乳化液濃度傳感器的標定

張 佩， 張 帆

（山西省長治經坊煤業有限公司， 山西 長治 047100）

引言

乳化液是煤礦一體化的重要工作介質，不僅起動力傳遞作用，而且對系統元部件起著潤滑、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之一，乳化液的濃度直接影響著井下工作面的生產效率和安全性。經研究表明，乳化液濃度過高或者高地均會對煤礦一體化設備造成影響。其中，乳化液濃度太低會導致煤礦一體化設備出現元器件被腐蝕的現象發生，進而降低了工作面的生產效率；而乳化液濃度太高會提升生產成本，不利于降低煤炭生產的利潤空間。目前，我國煤礦液壓支架的液壓系統采用水包油型乳化液。為了保證煤礦一體化設備之間的完美配合，需保證乳化液濃度在規定范圍內，因此，實現對乳化液濃度實時、快速的監測十分重要。

1 傳感器與上位機的通信

在綜采工作面中需要通過上位機讀取乳化液濃度傳感器采集的乳化液濃度值。因此，在實驗室標定乳化液濃度傳感器也需保證傳感器與上位機的正常通信。首先，通過USB轉485的轉換器實現上位機與傳感器的連接，而后基于傳感器的參數完成對上位機的參數設置，進而實現上位機與傳感器的正常通信。然后，配置不同濃度的乳化液，明確傳感器內部寄存器 40001、40419、40420以及 40421的值，即完成傳感器的標定[1]。

1.1 上位機參數設置

為了保證GND15型乳化液濃度傳感器能夠與上位機進行通訊，需保證傳感器的參數設置值與上位機的參數設置值相同。根據該傳感器的主要技術指標，上位機各項參數的設置值為：上位機的通訊協議選擇ModBus RTU通信協議；上位機的最小采樣周期設置為2.5 s；上位機的通訊接口為RS485接口；上位機通信設備地址設置為出廠03；。經過一系列的設置后，上位機設置結果如圖1所示。

圖1 上位機的參數設置結果

1.2 乳化液濃度傳感器與上位機的電氣連接

由于GND15型乳化液濃度傳感器將測的結果是通過485信號輸出的。因此需要一款USB轉485的設備實現上位機與傳感器的順利通信。根據傳感器電纜圖，將需要標定的傳感器與上位機連接起來，即完成了上位機和傳感器的電氣連接。

GND15型乳化液濃度傳感器與USB轉485轉換器的接線圖如圖2所示。

圖2 傳感器與RS485轉接口接線圖

為了保證傳感器可以穩定工作，根據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 傳感器標定方法

傳感器的標定指的是通過對已知濃度的被測液體測量，進而可以得到傳感器寄存器讀數與濃度值之間的關系。本次標定需要對兩種樣品進行測試：一個為零點標定，即研究對象為純水；另一個為樣品標定，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定步驟為：

1）首先，根據上述2所述的步驟實現傳感器與上位機的連接和上位機各參數的設置。

2）其次，準備被測試的樣品，本次標定需完成對純水和兩種不同濃度乳化液的標定。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）為了保證測試數據的準確，將傳感器置于被測液體中，待寄存器4009讀數穩定后，將其記錄下來，對任何一種被測樣品均讀取20組數據。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中值驗證上述標定的結果是否準確，并計算誤差值。

將上述步驟重復幾次后，最終得到較為精確的傳感器的標定值[4]。

2.1 標定結果分析

將不同濃度的乳化液中寄存器40009中數據的讀取如表1所示。

表1 試驗數據表

將表1中不同被測樣品的測試值進行處理后，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，記錄結果如圖3所示。

2.2 標定信號值的驗證

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 結語

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