電場感應式料流傳感器設計

譚長森，　倪春明

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州　213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州　213015；

3.中煤科工集團上海有限公司 檢測技術研究中心， 上海　201401)

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電場感應式料流傳感器設計

譚長森1,2，倪春明3

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州213015；

3.中煤科工集團上海有限公司 檢測技術研究中心， 上海201401)

摘要：針對現有開關式和壓力式料流傳感器存在易磨損、可靠性差的問題，設計了一種電場感應式料流傳感器。該傳感器采用內置電場感應式智能芯片作為感應元件監測電場電參數，利用單片機采集和處理電場電參數，通過電參數變化經內部數據處理輸出膠帶有料、無料信號。現場實驗結果表明，該傳感器能夠準確檢測運動或者靜止的膠帶上有無物料，完全滿足現場實際應用的需求，具有非接觸檢測、無磨損、使用壽命長、信號穩定可靠的特點。

關鍵詞：帶式輸送機； 物料檢測； 料流傳感器； 電場感應； 信號處理

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1125.007.html

0引言

近幾年，中國的煤炭、水泥、電力等工業得到了迅猛發展，煤炭需求量非常大，煤礦普遍采用帶式輸送機擔當傳送重任。在帶式輸送機輸送煤炭、礦石等大宗散狀物料的場合，經常需要及時了解膠帶上物料所在的位置，從而根據物料位置情況來判斷是否需開啟前端膠帶，以達到節能減排、完善生產管理和及時控制的目的。

判斷料流位置的方法之一是給帶式輸送機加裝料流檢測裝置。目前，常用的料流檢測方法采用的傳感器有傾斜開關式料流傳感器和壓力式料流傳感器。

傾斜開關式料流傳感器：用一根吊桿吊在膠帶的上方，當膠帶上無物料時，吊桿自由下垂成豎直狀態，輸出無料信號；當膠帶上有物料時，吊桿被物料推成傾斜狀態，輸出有料信號。這種傳感器的優點是簡單且易實現；缺點是吊桿易被磨損導致使用壽命短，遇到顆粒較大的物料時吊桿易跳動，導致檢測可靠性差。

壓力式料流傳感器：是一只帶輪子的壓力檢測裝置，緊貼著膠帶安裝。膠帶上無物料時，壓力較小，輸出無料信號；膠帶上有物料時，壓力較大，輸出有料信號。這種傳感器的優點是簡單且易實現，雖然輪子和軸承存在磨損現象，但是比吊桿式耐磨損；缺點是隨著氣溫的變化，當膠帶硬度和張力發生變化時，會影響料流檢測效果。

基于以上2種傳感器的缺點，本文設計了一種電場感應式料流傳感器。該傳感器內置電磁感應式智能芯片，安裝在上膠帶下面，傳感器的檢測面不與膠帶接觸，根據檢測面上方膠帶上有、無物料，電場的電參數會發生變化，通過電參數變化經內部數據處理輸出有料、無料信號。該傳感器具有非接觸檢測、無磨損、使用壽命長、無需設置調試、信號自修正功能，輸出信號穩定可靠。

1電場感應原理及電場成像器件

1.1電場感應原理

電場感應的基本思想是利用電容的電場感應效應[1]，即通過電阻給電容的一個電極施加交流激勵，在金屬試片上建立均勻電場，不同的物體目標接入均勻電場后，由于目標的介電常數、物理狀態等的不同，電場會體現出不同的等效電容特性，周圍的電場也會發生改變。電場感應原理如圖1所示。

圖1　電場感應原理

信號發生器產生一個低頻正弦波，通過電阻R加載到激勵電極上，不同的介質靠近該電極時，電極周圍的電場強度會發生變化，表現為電極上的電壓隨電極與虛地構成的電容變化，電容變化導致A點對地電壓變化，對A點變化的電壓分量進行整流、濾波后送入信號采集電路，根據輸出信號，便知道是否有介質進入電場，并可將靠近該電極的介質分辨出來。

1.2電場成像器件

電場成像器件MC33794用于測量非接觸物體存在與否[2]。MC33794原理很簡單，器件自身可以產生低電平電場，所有功能都由內部芯片實現，物體在電場中移動時，就會造成電場負載。根據負載的不同可以判斷是否有物體和物體的種類；而且產生的波的頻率也可以通過電阻等進行設定，最理想的頻率應該為120 kHz。由于該波含有諧波成分，所以基本不會受諧波的干擾。

MC33794工作原理如圖2所示。MC33794發射一個低頻正弦波，用來驅動電極，當介質進入電場中導致電場的電極發生變化時，所對應的電容也會發生變化，且經測定，電壓和電容成反比，電壓增加,則電容下降。檢波器和低通濾波器都安裝在MC33794里面，只需要外加與之相匹配的電容即可。

圖2　MC33794工作原理

MC33794有如下特點：① 有基本的上電復位和看門狗監控，有自帶節點可以進行范圍很廣的測量，能夠調節外部電阻以產生正弦波。② 可以輸出+5 V電源到外部電源穩壓電路，最多有9個電極，可以用屏蔽的同軸電纜構成電極驅動器。③ 對外部處理器的要求很低，最低只需有8位AD轉換接口即可。

2料流傳感器硬件設計

電場感應式料流傳感器由基于MC33794的測量探頭、信號處理電路[3]和數據傳輸電路等部分組成。

2.1信號處理電路

MC33794與微處理器連接電路如圖3所示，設計中使用的微處理器是PIC18F2480單片機[4]，該單片機AD轉換接口為10位，電容分辨率為0.1 pF,可以分辨出有無物體從膠帶上方通過。

圖3　MC33794與微處理器連接電路

從圖3可以看出，MC33794使用很方便，只需外接少量電容即可工作，本設計用9根屏蔽同軸電纜作為電極，鋪設于膠帶下方。

典型應用中REF_A和REF_B兩個管腳外接固定的電容。電容值為被測物體電極的最小電容和最大電容(REF_A外接10 μF電容，REF_B外接100 μF電容)。該電容對應的電壓值作為電路的基準電壓。在電場感應式料流傳感器設計中，選取煤炭作為被測物體，根據煤炭的導電性,REF_A和REF_B的電容值分別選擇為10 μF和80 μF(煤的導電性根據煤塊的大小、煤塊的含水量及煤塊的雜質不同而不同)。

2.2數據傳輸電路

經過單片機處理后的數據可以就地用指示燈進行指示(有煤指示燈亮，無煤指示燈滅)，也可經過RS485、無源開關量等形式遠程傳遞到第三方進行處理。RS485數據傳輸電路[5]如圖4所示。

圖4　RS485數據傳輸電路

經單片機處理后的數據轉換為RS232傳輸格式后，通過隔離芯片ADUM1201隔離后，再經過RS485接口芯片MAX3082將RS232信號轉換為RS485信號后進行傳輸。

很多現場只需要了解膠帶上方有無料流經過即可，不需要知道比如料流厚度、膠帶速度這些參數。針對這一需求，傳感器增加了無源開關量的輸出接口，原理如圖5所示。

圖5　數據開關量傳輸原理

利用單片機的一個開關量I/O口來實現光繼電器E1的斷開和閉合。需要說明的是，由于料流傳感器實驗地點為煤礦，按照國家規定，該傳感器防爆形式設計為礦用本質安全型，光繼電器E1的節點輸出也為礦用本質安全型，這就要求接入該節點設備的接口也必須是礦用本質安全型，否則不能接入該節點信號。

3料流傳感器軟件設計

電場感應式料流傳感器PIC單片機數據處理軟件分為數據采集、數據轉換、就地顯示、遠程傳輸等部分，主程序流程如圖6所示。

圖6　電場感應式料流傳感器主程序流程

MC33794自動掃描9個電極的電容值并傳輸給單片機，單片機比較基準電容值和探頭傳輸的電容值的差別，以區分是否有物體經過膠帶上方[6-7]。單片機處理后，判斷有無物體，以驅動指示燈是否點亮，開關量節點是否閉合，并通過RS485接口進行遠程傳輸。

4現場驗證

分別在實驗室和現場對電場感應式料流傳感器進行了綜合實驗。電場感應式傳感器安裝示意如圖7所示。

圖7　電場感應式傳感器安裝示意

上膠帶的下面安裝一臺電場感應式料流傳感器，傳感器的檢測面不接觸膠帶。當膠帶上沒有物料經過時，傳感器的電場保持不變;當有物料經過時，傳感器電場的電參數會發生相應的變化。根據電參數變化的強度就可以分辨出是否有物料，經過程序處理輸出相應的信號。實驗室實驗和現場應用證明，電場感應式料流傳感器能夠準確地檢測運動或者靜止的膠帶上有無物料，完全滿足現場實際應用的需求。

5結語

電場感應式料流傳感器采用MC33794電場成像器件作為感應元器件，利用PIC18F2480單片機采集和處理數據，經過特定的算法把電容值的變化轉換為膠帶上有無物料的信號。處理后的數據既可以就地顯示，也可以遠程傳遞到第三方顯示。該傳感器已在不同工業場合、不同環境下進行了實驗驗證。實驗結果表明，該傳感器可以準確、快速地測量出膠帶上方有無物料，為企業的節能減排、安全生產提供了可靠保障。

參考文獻：

[1]臺闖,鄭麗群,楊永寬，等.基于電場感應技術的儲罐腐蝕泄漏檢測方法的研究[J].腐蝕科學與防護技術，2010，22(3):211-215.

[2]Freescale Semiconductor Inc. MC33794 advance information freesale semiconductor [EB/OL]. (2014-04-10)[2015-12-10].http://www.datasheetlib.com/datasheet/50877/mc33794_freescale-semiconductor.html.

[3]康華光.電子技術基礎——模擬部分[M].4版.北京：高等教育出版社，2005.

[4]Microchip Technology Inc.28/40/44-Pin enhanced flash microcontrollers with ECAN technology,10-Bit A/D and nano Watt technology-PIC18F2480[EB/OL]. [2015-12-10].http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=PIC18F2480.

[5]王靜.基于單片機的數據串口通信[D].重慶：長江大學,2013.

[6]張皆喜，王茂凌，張瑜.PIC系列單片機C語言編程與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2008.

[7]李紅,趙玉新.軟件開發流程實訓[M].北京：電子工業出版社,2005.

Design of material flow sensor based on electric field induction

TAN Changsen1,2,NI Chunming3

(1.CCTEG Changzhou Research Institute， Changzhou 213015，China;

2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd.， Changzhou 213015，China;

3.Testing Technology Research Center, CCTEG Shanghai Co., Ltd., Shanghai 201401, China)

Abstract:In view of the problem that existing switch type and pressure type material flow sensors are easy to wear and have poor reliability，a kind of material flow sensor based on electric field induction was designed. The sensor adopts smart chip with built-in electric field induction as sensing element to monitor electric parameters of electric field, and uses single-chip microcomputer to collect and process electric parameters of electric field, and output signals indicating whether there are material on the belt through change of electrical parameters and internal data processing. The field test results show that the sensor can accurately detect material on moving or stationary belt, meets needs of practical application, which has characteristics of non-contact detection, no wear, long life, stable and reliable signal.

Key words:belt conveyor； materials detection； material flow sensor； electric field induction； signal processing

中圖分類號：TD632

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 11:25

文章編號：1671-251X(2016)04-0027-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.007

譚長森，倪春明.電場感應式料流傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(4)：27-30.