矿用管道液位传感器的改进

曲阜师范大学 高 原

山东省昌邑市环境保护局 陈雅妮

1 旧式管道液位传感器原理以及存在的问题

离心泵启动前需要判断的是其泵体内部是否灌满了水，而真空度只是一种间接反映指标，并不能准确无误的检测离心泵内部灌水情况，旧式管道液位传感器设计的目的就是准确检测泵体内是否有水。通过两电极之间的直流电压，在电解质中形成电场，使得电解液中离子做定向的运动形成电流，信号采集电路检测出电流信号，同时对该信号进行滤波放大后传给单片机。单片机进行运算处理，将结果发送至报警电路，同时能将开关量信号输出至其他设备，仪器总体框图如图1所示。

图1 仪器总体框图

使用过程中问题主要有：工作过程中，两电极持续供电，两电极一直产生的电化学反应，阴极会有金属的氧化物或者氢氧化物沉积膜，积累到一定阶段，会导致仪器灵敏度下降；被测液体中往往含有很多固体杂质、碱杂质等悬浮物，它们会在阴极进行囤积，导致电极与液体接触面积减小，甚至阻塞传感器。旧式管道液位传感器利用水的导电性这一特性来判断是否有水，但是由于存在了电化学和吸附效应，使其使用寿命缩短。

2 新式管道液位传感器工作原理

新式传感器考虑通过采用交流脉冲电源供电方式，以减弱电化学效应，传感器两电极采用分时上电的方式。具体原理如图2所示：通过单片机控制电路产生脉冲波形，在一个周期T的时间内，产生一个负脉冲，持续T1时间，在T1时间内采集离散信号；单片机控制电路电极处断电，持续T2时间；在T3时刻，产生一个正脉冲电压信号，且单片机采集离散信号；在T4时间内，单片机控制电路断电。

图2 新式管道液位传感器工作原理图

其中测量电路采用电压比较器，当两电极间被测量达到阀值时，发生电平转换，输出动作输出。阀值选择通过电位器调整，以适合不同的应用工况。为方便现场对不同工况条件的调整，设计了功能选择电路，用于现场调整，当选择为调整模式时，将传感器置于工作环境中，调节阀值调节电位器，使指示电路动作，完成调节后，选择到测试模式。信号处理电路核心选择PIC单片机作为主控器，控制传感器延时、灵敏度调节及动作输出等功能。

3 硬件电路具体设计

图3 信号采集部分电路具体设计图

信号采集部分电路具体设计如图3所示，X1、X2为两电极，F1为瞬态抑制二极管，避免了来自电极的瞬态高能量冲击。N2、N3为光耦继电器，有效的将控制电路与外部电路实现完全隔离。U1A、U1B为集成运算放大器，U1A用作电压跟随器以提高电路输入阻抗，U1B用作电压比较器，VR1为电位器，用来调节测量的灵敏度。E1为TLP系列光耦，将采集信号与输出信号进行隔离，并把信号传送至单片机端。

单片机通过控制OE1以及OE2两端的电平状态来控制电极的状态，具体控制方式如表1所示。

表1 单片机控制方式

图4 信号输出部分电路图

信号输出电路实现的功能为单片机输出控制信号灯的亮灭，同时将信号传送至其他设备。信号输出部分电路如图4所示，其中N1为光继电器，与三极管等组成信号输出电路，可以产生无源信号。通过两个NPN三极管级联，由单片机控制实现LED灯的亮灭。

图5

4 实验过程

通过示波器观察记录仪器在被测液体中的充放电情况：如图5所示，在水中时，信号波形为一弧线，上电过程电阻值逐渐增大；当上电时间达到50ms后，被测信号基本稳定；当脉冲发送结束后，电极两端信号维持一段时间且强度逐渐减弱。

通过实测，确定脉冲幅值与宽度，并确定在有脉冲时采样最佳时刻：脉冲发送后50ms采样，脉冲幅值5V，实测最佳。

如图2所示，数据记录如表2所示。

表2 数据记录表

改进前后两电极连续运行两个月效果图如图6所示：

图6 改进前后两电极连续运行两个月效果图

5 改进结论

改进后的传感器比改进前两电极之间的电解吸附明显减弱，使用寿命明显增长，达到了预期效果。

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