基于热式原理的矿用缺水传感器的设计

王祖迅

（中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400039）

根据《煤矿安全规程》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的要求，在高瓦斯及突出矿井必须建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统，通过抽采泵、循环水泵、电动阀、抽采管网等设备将井下煤层中赋存的瓦斯气体抽到地面进行利用或排空，减少煤矿井下灾害事故的发生[1-2]，目前煤矿上使用的抽采泵大多采用水环式真空泵[3-4]，水在真空泵工作过程中主要起到密封和冷却的作用，当真空泵出现缺水时将造成抽采负压下降，工作效率变低，如果真空泵缺水，在高速旋转的过程中因为摩擦泵轴温度会越来越高，有可能造成泵体内瓦斯爆炸[5-7]，因此检测抽采泵的缺水传感器必须稳定可靠。本文在分析目前缺水传感器存在问题的基础上，设计了基于热式原理的缺水传感器，并对该传感器的检测原理、整体设计、采样电路和接口电路进行了详细说明。

1 现有传感器分析

1.1 电极式缺水传感器

电极式缺水传感器利用液体导电性来检测供水管道中是否有水，其工作原理如图1所示。

图1 电极式缺水传感器原理FIg.1 Schematic of electrode type water shortage sensor

该传感器由进水管、出水管、积水箱、电极和检测控制电路组成，抽放泵的供水从进水管道进入积水箱中，在积水箱中设置电极A和电极级B，当积水箱中的液位达到液位A，但未达到液位B时，电极A与电极B 不导通，检测供水状态为无水；当积水箱中的液位达到液位B时，电极A与电极B 导通，检测供水状态为有水，当积水箱出现堵塞，积水箱有积水的情况下一直误认为供水正常，因此采用该原理设计的缺水传感器不能检测供水是否是动态水流。

1.2 靶式缺水传感器

靶式缺水传感器的设计原理是，利用干簧管在外加磁场时会在2 片簧片端点位置附近产生不同的极性，不同极性的簧片将互相吸引并闭合，其工作原理如图2所示，此类传感器由挡板、磁铁、干簧管探头和检测控制电路组成，在进水管道中安装挡板，在挡板的最下端安装一磁铁，在供水管道中没有水流流过时，在挡板和磁铁自身重力作用下，挡板自然下落，这时干簧管未被磁化，检测的供水状态为无水；在供水管道中有水流流过时，由于水流压力的作用，挡板在顺水流方向形成一定的角度，此时挡板上的磁铁与干簧管检测探头接触，干簧管的簧片被磁化，检测的供水状态为有水。

图2 靶式缺水传感器原理Fig.2 Schematic of target water shortage sensor

采用此类传感器可以检测流动的水流，但抽采泵的供水多使用循环水，其水质较差且容易结垢，在长期的供水过程中容易出现传感器挡板与干簧管检测探头被水垢粘结到一起，或磁铁被大量水垢覆盖后，出现磁性减弱，不能磁化干簧管，出现常有水和常无水现象。

2 热式缺水传感器设计

2.1 检测原理

热式缺水传感器的检测原理如图3所示，在抽采泵供水管路中设置2个铂电阻，利用恒功率测量法，一个铂电阻用于加热介质温度，另一个铂电阻用于温度测量，根据介质流动时要带走铂电阻表面的温度来检测2个铂电阻温差，判断供水管道中是否有介质流动。

图3 热式缺水传感器检测原理Fig.3 Schematic of thermal water shortage sensor detection

在加热器上加一个恒定的功率对测速铂电阻加热，流体在静止时测速铂电阻和测温铂电阻表面温度差ΔT21最大，ΔT21为

随着介质的流动，2个铂电阻表面温度差减小，流体的流量越大，2个铂电阻的温差越小，根据热扩散原理，加热电阻被带走的热量与加热电阻和水的温差、水流速度和水的介质有关[8-14]。若加热电阻与水的温差为ΔT，加热电阻被水带走的热量为Q，则有

式中：ρ为水的密度；v为流速；对于介质成分一定的流体，k1，k2，k3为常数。

在横截面S的管路中，质量流量为

在实际测量过程中，测速铂电阻被电流I 加热，在热平衡状态下，电流的加热功率与测速铂电阻被带走的热量处于平衡状态，即

因此质量流量qm与Q/ΔT21呈一一对应的关系，即

2.2 总体设计

缺水传感器的整体架构如图4所示，该传感器主要由微处理器、显示电路、通讯电路、电源电路、接口电路、采样电路、加热电阻和测量电阻等组成。其中，微处理采用ARM 嵌入式芯片，主要负责整个传感器的运算、处理、显示以及输出等；显示电路主要通过数码管指示抽采泵的有水或无水状态；接口电路主要负责对外提供RS485总线接口和无源触点输出接口，方便与其他DCS 联网；电源电路主要把来自电源箱的24 V 电压等级的直流电变换成17.3 V/5 V/3.3 V等电压等级，供微处理器和运行放大器使用；采样电路主要负责产生恒流源供给加热电路和测量电路，检测2个铂电阻间温度的变化，经过运算放大器放大后进入微处理器。

图4 缺水传感器的整体架构Fig.4 Overall structure of water shortage sensor

3 电路设计

3.1 采样检测电路设计

缺水传感器采样电路原理如图5所示，该采样电路主要由恒流源电路、测量检测差动放大电路和加热电路组成。

图5 采样检测电路原理Fig.5 Schematic of sampling detection circuit

在传感器设计中，为防止测量电阻发热而导致测量不准，要求检测电路通过的电流很小，一般不大于4 mA，由OP1，R7，T2 组成的1 mA 恒流源供给检测电路；通过加热电阻的电流要求应大得多，一般超过50 mA，考虑到传感器的功耗，由OP2，R27，T5 组成的40 mA 恒流源供给加热电阻；由于采用恒流源进行加热，在计算时忽略加热电阻RJ1随温度的变化造成误差，由OP3，OP4，OP5 组成二级40倍的差动放大电路对测量电压进行放大，电路中Vc3，Vc4，Vo的电压分别为

3.2 RS485接口电路设计

传感器对外提供了标准的RS485 通讯接口[15]，采用半双工工作模式，其电路原理如图6所示，电路主要采用美芯公司的MAX 1487 集成芯片，通过光电耦合器件与外围电路进行隔离，并通过跳线在通讯线A，B间设置120 Ω的终端匹配电阻，当需要时插上跳线帽即可投入使用，采用TVS 管、正温度系数电阻PTC（positive temperature coefficient）和气体放电管作为三级防雷浪涌保护，防止浪涌信号进入微处理器，产生误动动作，在电源负与地间加入安规电容，减少电源纹波，通过隔离和多重保护，从多个方面提高传感器在通讯线路上的抗干扰能力。

图6 RS485 通讯电路Fig.6 RS485 communication circuit

4 测试结果

通过遥控器可以对传感器的上、下限阈值进行设置，在0.1 m/s 标准流速下设置传感器的下限阈值，在0.5 m/s 标准流速下设置传感器的上限阈值。完成设置后将传感器放置于水流中测试，当供水流速小于0.1 m/s时，传感器显示为OFF 状态，无源触点输出为断开状态；当供水流速大于0.5 m/s时，传感器显示为ON 状态，无源触点输出为闭合状态。缺水传感器在不同流速下的测试数据见表1，缺水传感器在供水流速<0.1 m/s时传感器显示（OFF）无水，供水流速>0.5 m/s时传感器显示（ON）有水，传感器标定后在现场使用满足设计要求。

5 结语

针对电极式和靶式缺水传感器在瓦斯抽采泵供水状态检测中容易出现检测不准的问题，设计了基于热式原理的矿用缺水传感器，采用恒功率测量法，通过恒流源电路分别向测量铂电阻提供1 mA的测量电流和向加热铂电阻提供40 mA的加热电流，在保持加热电阻功率恒定的同时避免由测量电流过大引起的误差。通过在煤矿现场的实际运用表明，采用该原理设计的缺水传感器在标准流速下标定后，检测供水状态准确，运行稳定可靠，同时对外提供了RS485和无源触点等多种标准接口，对实现瓦斯抽采泵的自动控制具有重要的意义。

表1 缺水传感器在不同流速下的测试数据Tab.1 Test data of water shortage sensor at different flow rates