張 佩， 張 帆

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047100）

引言

乳化液是煤礦一體化的重要工作介質(zhì)，不僅起動力傳遞作用，而且對系統(tǒng)元部件起著潤滑、冷卻、防腐、防銹功能，是煤炭綜采工作面上必不可少的工作介質(zhì)之一，乳化液的濃度直接影響著井下工作面的生產(chǎn)效率和安全性。經(jīng)研究表明，乳化液濃度過高或者高地均會對煤礦一體化設(shè)備造成影響。其中，乳化液濃度太低會導(dǎo)致煤礦一體化設(shè)備出現(xiàn)元器件被腐蝕的現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而降低了工作面的生產(chǎn)效率；而乳化液濃度太高會提升生產(chǎn)成本，不利于降低煤炭生產(chǎn)的利潤空間。目前，我國煤礦液壓支架的液壓系統(tǒng)采用水包油型乳化液。為了保證煤礦一體化設(shè)備之間的完美配合，需保證乳化液濃度在規(guī)定范圍內(nèi)，因此，實現(xiàn)對乳化液濃度實時、快速的監(jiān)測十分重要。

1 傳感器與上位機(jī)的通信

在綜采工作面中需要通過上位機(jī)讀取乳化液濃度傳感器采集的乳化液濃度值。因此，在實驗室標(biāo)定乳化液濃度傳感器也需保證傳感器與上位機(jī)的正常通信。首先，通過USB轉(zhuǎn)485的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)上位機(jī)與傳感器的連接，而后基于傳感器的參數(shù)完成對上位機(jī)的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)而實現(xiàn)上位機(jī)與傳感器的正常通信。然后，配置不同濃度的乳化液，明確傳感器內(nèi)部寄存器 40001、40419、40420以及 40421的值，即完成傳感器的標(biāo)定[1]。

1.1 上位機(jī)參數(shù)設(shè)置

為了保證GND15型乳化液濃度傳感器能夠與上位機(jī)進(jìn)行通訊，需保證傳感器的參數(shù)設(shè)置值與上位機(jī)的參數(shù)設(shè)置值相同。根據(jù)該傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，上位機(jī)各項參數(shù)的設(shè)置值為：上位機(jī)的通訊協(xié)議選擇ModBus RTU通信協(xié)議；上位機(jī)的最小采樣周期設(shè)置為2.5 s；上位機(jī)的通訊接口為RS485接口；上位機(jī)通信設(shè)備地址設(shè)置為出廠03；。經(jīng)過一系列的設(shè)置后，上位機(jī)設(shè)置結(jié)果如圖1所示。

圖1 上位機(jī)的參數(shù)設(shè)置結(jié)果

1.2 乳化液濃度傳感器與上位機(jī)的電氣連接

由于GND15型乳化液濃度傳感器將測的結(jié)果是通過485信號輸出的。因此需要一款USB轉(zhuǎn)485的設(shè)備實現(xiàn)上位機(jī)與傳感器的順利通信。根據(jù)傳感器電纜圖，將需要標(biāo)定的傳感器與上位機(jī)連接起來，即完成了上位機(jī)和傳感器的電氣連接。

GND15型乳化液濃度傳感器與USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器的接線圖如圖2所示。

圖2 傳感器與RS485轉(zhuǎn)接口接線圖

為了保證傳感器可以穩(wěn)定工作，根據(jù)傳感器工作的額定電壓為直流12 V。在本次試驗中采用高精度儀表電壓為傳感器的正常工作供電[2-3]。

2 傳感器標(biāo)定方法

傳感器的標(biāo)定指的是通過對已知濃度的被測液體測量，進(jìn)而可以得到傳感器寄存器讀數(shù)與濃度值之間的關(guān)系。本次標(biāo)定需要對兩種樣品進(jìn)行測試：一個為零點標(biāo)定，即研究對象為純水；另一個為樣品標(biāo)定，即研究對象為一定濃度的乳化液。

本次試驗乳化液濃度傳感器具體標(biāo)定步驟為：

1）首先，根據(jù)上述2所述的步驟實現(xiàn)傳感器與上位機(jī)的連接和上位機(jī)各參數(shù)的設(shè)置。

2）其次，準(zhǔn)備被測試的樣品，本次標(biāo)定需完成對純水和兩種不同濃度乳化液的標(biāo)定。其中，兩種乳化液的濃度分別為2.940 86%和3.908 74%，并將這三種被測對象的濃度值分別記錄于寄存器23、25和27中。

3）為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，將傳感器置于被測液體中，待寄存器4009讀數(shù)穩(wěn)定后，將其記錄下來，對任何一種被測樣品均讀取20組數(shù)據(jù)。分別將不同被測對象所得的值處理后記錄于寄存器19、20和21中。

4）另外配制不同于之前濃度的乳化液，通過讀取寄存器40001中值驗證上述標(biāo)定的結(jié)果是否準(zhǔn)確，并計算誤差值。

將上述步驟重復(fù)幾次后，最終得到較為精確的傳感器的標(biāo)定值[4]。

2.1 標(biāo)定結(jié)果分析

將不同濃度的乳化液中寄存器40009中數(shù)據(jù)的讀取如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)表

將表1中不同被測樣品的測試值進(jìn)行處理后，得到不同樣品下寄存器09中的平均值，并將計算得到的平均值記錄于寄存器19、20和21中，記錄結(jié)果如圖3所示。

2.2 標(biāo)定信號值的驗證

完成上述純水和兩種不同濃度乳化液的標(biāo)定后，即得到了不同濃度乳化液濃度的信號值。本次試驗中，再配制兩種不同濃度的乳化液，濃度分別為5%和6%。而在實際配比過程中，由于乳化油稱量時的誤差，導(dǎo)致最終被測樣品的濃度為4.933 7%和6.352 85%。將傳感器置于另外配制好的兩種不同濃度的乳化液中，在上位機(jī)讀取傳感器40001中的值，即為乳化液濃度測量值。分別讀取不同乳化液的十組濃度值，并記錄如表2所示[5]。

圖3 2.94086%乳化液和3.90874%乳化液的信號值

表2 乳化液濃度實際測量值 %

2.3 誤差計算

通過計算可知，新配制兩種濃度乳化液的測量值的相對誤差為1.34%和1.13%。

3 結(jié)語

乳化液作為煤炭綜采工作面的主要工作介質(zhì)，也是實現(xiàn)煤礦機(jī)電一體化的重要介質(zhì)。在實際工作界面，乳化液的濃度是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，直接決定煤礦生產(chǎn)的效率和安全性。因此，在煤炭綜采工作面需時刻監(jiān)視乳化液的濃度值。通過折光法實現(xiàn)了對GND15型乳化液濃度傳感器的標(biāo)定，并對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了驗證，其誤差范圍控制1.3%以內(nèi)，為標(biāo)定乳化液提供了一種重要方法。