基于熱式原理的礦用缺水傳感器的設計

王祖迅

（中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶400039）

根據《煤礦安全規程》和《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》的要求，在高瓦斯及突出礦井必須建立地面永久抽采瓦斯系統或井下臨時抽采瓦斯系統，通過抽采泵、循環水泵、電動閥、抽采管網等設備將井下煤層中賦存的瓦斯氣體抽到地面進行利用或排空，減少煤礦井下災害事故的發生[1-2]，目前煤礦上使用的抽采泵大多采用水環式真空泵[3-4]，水在真空泵工作過程中主要起到密封和冷卻的作用，當真空泵出現缺水時將造成抽采負壓下降，工作效率變低，如果真空泵缺水，在高速旋轉的過程中因為摩擦泵軸溫度會越來越高，有可能造成泵體內瓦斯爆炸[5-7]，因此檢測抽采泵的缺水傳感器必須穩定可靠。本文在分析目前缺水傳感器存在問題的基礎上，設計了基于熱式原理的缺水傳感器，并對該傳感器的檢測原理、整體設計、采樣電路和接口電路進行了詳細說明。

1 現有傳感器分析

1.1 電極式缺水傳感器

電極式缺水傳感器利用液體導電性來檢測供水管道中是否有水，其工作原理如圖1所示。

圖1 電極式缺水傳感器原理FIg.1 Schematic of electrode type water shortage sensor

該傳感器由進水管、出水管、積水箱、電極和檢測控制電路組成，抽放泵的供水從進水管道進入積水箱中，在積水箱中設置電極A和電極級B，當積水箱中的液位達到液位A，但未達到液位B時，電極A與電極B 不導通，檢測供水狀態為無水；當積水箱中的液位達到液位B時，電極A與電極B 導通，檢測供水狀態為有水，當積水箱出現堵塞，積水箱有積水的情況下一直誤認為供水正常，因此采用該原理設計的缺水傳感器不能檢測供水是否是動態水流。

1.2 靶式缺水傳感器

靶式缺水傳感器的設計原理是，利用干簧管在外加磁場時會在2 片簧片端點位置附近產生不同的極性，不同極性的簧片將互相吸引并閉合，其工作原理如圖2所示，此類傳感器由擋板、磁鐵、干簧管探頭和檢測控制電路組成，在進水管道中安裝擋板，在擋板的最下端安裝一磁鐵，在供水管道中沒有水流流過時，在擋板和磁鐵自身重力作用下，擋板自然下落，這時干簧管未被磁化，檢測的供水狀態為無水；在供水管道中有水流流過時，由于水流壓力的作用，擋板在順水流方向形成一定的角度，此時擋板上的磁鐵與干簧管檢測探頭接觸，干簧管的簧片被磁化，檢測的供水狀態為有水。

圖2 靶式缺水傳感器原理Fig.2 Schematic of target water shortage sensor

采用此類傳感器可以檢測流動的水流，但抽采泵的供水多使用循環水，其水質較差且容易結垢，在長期的供水過程中容易出現傳感器擋板與干簧管檢測探頭被水垢粘結到一起，或磁鐵被大量水垢覆蓋后，出現磁性減弱，不能磁化干簧管，出現常有水和常無水現象。

2 熱式缺水傳感器設計

2.1 檢測原理

熱式缺水傳感器的檢測原理如圖3所示，在抽采泵供水管路中設置2個鉑電阻，利用恒功率測量法，一個鉑電阻用于加熱介質溫度，另一個鉑電阻用于溫度測量，根據介質流動時要帶走鉑電阻表面的溫度來檢測2個鉑電阻溫差，判斷供水管道中是否有介質流動。

圖3 熱式缺水傳感器檢測原理Fig.3 Schematic of thermal water shortage sensor detection

在加熱器上加一個恒定的功率對測速鉑電阻加熱，流體在靜止時測速鉑電阻和測溫鉑電阻表面溫度差ΔT21最大，ΔT21為

隨著介質的流動，2個鉑電阻表面溫度差減小，流體的流量越大，2個鉑電阻的溫差越小，根據熱擴散原理，加熱電阻被帶走的熱量與加熱電阻和水的溫差、水流速度和水的介質有關[8-14]。若加熱電阻與水的溫差為ΔT，加熱電阻被水帶走的熱量為Q，則有

式中：ρ為水的密度；v為流速；對于介質成分一定的流體，k1，k2，k3為常數。

在橫截面S的管路中，質量流量為

在實際測量過程中，測速鉑電阻被電流I 加熱，在熱平衡狀態下，電流的加熱功率與測速鉑電阻被帶走的熱量處于平衡狀態，即

因此質量流量qm與Q/ΔT21呈一一對應的關系，即

2.2 總體設計

缺水傳感器的整體架構如圖4所示，該傳感器主要由微處理器、顯示電路、通訊電路、電源電路、接口電路、采樣電路、加熱電阻和測量電阻等組成。其中，微處理采用ARM 嵌入式芯片，主要負責整個傳感器的運算、處理、顯示以及輸出等；顯示電路主要通過數碼管指示抽采泵的有水或無水狀態；接口電路主要負責對外提供RS485總線接口和無源觸點輸出接口，方便與其他DCS 聯網；電源電路主要把來自電源箱的24 V 電壓等級的直流電變換成17.3 V/5 V/3.3 V等電壓等級，供微處理器和運行放大器使用；采樣電路主要負責產生恒流源供給加熱電路和測量電路，檢測2個鉑電阻間溫度的變化，經過運算放大器放大后進入微處理器。

圖4 缺水傳感器的整體架構Fig.4 Overall structure of water shortage sensor

3 電路設計

3.1 采樣檢測電路設計

缺水傳感器采樣電路原理如圖5所示，該采樣電路主要由恒流源電路、測量檢測差動放大電路和加熱電路組成。

圖5 采樣檢測電路原理Fig.5 Schematic of sampling detection circuit

在傳感器設計中，為防止測量電阻發熱而導致測量不準，要求檢測電路通過的電流很小，一般不大于4 mA，由OP1，R7，T2 組成的1 mA 恒流源供給檢測電路；通過加熱電阻的電流要求應大得多，一般超過50 mA，考慮到傳感器的功耗，由OP2，R27，T5 組成的40 mA 恒流源供給加熱電阻；由于采用恒流源進行加熱，在計算時忽略加熱電阻RJ1隨溫度的變化造成誤差，由OP3，OP4，OP5 組成二級40倍的差動放大電路對測量電壓進行放大，電路中Vc3，Vc4，Vo的電壓分別為

3.2 RS485接口電路設計

傳感器對外提供了標準的RS485 通訊接口[15]，采用半雙工工作模式，其電路原理如圖6所示，電路主要采用美芯公司的MAX 1487 集成芯片，通過光電耦合器件與外圍電路進行隔離，并通過跳線在通訊線A，B間設置120 Ω的終端匹配電阻，當需要時插上跳線帽即可投入使用，采用TVS 管、正溫度系數電阻PTC（positive temperature coefficient）和氣體放電管作為三級防雷浪涌保護，防止浪涌信號進入微處理器，產生誤動動作，在電源負與地間加入安規電容，減少電源紋波，通過隔離和多重保護，從多個方面提高傳感器在通訊線路上的抗干擾能力。

圖6 RS485 通訊電路Fig.6 RS485 communication circuit

4 測試結果

通過遙控器可以對傳感器的上、下限閾值進行設置，在0.1 m/s 標準流速下設置傳感器的下限閾值，在0.5 m/s 標準流速下設置傳感器的上限閾值。完成設置后將傳感器放置于水流中測試，當供水流速小于0.1 m/s時，傳感器顯示為OFF 狀態，無源觸點輸出為斷開狀態；當供水流速大于0.5 m/s時，傳感器顯示為ON 狀態，無源觸點輸出為閉合狀態。缺水傳感器在不同流速下的測試數據見表1，缺水傳感器在供水流速<0.1 m/s時傳感器顯示（OFF）無水，供水流速>0.5 m/s時傳感器顯示（ON）有水，傳感器標定后在現場使用滿足設計要求。

5 結語

針對電極式和靶式缺水傳感器在瓦斯抽采泵供水狀態檢測中容易出現檢測不準的問題，設計了基于熱式原理的礦用缺水傳感器，采用恒功率測量法，通過恒流源電路分別向測量鉑電阻提供1 mA的測量電流和向加熱鉑電阻提供40 mA的加熱電流，在保持加熱電阻功率恒定的同時避免由測量電流過大引起的誤差。通過在煤礦現場的實際運用表明，采用該原理設計的缺水傳感器在標準流速下標定后，檢測供水狀態準確，運行穩定可靠，同時對外提供了RS485和無源觸點等多種標準接口，對實現瓦斯抽采泵的自動控制具有重要的意義。

表1 缺水傳感器在不同流速下的測試數據Tab.1 Test data of water shortage sensor at different flow rates