礦用特殊水質(zhì)水位傳感器研究與設(shè)計(jì)

郭凌龍 柯書國 靳寶全

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048006；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省太原市，030024)

隨著我國煤炭開采的不斷延伸，煤礦水害造成的危害日益嚴(yán)重。水位傳感器作為煤礦安全監(jiān)控的一個(gè)重要組成部分，它的安全可靠工作具有重要意義。目前井下常用的水位傳感器有浮子式、超聲波式、電極式液位開關(guān)和壓力式水位傳感器等。浮子式水位傳感器安裝繁瑣且不便在流動(dòng)的水中測(cè)量；超聲波式水位傳感器測(cè)量精度受安裝位置和水面漂浮物影響較大；電極式液位開關(guān)不能連續(xù)測(cè)量水位變化；壓力式水位傳感器在煤泥水等水質(zhì)惡劣的情況下壓力孔容易堵塞，造成傳感器無法正常工作。

針對(duì)上述水位傳感器存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種成本低、安裝方便且能夠在煤泥水等特殊水質(zhì)環(huán)境下穩(wěn)定工作的水位傳感器，該水位傳感器通過特制的配重柱和同軸電纜作為敏感元件，基于CAV444的電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換，再通過相關(guān)算法處理，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)測(cè)量。該水位傳感器設(shè)計(jì)有CAN通信接口，測(cè)量的水位值能夠通過CAN接口上傳至監(jiān)控單元。

1 礦用特殊水質(zhì)水位傳感器測(cè)量原理

礦用特殊水質(zhì)水位傳感器的傳感部分主要有特制的不銹鋼配重柱和同軸電纜組成，特制的不銹鋼配重柱起隔離和拉伸同軸電纜的作用。同軸電纜由內(nèi)而外分別由銅導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)、密編銅網(wǎng)和PVC護(hù)套四層結(jié)構(gòu)組成。具體測(cè)量前，剝開同軸電纜一端使同軸電纜的銅導(dǎo)體與特制的不銹鋼配重柱連接，密編銅網(wǎng)與銅導(dǎo)體和不銹鋼配重柱之間通過配制的環(huán)氧樹脂隔離絕緣。同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，礦用特殊水質(zhì)水位傳感器測(cè)量原理示意圖如圖2所示。

圖1 同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 礦用特殊水質(zhì)水位傳感器測(cè)量原理示意圖

由圖2可以看出，礦用特殊水質(zhì)水位傳感器測(cè)量原理為同軸電纜銅導(dǎo)體與水之間通過配重柱連通，電容并聯(lián)原理計(jì)算見式(1)：

CT=Ch1+Ch3+Ch4

(1)

式中：CT——同軸電纜待測(cè)的總電容，pF；

Ch1——銅導(dǎo)體與密編銅網(wǎng)作為電容兩極形成的同軸圓柱形電容，pF；

h1——同軸電纜總長(zhǎng)度，mm；

Ch3——浸入水中的同軸電纜部分密編銅網(wǎng)層與水作為電容兩極形成的同軸圓柱形電容，pF；

h3——浸入水中的同軸電纜高度，mm；

Ch4——密編銅網(wǎng)與配重柱作為電容兩極形成的同軸圓柱形電容，pF；

h4——配重柱的高度，mm。

根據(jù)式(1)和同軸圓柱形電容計(jì)算公式可得：

(2)

式中：ε3——密編銅網(wǎng)層與水之間的介電常數(shù)；

D1——同軸電纜PVC護(hù)套直徑，mm；

D2——密編銅網(wǎng)直徑，mm；

ε1——同軸電纜銅導(dǎo)體與密編銅網(wǎng)層間的介電常數(shù)；

D3——銅導(dǎo)體直徑，mm；

ε4——密編銅網(wǎng)層與配重柱之間的介電常數(shù)；

b——同軸圓柱形電容Ch1和同軸圓柱形電容Ch4之和，pF。

由式(2)可以得出，在理想狀況下電容與水位高度近似成線性關(guān)系。

2 礦用特殊水質(zhì)水位傳感器硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

同軸電纜一端通過航空接頭接入電路中，待測(cè)的總電容經(jīng)電容-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)濾波處理，AD采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸送到單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部通過相關(guān)算法程序的處理計(jì)算出實(shí)時(shí)的水位值，最后通過四位一體的數(shù)碼管顯示。由于環(huán)境狀況和寄生電容等因素的影響，不可避免地容易造成電容值和水位高度之間存在線性誤差，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了紅外遙控電路和按鍵電路互為冗余實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量系統(tǒng)的非線性校準(zhǔn)。當(dāng)水位值達(dá)到設(shè)置的水位上限時(shí)報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。同時(shí)設(shè)計(jì)了CAN通信電路，測(cè)量的水位值能夠通過CAN通信電路上傳至監(jiān)控單元，由監(jiān)控單元上傳至地面集控中心，使監(jiān)控人員及時(shí)了解井下積水點(diǎn)水位狀況。礦用特殊水質(zhì)水位傳感器系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 礦用特殊水質(zhì)水位傳感器系統(tǒng)框圖

2.2 電容-電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

電容-電壓轉(zhuǎn)換模塊選用德國進(jìn)口的具有采集、處理以及電壓輸出功能的集成芯片CAV444，該芯片是專門用于電容信號(hào)測(cè)量的集成芯片，能實(shí)現(xiàn)10 pF～10 nF寬的電容檢測(cè)，應(yīng)用該集成芯片外接幾個(gè)電阻電容可以調(diào)節(jié)輸出電壓的零點(diǎn)和放大比例，將所測(cè)量的電容轉(zhuǎn)換成線性的電壓輸出。測(cè)量水位為10 cm時(shí)待測(cè)的總電容為368 pF，滿量程時(shí)待測(cè)總電容為1598 pF，CAV444芯片完全能滿足要求。

2.3 紅外遙控電路設(shè)計(jì)

由于寄生電容和芯片性能等因素的影響，礦用特殊水質(zhì)水位傳感器在使用過程中有一定的線性誤差，所以設(shè)計(jì)有紅外遙控和按鍵電路用于系統(tǒng)的校準(zhǔn)。采用1838T作為紅外接收頭，SC9149模塊作為紅外遙控系統(tǒng)的解碼電路，校準(zhǔn)時(shí)，紅外接收頭接收到紅外遙控發(fā)送來的信號(hào)經(jīng)SC9149模塊解碼輸出不同的按鍵信號(hào)。

2.4 CAN通信電路設(shè)計(jì)

水位信息的及時(shí)上傳對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠工作至關(guān)重要，因此設(shè)計(jì)了電容式水位傳感器系統(tǒng)的CAN通信電路，水位傳感器采集的水位信息通過CAN通信電路上傳至監(jiān)控單元。CAN通信電路示意圖如圖4所示。

圖4 CAN通信電路示意圖

本系統(tǒng)中CAN控制器選用Microchip公司的MCP2515，該器件支持CAN V2.0B協(xié)議規(guī)范，自帶的兩個(gè)接收緩存器和驗(yàn)收屏蔽和驗(yàn)收濾波寄存器可減少主單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，加大工作效率，并且MCP2515帶有SPI接口，單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI命令對(duì)MCP2515進(jìn)行讀寫操作。CAN收發(fā)器的功能是將控制器的邏輯電平和CAN總線的差分電平轉(zhuǎn)換，常用的CAN收發(fā)器方案中需要光耦、電源隔離、收發(fā)器等器件實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)器，該方案中選用自帶隔離功能的集成芯片CT8251，其接口簡(jiǎn)單且使用方便。

3 礦用特殊水質(zhì)水位傳感器測(cè)量流程

礦用特殊水質(zhì)水位傳感器上電后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化階段，完成相關(guān)寄存器的配置，由于寄生電容和CAV444轉(zhuǎn)換芯片等因素的影響，電容值與液位不可避免存在一定的線性誤差，為了減小線性誤差帶來的影響，系統(tǒng)采用插值法處理。水位測(cè)量流程示意圖如圖5所示。

圖5 水位測(cè)量流程示意圖

由圖5可以看出，測(cè)量總量程可分為三段測(cè)量處理，系統(tǒng)完成初始化配置后，用紅外遙控器或按鍵對(duì)水位傳感器校準(zhǔn)處理，具體做法為：將礦用特殊水質(zhì)水位傳感器豎直懸掛，在特制的配重柱剛好浸入水中時(shí)，采集起始量程值并保存；在同軸電纜浸入到總滿量程的中間位置時(shí)，采集中間量程值并保存；在同軸電纜浸入到測(cè)量最大深度時(shí)，采集滿量程值并保存，校準(zhǔn)完成退出校準(zhǔn)。當(dāng)水位傳感器正常工作時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)采集的電容值判斷，采集電容小于起始值時(shí)，顯示0 cm；采集電容值在起始量程值和中間量程值之間時(shí)，按起始量程值和中間量程值兩個(gè)基準(zhǔn)計(jì)算水位值；采集電容值在中間量程值和滿量程值之間時(shí)，按中間量程值和滿量程值兩個(gè)基準(zhǔn)計(jì)算水位值。采集計(jì)算的水位值都通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示并通過CAN接口發(fā)送至監(jiān)控單元。采用插值法把測(cè)量過程分為三端處理，可在一定程度上消除寄生電容對(duì)系統(tǒng)造成的線性誤差，使水位傳感器的測(cè)量精度提高。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)礦用特殊水質(zhì)水位傳感器裝置進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，使水位傳感器保持豎直狀態(tài)，當(dāng)特制的配重柱剛好浸入水中時(shí)測(cè)得電容值為368 pF，此后，同軸電纜浸入水中每間隔5 cm測(cè)量一次電容值，將測(cè)得的電容值和參考水位值進(jìn)行擬合，參考水位與總電容擬合曲線圖如圖6所示。

圖6 參考水位與總電容擬合曲線圖

圖7 參考水位與電壓曲線圖

由圖6可以看出，擬合的線性相關(guān)系數(shù)為0.99964，表明水位高度和電容值成高度線性關(guān)系。隨著液位變化而線性變化的電容值經(jīng)過CAV444芯片可轉(zhuǎn)換成線性的電壓值，與采集電容值過程相同，測(cè)得的電壓值和參考水位值經(jīng)過軟件處理得到的參考水位與電壓曲線圖如圖7所示。

輸出的電壓經(jīng)過濾波處理后，由AD芯片轉(zhuǎn)換電路將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部通過相關(guān)算法處理即可得到實(shí)時(shí)的水位值。

5 結(jié)語

礦用特殊水質(zhì)水位傳感器采用同軸電纜作為傳感元件，通過特制的傳感探頭處理，經(jīng)過線性電容-電壓轉(zhuǎn)換芯片處理及相關(guān)算法的處理實(shí)現(xiàn)了水位的實(shí)時(shí)測(cè)量。該水位傳感器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏性好以及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠在煤泥水等特殊水質(zhì)的環(huán)境下連續(xù)測(cè)量液位變化的特點(diǎn)。煤礦井下復(fù)雜的水質(zhì)情況對(duì)礦用特殊水質(zhì)水位傳感器的實(shí)際應(yīng)用都有新的要求，后期還要對(duì)該水位傳感器的測(cè)量精度、量程等性能方面做更多深入的研究。

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