礦用本質安全型水位冗余測量傳感器的研究與設計

徐國萍

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司,山西省太原市,030053)

礦用本質安全型水位冗余測量傳感器的研究與設計

徐國萍

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司,山西省太原市,030053)

針對傳統投入式水位傳感器在惡劣測量環境時容易出現污泥堵塞和進水故障等現象,設計了一種礦用本質安全型水位冗余測量傳感器,介紹了該傳感器采用壓差信號和電容信號兩種測量方式的雙重功能一體化結構,闡述了該傳感器信號處理的電路組成。實驗結果表明,該傳感器適用于對水位測量有嚴格要求的各種重要場合,具有可靠性高、結構緊湊和安裝方便等優點。

水位測量 壓差信號 電容信號 傳感器

1 引言

目前測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。超聲波式液位測量法是通過探測自身發出的超聲波被液面反射后的信號來計算液面位置。超聲波受傳輸媒介的氣體成分和容器幾何結構特性影響較大,不適用于有氣泡或懸浮物的介質,而且容易受電磁波干擾,又受到安裝條件和環境限制,價格也相對較貴。浮力式液位測量法不適合粘度較大的液體,粘度較大會使摩擦增大,嚴重時可能使浮子卡死而造成指示錯誤。而投入式水位傳感器具有結構簡單、測量精度高、量程范圍大、安裝方便以及價格相對便宜等優點,因此在煤礦井下水位測量中得到廣泛應用。投入式液位傳感器實質是一種測量液位的壓差傳感器,必須在傳感器投入頭部設有導流孔來感受壓差,由于礦井巷道積水水質較差,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流孔,從而造成測量失效,另外傳感器經過長時間使用后密封性能下降,出現傳感器內部進水現象,輕則造成測量失效,重則造成變送器及智能表的損壞。

為了解決現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計成壓差信號和電容信號兩種測量方式的雙重功能一體化結構的測量裝置的技術方案,整套裝置由傳感器探頭和信號處理電路兩部分組成,適用于對水位測量和控制有嚴格要求的各種重要場合,具有可靠性高、結構緊湊和安裝方便等優點。

2 傳感器探頭結構設計

本文設計的傳感器采用壓差信號和電容信號兩種測量方式的雙重功能一體化結構,傳感器探頭結構示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器探頭結構示意圖

(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,相互之間采用螺紋方式連接構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水池底部。

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

(3)電纜選用專用帶有導氣管的六芯屏蔽電纜,這種電纜最外層為聚氯乙烯護套層,第二層為金屬屏蔽層,第三層為聚四氟乙烯絕緣層,最里邊為六芯導線和導氣管,電纜中的四芯導線與壓敏器件變送電路的4個輸出管腳焊接,組成壓差信號測量系統的傳感部分,電容信號測量系統的傳感部分使用電纜剩余的兩芯導線,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,以防傳感器內部進水后屏蔽層與水接觸。另外一芯用螺絲與殼體上部連接,從而構成一個可變電容,即可變電容的一個極為電纜的金屬屏蔽層,另外一個極為通過殼體接觸的水,兩個極之間的絕緣介質為電纜最外邊的護套層,水位變化時水與電纜最外邊的護套層接觸面積發生改變,從而引起可變電容的電容值變化,球形密封圈、上環形密封圈和下環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、上環形密封圈和下環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部,電纜所帶的導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 電容信號水位測量原理

本文中電容信號水位測量是根據電容變化與水位高度成比例的關系,利用同軸電纜作為電容敏感元件將水位高度轉化為電容值。同軸電纜是由軸心重合的芯線和金屬屏蔽網筒兩根導體構成,芯線與屏蔽網圓筒之間為發泡聚四氟乙烯介質,屏蔽網外是聚氯乙烯護套層。電容液位測量原理圖如圖2所示。

圖2 電容液位測量原理圖

由圖2可見,同軸電纜可看做是一個柱形電容器,設芯線的直徑為d,屏蔽網圓筒的直徑為D0,電纜長度為H,發泡聚四氟乙烯的介電常數為ε,根據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——發泡聚四氟乙烯介電常數,F/m;

H——電纜長度,m;

D0——屏蔽網圓筒直徑,m;

d——芯線直徑,m。

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

式中:ε——聚氯乙烯護套層介電常數,F/m;

h——液位高度,m;

D——導電液體層直徑,m;

d——芯線直徑,m。

由式(2)可知,浸入導電液體的同軸電纜的等效電容與液位h成線性關系,這樣通過測量浸入導電液體的同軸電纜電容值,經過信號處理后就可轉化為液位的高度。

4 壓差信號液位測量原理

壓差信號液位測量裝置的核心為壓敏器件,它是利用單晶硅壓阻效應制成的擴散硅壓力膜片,在擴散硅彈性膜片上集成有4個等值應變電阻器,由這4個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,防水導氣電纜的導氣管與探頭的空腔體相聯通,壓力敏感元件與變送器連接,變送器與導氣電纜的導線連接。測量時將傳感器探頭投入到蓄水池底部,水流通過導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,從而引起應變電阻器電阻值發生變化,惠斯通電橋輸出信號,并將壓差轉換為電信號。彈性膜片的變形程度與其所受的壓差成正比關系,當液位傳感器投入到被測液體中某一深度時,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——被測液體密度,kg/m3;

g——測量地重力加速度,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,使傳感器測得壓力ρgh不受外界大氣壓影響,所以,通過測量壓力P即可實現對液位深度h的精確測量和控制。

5 傳感器信號處理電路組成

傳感器信號處理電路用于將傳感器探頭采集到的壓差信號和電容信號進行轉換并傳送至單片機進行處理,其電路框圖如圖3所示。

圖3 水位冗余測量傳感器電路框圖

壓差信號測量系統由壓敏器件將與液位高度成正比的壓差信號轉換成m V級模擬電信號,再經信號放大電路放大至V級模擬信號,送至電壓頻率轉換電路1轉換成頻率信號,并通過光電隔離電路1送至單片機;電容信號測量系統由同軸電纜將液位的變化轉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化模塊,該模塊以電容電壓轉換芯片CAV444為核心,能夠對電容信號進行采集和處理,并將可變電容值轉換成電壓信號輸出,電壓信號經電壓頻率轉換電路2轉換成頻率信號后通過光電隔離電路2送至單片機;單片機采用MSP430F169作為數據處理中心,對接收到的兩路信號完成內部數據運算處理和分析判斷,并將水位高度實時顯示在LCD屏幕上。

一體化傳感器測量水位時,壓差信號方式組成的測量系統測量精度較高,同時故障率也較高。而電容信號方式組成的測量系統因受到環境條件變化的影響測量精度略低,但發生故障的概率也很低。正常情況下兩種信號同時采集,二者所反映的水位值基本相同,主要以壓差信號測量系統為準,電容信號測量系統平時處于備用狀態。

一體化傳感器在出現淤泥堵塞導流孔、內部進水、壓敏器件及其它電路損壞等故障狀態下,會造成壓差信號測量系統無信號、突然增大或減小、與電容信號水位測量值差值大于100 mm等信號異常,單片機根據壓差信號測量系統信號異常判斷出壓差信號測量系統出現故障,并控制壓差信號測量系統退出測量狀態,同時控制處于備用狀態的電容信號測量系統進入測量狀態,此時水位冗余測量傳感器仍能夠繼續工作,正常顯示水位并正常控制水泵開啟和停止。單片機同時發出報警信號,提醒工作人員測量裝置處于過渡期,測量精度不太理想,注意在恰當的檢修時間對一體化傳感器壓差信號測量系統進行維修。同樣當電容信號測量系統出現信號異常時,提示備用系統出現故障并發出報警信號,系統仍能顯示水位并能繼續工作。

6 實驗測試及分析

6.1 實驗測試

在實驗室選擇一根儲水管,在其上以1 mm為最小刻度值標注1 m的長度,將一體化傳感器沉入儲水管底部,傳感器底部朝下保持直立,電纜拉直固定。首先對傳感器調零校準,讓儲水管進入少量水淹沒一體化傳感器頭部,通電后設定此時壓差信號測量系統的光電隔離電路1輸出的脈沖頻率為200 Hz,由單片機采集并存入單片機,同時設定電容信號測量系統的光電隔離電路2輸出的脈沖頻率為200 Hz,由單片機采集并存入單片機,作為兩路測量系統零水位的起始值。向儲水管注水至1 m刻度處,設定光電隔離電路1輸出的脈沖頻率為1000 Hz,由單片機采集并存入單片機,同時設定光電隔離電路2輸出的脈沖頻率為1000 Hz,由單片機采集并存入單片機。作為兩路測量系統滿水位值,可知對應輸出頻率與水位測量值之間的數學關系為:

式中:h——測量水位值,cm;

f——輸出頻率,Hz。

校驗過程結束后將儲水管中的水倒出,從0 mm開始逐漸升高儲水管水位。當水位上升時,儲水管底部水的壓強在增加,并通過一體化傳感器殼體下部的導流孔接觸到壓敏器件,壓敏器件受壓變形使得輸出信號在不斷變化,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面積在增加,實驗證明隨著水位的變化,可變電容的電容值成正比例關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,單片機儲存的電容信號測量系統水位值也增加6.25 mm,此時電容信號測量系統的水位值只儲存不顯示,電容信號測量系統處于備用狀態,當前冗余測量裝置顯示的水位值來自壓差信號測量系統。

水位下降時測量過程與之相反,此時水位值減小,同樣只顯示來自壓差信號測量的值。用堵頭將傳感器探頭導流孔堵死后再進行測量,此時單片機報警并顯示來自電容信號測量系統的水位值。

6.2 實驗分析

分析兩種方式下所測水位值與實際水位值的對比曲線,其中曲線1為實際水位值(傳感器實際浸入水中的長度值構成的曲線)曲線,曲線2為傳感器處于正常狀態時顯示的來自壓差信號測量系統的水位值曲線,曲線3為傳感器處于備用狀態下(在人為將傳感器探頭導流孔堵死后)顯示的來自電容信號測量系統的水位值構成的曲線。實驗測量水位曲線對比如圖4所示,其中5～20 cm水位曲線對比放大圖如圖5所示。

圖4 實驗測量水位曲線對比

圖5 5～20 cm水位曲線對比放大圖

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

7 結語

本文設計的水位冗余測量傳感器具有結構簡單緊湊、成本低、安裝和操作方便快捷、穩定性好以及可靠性高等優點,同時可以以兩種測量方式測量同一水位,兩種測量方式是冗余關系,當其中一種測量方式出現故障后,裝置會自動轉入另一種測量方式,不影響測量裝置正常工作,適用于復雜的測量環境,可應用于煤礦井下對水倉水位等液位深度的測量。

[1] 趙遠鵬,靳寶全,程珩.基于變介質感測的液位傳感器研究[J].自動化與儀表,2012(7)

[2] 王桂花,王福成.凈化水池水位自動監測控制電路的設計[J].中國煤炭,2001(4)

[3] 郭鳳儀,李斌,馬文龍等.深水水位檢測用壓力傳感器補償方法研究[J].儀表技術與傳感器,2010 (6)

[4] 洪志剛,杜維玲,周玲等.超聲波外測液位檢測方法研究[J].電子測量與儀器學報,2007(4)

[5] 李剛,李巧真,張濤.浮力式明渠流量計的研究[J].儀器儀表學報,2002(3)

[6] 陳艷麗,李長青.一種礦用投入式水位傳感器的設計[J].煤礦機電,2008(6)

(責任編輯 路 強)

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

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