礦用數(shù)字式水位傳感器設(shè)計(jì)

陳二軍

摘要： 針對(duì)煤礦井下水倉常用的水位傳感器不能滿足測(cè)量要求的問題，設(shè)計(jì)了一種礦用數(shù)字式水位傳感器，介紹了該水位傳感器的測(cè)量原理，詳細(xì)闡述了該水位傳感器的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析表明，該傳感器具有測(cè)量精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于礦用水位的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 礦用;數(shù)字式;水位監(jiān)測(cè)

【中圖分類號(hào)】 TD67【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-3733（2020）16-0211-01

1引言

隨著我國煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其開采受到很多條件的限制，其中煤礦井下水造成的危害一直威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。水位傳感器是煤礦安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分之一，對(duì)煤礦水位的實(shí)時(shí)安全檢測(cè)對(duì)防止煤礦水災(zāi)事故的發(fā)生具有重要意義。現(xiàn)在煤礦井下常用有浮球式水位傳感器，裝配工藝較為復(fù)雜，易積累水垢，不易清洗，精度低可靠性低，在使用一段時(shí)間后易出現(xiàn)浮球卡死的情況;超聲波式水位傳感器在測(cè)量時(shí)，聲波下面不宜有障礙物且容易產(chǎn)生盲區(qū)造成測(cè)量不精準(zhǔn);電極式液位開關(guān)，不能連續(xù)偵測(cè)出水位間變化的差值;在水質(zhì)雜質(zhì)較多的情況下壓力式水位傳感器容易堵塞壓力孔，使得無法正常工作。針對(duì)這些問題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種精度高、使用方便、能夠在復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境下穩(wěn)定工作的液位傳感器。提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，具體講述了系統(tǒng)的理論依據(jù)、實(shí)現(xiàn)方法、軟硬件設(shè)計(jì)等。

2基本工作原理

水位傳感器種類主要分為直接接觸式和非接觸式兩種。直接接觸式有浮球式、磁性、投入式、單法蘭靜壓/雙法蘭差壓、電容式水位傳感器等。非接觸式有雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)等。本文采用的是投入式液位傳感器，是一種測(cè)量壓力的傳感器。

投入式液位傳感器的基本檢測(cè)原理是根據(jù)被測(cè)液體靜壓與高度成比例的原理，將變化的水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)變化電信號(hào)。一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路放大，補(bǔ)償電路補(bǔ)償，檢測(cè)其變化量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將其轉(zhuǎn)換成水位數(shù)值[1]。

3硬件設(shè)計(jì)

水位傳感器根據(jù)水位傳感元件的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由驅(qū)動(dòng)電源模塊、水位傳感元件模塊、通信模塊、顯示模塊、紅外遙控模塊、處理器單元模塊、頻率輸出模塊及控制輸出模塊組成，硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

電源驅(qū)動(dòng)模塊為整個(gè)傳感器供電，水位傳感元件模塊是通過水位敏感元件檢測(cè)煤礦水倉中的實(shí)際水位，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過處理器差分信號(hào)采集進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的最終結(jié)果即水位的實(shí)際值傳輸?shù)斤@示模塊，根據(jù)實(shí)際輸出信號(hào)的要求轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過頻率輸出模塊輸出或者數(shù)字信號(hào)通過通信模塊輸出[2]。

3.1電源驅(qū)動(dòng)模塊。

電源驅(qū)動(dòng)模塊主要由電源控制單元將外部電源供電進(jìn)行處理，將其分成兩部分，一是給處理器單元及其外圍電路供電，二是通過恒流源驅(qū)動(dòng)電路輸出恒流源給水位傳感元件供電。電源模塊電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2水位傳感元件模塊。

水位傳感元件模塊主要有兩部分組成，即水位傳感元件和信號(hào)調(diào)理電路。為了減少外界對(duì)檢測(cè)元件的干擾，水位傳感元件采用恒流源方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該模塊的主要功能是水位傳感元件所在的水位位置經(jīng)傳感元件檢測(cè)后，將其轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，直接被處理器A/D差分采集單元采集。通過處理器的計(jì)算，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理和抗干擾處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可得到實(shí)測(cè)的水位值。

3.3通信電路模塊。

通信電路模塊主要依靠傳感器與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)交互組成網(wǎng)絡(luò)。本文采用RS485接口，不僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，還可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，兩線制接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)[3]。

3.4其他模塊。

處理器單元電路選用的是Cortex-M3微處理器系列的AduCM361，ADuCM360具有24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在芯片上集成ADC、32位ARMCortex-M3處理器和存儲(chǔ)器和RAM。該器件的兩個(gè)ADC都可在全差分和單端模式下工作，每個(gè)ADC均連接到一個(gè)靈活的輸入多路復(fù)用器。本文采用微處理器ADC全差分模式下工作，主要的功能是在水位傳感元件工作時(shí)，對(duì)其信號(hào)的采集處理，將處理后得出的水位參數(shù)通過顯示模塊數(shù)碼管進(jìn)行顯示，通過紅外遙控模塊對(duì)其進(jìn)行傳感器的參數(shù)設(shè)置，主要設(shè)置包括對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)、報(bào)警參數(shù)、信號(hào)輸出模式、控制輸出模式、通信地址等。頻率輸出模塊和控制輸出模塊，根據(jù)顯示的水位值進(jìn)行相應(yīng)的頻率或控制輸出[4]。

4軟件設(shè)計(jì)

水位傳感器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括參數(shù)初始化、紅外遙控按鍵操作處理、水位傳感元件信號(hào)采集處理、RS485通信等，軟件流程如圖3所示，端口參數(shù)初始化，紅外按鍵是否處理，是否有水位信號(hào)，有則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示，RS485輸出。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的是基于恒流源驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)水位的采集，該傳感器采用Cortex-M3的處理器，內(nèi)置24位ADC采集，且內(nèi)部參考電壓精度比較高，受環(huán)境溫漂影響小。水位傳感元件輸出電信號(hào)通過處理器ADC差分端進(jìn)行信號(hào)采集，數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)算水位值，測(cè)試基本誤差在滿量程范圍內(nèi)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范±0.2m的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快，在長期穩(wěn)定性和抗干擾等方面表現(xiàn)優(yōu)異，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出方式不僅能單獨(dú)使用，還可以適用于多種安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。礦用水位傳感器能連續(xù)監(jiān)測(cè)液體的水位，實(shí)時(shí)顯示被測(cè)點(diǎn)的水位值，滿足于城市供排水、污水處理、地下水、水庫、河道、海洋等水位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張海慶.礦用數(shù)字式水位傳感器設(shè)計(jì)[J].煤炭與化工，2020，43（02）：87-89.

[2]張群.水封阻火泄爆裝置水位傳感器支管連接優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].能源與環(huán)保，2019，41（06）：86-88.

[3]熊遠(yuǎn)生，吳偉雄.高效水位傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2019（02）：33-35+74.

[4]薛瑄，王宇，王東，張紅娟，高妍，靳寶全.同軸電纜電容感測(cè)式水位傳感器設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2019（02）：9-13+17