過(guò)渡期,測(cè)量精度不太理想,注意在恰當(dāng)?shù)臋z修時(shí)間對(duì)一體化傳感器壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行維修。同樣當(dāng)電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)信號(hào)異常時(shí),提示備用系統(tǒng)出現(xiàn)故障并發(fā)出報(bào)警信號(hào),系統(tǒng)仍能顯示水位并能繼續(xù)工作。

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

6.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室選擇一根儲(chǔ)水管,在其上以1 mm為最小刻度值標(biāo)注1 m的長(zhǎng)度,將一體化傳感器沉入儲(chǔ)水管底部,傳感器底部朝下保持直立,電纜拉直固定。首先對(duì)傳感器調(diào)零校準(zhǔn),讓儲(chǔ)水管進(jìn)入少量水淹沒(méi)一體化傳感器頭部,通電后設(shè)定此時(shí)壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的光電隔離電路1輸出的脈沖頻率為200 Hz,由單片機(jī)采集并存入單片機(jī),同時(shí)設(shè)定電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的光電隔離電路2輸出的脈沖頻率為200 Hz,由單片機(jī)采集并存入單片機(jī),作為兩路測(cè)量系統(tǒng)零水位的起始值。向儲(chǔ)水管注水至1 m刻度處,設(shè)定光電隔離電路1輸出的脈沖頻率為1000 Hz,由單片機(jī)采集并存入單片機(jī),同時(shí)設(shè)定光電隔離電路2輸出的脈沖頻率為1000 Hz,由單片機(jī)采集并存入單片機(jī)。作為兩路測(cè)量系統(tǒng)滿水位值,可知對(duì)應(yīng)輸出頻率與水位測(cè)量值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為:

式中:h——測(cè)量水位值,cm;

f——輸出頻率,Hz。

校驗(yàn)過(guò)程結(jié)束后將儲(chǔ)水管中的水倒出,從0 mm開(kāi)始逐漸升高儲(chǔ)水管水位。當(dāng)水位上升時(shí),儲(chǔ)水管底部水的壓強(qiáng)在增加,并通過(guò)一體化傳感器殼體下部的導(dǎo)流孔接觸到壓敏器件,壓敏器件受壓變形使得輸出信號(hào)在不斷變化,光電隔離電路1輸出的脈沖頻率在增加,輸出脈沖的頻率每增加10 Hz,單片機(jī)控制顯示單元顯示的水位值增加6.25 mm。隨著水位的上升,可變電容兩極的相對(duì)面積在增加,實(shí)驗(yàn)證明隨著水位的變化,可變電容的電容值成正比例關(guān)系變化并且近似線性。光電隔離電路2輸出的脈沖頻率也在增加,輸出脈沖的頻率每增加10 Hz,單片機(jī)儲(chǔ)存的電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)水位值也增加6.25 mm,此時(shí)電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的水位值只儲(chǔ)存不顯示,電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)處于備用狀態(tài),當(dāng)前冗余測(cè)量裝置顯示的水位值來(lái)自壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。

水位下降時(shí)測(cè)量過(guò)程與之相反,此時(shí)水位值減小,同樣只顯示來(lái)自壓差信號(hào)測(cè)量的值。用堵頭將傳感器探頭導(dǎo)流孔堵死后再進(jìn)行測(cè)量,此時(shí)單片機(jī)報(bào)警并顯示來(lái)自電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的水位值。

6.2 實(shí)驗(yàn)分析

分析兩種方式下所測(cè)水位值與實(shí)際水位值的對(duì)比曲線,其中曲線1為實(shí)際水位值(傳感器實(shí)際浸入水中的長(zhǎng)度值構(gòu)成的曲線)曲線,曲線2為傳感器處于正常狀態(tài)時(shí)顯示的來(lái)自壓差信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的水位值曲線,曲線3為傳感器處于備用狀態(tài)下(在人為將傳感器探頭導(dǎo)流孔堵死后)顯示的來(lái)自電容信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的水位值構(gòu)成的曲線。實(shí)驗(yàn)測(cè)量水位曲線對(duì)比如圖4所示,其中5～20 cm水位曲線對(duì)比放大圖如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量水位曲線對(duì)比

圖5 5～20 cm水位曲線對(duì)比放大圖

由圖4和圖5曲線對(duì)比可知,兩種方式下所測(cè)水位值與實(shí)際水位值基本吻合,壓差式測(cè)量水位值的精度比電容式測(cè)量水位值的精度略高。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水位冗余測(cè)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低、安裝和操作方便快捷、穩(wěn)定性好以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可以以兩種測(cè)量方式測(cè)量同一水位,兩種測(cè)量方式是冗余關(guān)系,當(dāng)其中一種測(cè)量方式出現(xiàn)故障后,裝置會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入另一種測(cè)量方式,不影響測(cè)量裝置正常工作,適用于復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境,可應(yīng)用于煤礦井下對(duì)水倉(cāng)水位等液位深度的測(cè)量。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Research and design of intrinsically safe mining water level redundant measurement sensor

Xu Guoping
(Xishan Coal Electricity Group Co．,Ltd．,Shanxi Coking Coal Group Co．,Ltd．,Taiyaun,Shanxi 030024,China)

In view of sludge blocking and water inflow malfunction for the traditional inputtype water level sensor when being used in severe environment,an intrinsically safe mining water level redundant measurement sensor was designed．The sensor possesses dual functional integrated structure,which can achieve the measurement by pressure difference signals and capacitance signals．Its circuit structure of signal processing was expounded．The measurement results showed that the sensor is suitable for various important occasions which have strict requirements for water level measurement．It has the advantages of high reliability,compact structure,and convenient installation．

water level measurement,pressure difference signal,capacitance signal,sensor

TD745.21

A

徐國(guó)萍(1965－),女,山西太原人,高級(jí)工程師,主要從事科技信息管理工作。