矿用本质安全型水位冗余测量传感器的研究与设计

徐国萍

(山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司,山西省太原市,030053)

矿用本质安全型水位冗余测量传感器的研究与设计

徐国萍

(山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司,山西省太原市,030053)

针对传统投入式水位传感器在恶劣测量环境时容易出现污泥堵塞和进水故障等现象,设计了一种矿用本质安全型水位冗余测量传感器,介绍了该传感器采用压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构,阐述了该传感器信号处理的电路组成。实验结果表明,该传感器适用于对水位测量有严格要求的各种重要场合,具有可靠性高、结构紧凑和安装方便等优点。

水位测量 压差信号 电容信号 传感器

1 引言

目前测量水位的传感器种类很多,主要包括超声波式、浮力式以及投入式等水位传感器。超声波式液位测量法是通过探测自身发出的超声波被液面反射后的信号来计算液面位置。超声波受传输媒介的气体成分和容器几何结构特性影响较大,不适用于有气泡或悬浮物的介质,而且容易受电磁波干扰,又受到安装条件和环境限制,价格也相对较贵。浮力式液位测量法不适合粘度较大的液体,粘度较大会使摩擦增大,严重时可能使浮子卡死而造成指示错误。而投入式水位传感器具有结构简单、测量精度高、量程范围大、安装方便以及价格相对便宜等优点,因此在煤矿井下水位测量中得到广泛应用。投入式液位传感器实质是一种测量液位的压差传感器,必须在传感器投入头部设有导流孔来感受压差,由于矿井巷道积水水质较差,底部沉积有大量淤泥或其它污物,很容易堵塞传感器头部的导流孔,从而造成测量失效,另外传感器经过长时间使用后密封性能下降,出现传感器内部进水现象,轻则造成测量失效,重则造成变送器及智能表的损坏。

为了解决现有投入式水位传感器存在的弊端,本文提出了一种将传感器设计成压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构的测量装置的技术方案,整套装置由传感器探头和信号处理电路两部分组成,适用于对水位测量和控制有严格要求的各种重要场合,具有可靠性高、结构紧凑和安装方便等优点。

2 传感器探头结构设计

本文设计的传感器采用压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构,传感器探头结构示意图如图1所示。

图1 传感器探头结构示意图

(1)传感器壳体上部、壳体下部和空心丝堵均为圆柱形,采用不锈钢材质,相互之间采用螺纹方式连接构成传感器的投入探头,探头兼具配重功能,重量为0.5 kg,保证一体化传感器能沉入储水池底部。

(2)封装于探头内的压敏器件选用扩散硅压力膜片,具有4个输出管脚与变送器相连。

(3)电缆选用专用带有导气管的六芯屏蔽电缆,这种电缆最外层为聚氯乙烯护套层,第二层为金属屏蔽层,第三层为聚四氟乙烯绝缘层,最里边为六芯导线和导气管,电缆中的四芯导线与压敏器件变送电路的4个输出管脚焊接,组成压差信号测量系统的传感部分,电容信号测量系统的传感部分使用电缆剩余的两芯导线,其中一芯与电缆的金属屏蔽层焊接,然后用密封胶将屏蔽层的裸露部分与外界隔离,以防传感器内部进水后屏蔽层与水接触。另外一芯用螺丝与壳体上部连接,从而构成一个可变电容,即可变电容的一个极为电缆的金属屏蔽层,另外一个极为通过壳体接触的水,两个极之间的绝缘介质为电缆最外边的护套层,水位变化时水与电缆最外边的护套层接触面积发生改变,从而引起可变电容的电容值变化,球形密封圈、上环形密封圈和下环形密封圈均选用橡胶密封圈,保证壳体上部、壳体下部、空心丝堵、压敏器件、电缆、球形密封圈、上环形密封圈和下环形密封圈组装拧紧后,使壳体上部的空腔形成密闭体,防止水在压力的作用下渗入壳体上部空腔内部,电缆所带的导气管将壳体上部空腔与大气连通,以保证压敏元件承受压差。

3 电容信号水位测量原理

本文中电容信号水位测量是根据电容变化与水位高度成比例的关系,利用同轴电缆作为电容敏感元件将水位高度转化为电容值。同轴电缆是由轴心重合的芯线和金属屏蔽网筒两根导体构成,芯线与屏蔽网圆筒之间为发泡聚四氟乙烯介质,屏蔽网外是聚氯乙烯护套层。电容液位测量原理图如图2所示。

图2 电容液位测量原理图

由图2可见,同轴电缆可看做是一个柱形电容器,设芯线的直径为d,屏蔽网圆筒的直径为D0,电缆长度为H,发泡聚四氟乙烯的介电常数为ε,根据柱形电容器的电容公式可得同轴电缆本身的固有电容C0为:

式中:ε——发泡聚四氟乙烯介电常数,F/m;

H——电缆长度,m;

D0——屏蔽网圆筒直径,m;

d——芯线直径,m。

当同轴电缆浸入导电液体时,形成两个柱形电容器的并联,一个电容器是同轴电缆的固有电容器,芯线与屏蔽网作为其两极,其间的发泡聚四氟乙烯为电介质;另一个电容器是同轴电缆的屏蔽层作为一个极板,导电的液体作为另外一个极板,同轴电缆外聚氯乙烯护套层作为电容器两极板间的电介质。这里水与同轴电缆的芯线相连接,因此这两个柱形电容器具有共同电极,一个是屏蔽层,一个是芯线(导电液体),这两个电容器形成了并联关系,假设聚氯乙烯护套层的介电常数和发泡聚四氟乙烯的介电常数相同(均为ε),电缆外聚氯乙烯护套层的直径(即紧贴电缆外的导电液体层的直径)为D,液位的高度为h,则浸入导电液体的同轴电缆的等效电容C为:

式中:ε——聚氯乙烯护套层介电常数,F/m;

h——液位高度,m;

D——导电液体层直径,m;

d——芯线直径,m。

由式(2)可知,浸入导电液体的同轴电缆的等效电容与液位h成线性关系,这样通过测量浸入导电液体的同轴电缆电容值,经过信号处理后就可转化为液位的高度。

4 压差信号液位测量原理

压差信号液位测量装置的核心为压敏器件,它是利用单晶硅压阻效应制成的扩散硅压力膜片,在扩散硅弹性膜片上集成有4个等值应变电阻器,由这4个电阻组成了惠斯通电桥。将压力敏感元件和变送器封装在传感器的探头壳体内,防水导气电缆的导气管与探头的空腔体相联通,压力敏感元件与变送器连接,变送器与导气电缆的导线连接。测量时将传感器探头投入到蓄水池底部,水流通过导流孔与压力敏感元件接触,水位静压与大气的压差直接作用在压敏元件所带的弹性膜片上,使得弹性膜片受力变形,从而引起应变电阻器电阻值发生变化,惠斯通电桥输出信号,并将压差转换为电信号。弹性膜片的变形程度与其所受的压差成正比关系,当液位传感器投入到被测液体中某一深度时,传感器探头底部受到的液体压力P为:

式中:P——传感器探头底部所受压力,Pa;

ρ——被测液体密度,kg/m3;

g——测量地重力加速度,N/kg;

h——传感器投入液体的深度,m;

P0——液面上大气压,Pa。

由式(3)可知,作用在压敏器件上的被测液体静压和大气的压差与该液体的高度成比例。由于防水导气电缆将液面上的大气压P0与传感器的背压腔(探头空腔体)良好相连,抵消了传感器背压P0,使传感器测得压力ρgh不受外界大气压影响,所以,通过测量压力P即可实现对液位深度h的精确测量和控制。

5 传感器信号处理电路组成

传感器信号处理电路用于将传感器探头采集到的压差信号和电容信号进行转换并传送至单片机进行处理,其电路框图如图3所示。

图3 水位冗余测量传感器电路框图

压差信号测量系统由压敏器件将与液位高度成正比的压差信号转换成m V级模拟电信号,再经信号放大电路放大至V级模拟信号,送至电压频率转换电路1转换成频率信号,并通过光电隔离电路1送至单片机;电容信号测量系统由同轴电缆将液位的变化转换为与之成正比的可变电容C的变化,并将可变电容值送入电容电压转化模块,该模块以电容电压转换芯片CAV444为核心,能够对电容信号进行采集和处理,并将可变电容值转换成电压信号输出,电压信号经电压频率转换电路2转换成频率信号后通过光电隔离电路2送至单片机;单片机采用MSP430F169作为数据处理中心,对接收到的两路信号完成内部数据运算处理和分析判断,并将水位高度实时显示在LCD屏幕上。

一体化传感器测量水位时,压差信号方式组成的测量系统测量精度较高,同时故障率也较高。而电容信号方式组成的测量系统因受到环境条件变化的影响测量精度略低,但发生故障的概率也很低。正常情况下两种信号同时采集,二者所反映的水位值基本相同,主要以压差信号测量系统为准,电容信号测量系统平时处于备用状态。

一体化传感器在出现淤泥堵塞导流孔、内部进水、压敏器件及其它电路损坏等故障状态下,会造成压差信号测量系统无信号、突然增大或减小、与电容信号水位测量值差值大于100 mm等信号异常,单片机根据压差信号测量系统信号异常判断出压差信号测量系统出现故障,并控制压差信号测量系统退出测量状态,同时控制处于备用状态的电容信号测量系统进入测量状态,此时水位冗余测量传感器仍能够继续工作,正常显示水位并正常控制水泵开启和停止。单片机同时发出报警信号,提醒工作人员测量装置处于过渡期,测量精度不太理想,注意在恰当的检修时间对一体化传感器压差信号测量系统进行维修。同样当电容信号测量系统出现信号异常时,提示备用系统出现故障并发出报警信号,系统仍能显示水位并能继续工作。

6 实验测试及分析

6.1 实验测试

在实验室选择一根储水管,在其上以1 mm为最小刻度值标注1 m的长度,将一体化传感器沉入储水管底部,传感器底部朝下保持直立,电缆拉直固定。首先对传感器调零校准,让储水管进入少量水淹没一体化传感器头部,通电后设定此时压差信号测量系统的光电隔离电路1输出的脉冲频率为200 Hz,由单片机采集并存入单片机,同时设定电容信号测量系统的光电隔离电路2输出的脉冲频率为200 Hz,由单片机采集并存入单片机,作为两路测量系统零水位的起始值。向储水管注水至1 m刻度处,设定光电隔离电路1输出的脉冲频率为1000 Hz,由单片机采集并存入单片机,同时设定光电隔离电路2输出的脉冲频率为1000 Hz,由单片机采集并存入单片机。作为两路测量系统满水位值,可知对应输出频率与水位测量值之间的数学关系为:

式中:h——测量水位值,cm;

f——输出频率,Hz。

校验过程结束后将储水管中的水倒出,从0 mm开始逐渐升高储水管水位。当水位上升时,储水管底部水的压强在增加,并通过一体化传感器壳体下部的导流孔接触到压敏器件,压敏器件受压变形使得输出信号在不断变化,光电隔离电路1输出的脉冲频率在增加,输出脉冲的频率每增加10 Hz,单片机控制显示单元显示的水位值增加6.25 mm。随着水位的上升,可变电容两极的相对面积在增加,实验证明随着水位的变化,可变电容的电容值成正比例关系变化并且近似线性。光电隔离电路2输出的脉冲频率也在增加,输出脉冲的频率每增加10 Hz,单片机储存的电容信号测量系统水位值也增加6.25 mm,此时电容信号测量系统的水位值只储存不显示,电容信号测量系统处于备用状态,当前冗余测量装置显示的水位值来自压差信号测量系统。

水位下降时测量过程与之相反,此时水位值减小,同样只显示来自压差信号测量的值。用堵头将传感器探头导流孔堵死后再进行测量,此时单片机报警并显示来自电容信号测量系统的水位值。

6.2 实验分析

分析两种方式下所测水位值与实际水位值的对比曲线,其中曲线1为实际水位值(传感器实际浸入水中的长度值构成的曲线)曲线,曲线2为传感器处于正常状态时显示的来自压差信号测量系统的水位值曲线,曲线3为传感器处于备用状态下(在人为将传感器探头导流孔堵死后)显示的来自电容信号测量系统的水位值构成的曲线。实验测量水位曲线对比如图4所示,其中5～20 cm水位曲线对比放大图如图5所示。

图4 实验测量水位曲线对比

图5 5～20 cm水位曲线对比放大图

由图4和图5曲线对比可知,两种方式下所测水位值与实际水位值基本吻合,压差式测量水位值的精度比电容式测量水位值的精度略高。

7 结语

本文设计的水位冗余测量传感器具有结构简单紧凑、成本低、安装和操作方便快捷、稳定性好以及可靠性高等优点,同时可以以两种测量方式测量同一水位,两种测量方式是冗余关系,当其中一种测量方式出现故障后,装置会自动转入另一种测量方式,不影响测量装置正常工作,适用于复杂的测量环境,可应用于煤矿井下对水仓水位等液位深度的测量。

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(责任编辑 路 强)

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

徐国萍(1965－),女,山西太原人,高级工程师,主要从事科技信息管理工作。