一種新型管道液位傳感器的研究

天地（常州）自動化股份有限公司 蔣軍庭

1.引言

隨著煤礦安全生產以及減員增效理念的進一步發展，對礦井自動化的要求越來越高，其中井下用水的自動檢測系統就是其中的一項重要組成部分，而系統的可靠性就需要靠各種傳感器來保證。

礦用流量傳感器主要是通過電磁、機械、壓力等方式檢測管道內液體流量大小的一種傳感器，根據檢測方式不同可以分為電磁流量計、渦街流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、容積流量計、差壓式流量計等等，被大量應用于各行各業中。但是在判斷低流量以及低流速方面一直沒有相應的有效手段，以上的各種流量計都是基于一定的流量流速來檢測的，但是對于流速流量較低或者液體靜止的情況，測試結果不準確；因此研究一款能用于煤礦井下測試低流速低流量的管道液位傳感器就顯得尤為重要。

圖1 電解原理圖

本文主要研究目的是克服現有技術的不足，提供一種內部無運動固件、結構簡單、安裝方便、安全可靠、防護等級高，且可根據不同介電常數的液體相應調節檢測靈敏度的礦用管道液位傳感器，以提高煤礦生產的自動化水平。

2.電極式傳感器原理

2.1 電極式液位傳感器傳感原理

電解是在電解槽中，直流電通過電極和電解質，在兩者接觸的界面上發生電化學反應的過程。電解質中的離子常處于無秩序的運動中，通直流電后，離子作定向運動（圖1）。陽離子向陰極移動，在陰極得到電子，被還原；陰離子向陽極移動，在陽極失去電子，被氧化。

井下用水大都為地下水，含有較多的鉀、鈉、鎂等金屬離子，是良好的導電介質。

2.2 液位傳感器工作原理

如圖2，用導電材料制作兩個電極1a和1b作為探頭元件，將管道的液體與兩個電極構成一個電池模型，當有液體流過時，主控電路收集到信號，通過信號放大電路2-1傳入到單片機2-2中，單片機進行運算處理，將結果輸出到信號報警電路中2-4，由報警指示燈3-2指示（電源指示燈3-1在傳感器接通電源后恒亮）；針對于不同的流速和流量的液體，在傳感器調試時可根據實際狀況適當的調節電位器，改變運算放大器正向輸入端的電位（靈敏調節電路2-2），并輸入到單片機中作為比較控制條件。

3.電極式流量傳感器的結構設計

整個傳感器外殼材質采用304L不銹鋼，有良好的抗壓及抗腐蝕性能；陰極和陽極的電極采用316L不銹鋼制作，有較高的耐磨及抗腐蝕性；其結構如圖3，傳感器兩側直接與管道連接，內部無任何結構件或者運動結構件，管道內液體可直接流通，可靠性大大增加。

4.電極的腐蝕性研究

電極采用的是316L不銹鋼，不銹鋼不銹是因為在不銹鋼中含有鉻，鉻會與空氣發生鈍化反應形成鈍化膜，從而保護基體不受腐蝕。鈍化膜由內外兩層，即內層，表層或者。

電極在工作的過程中根據其條件的不同，在陽極和陰極都會產生電化學反應。

陽極在電解失去電子的同時，也會加大不銹鋼中鉻的鈍化反應形成鈍化膜，其反應式如下：

圖2 液位傳感器原理框圖

圖3 流量傳感器的剖面結構圖

陰極在發生還原反應的過程中，會有Cr離子還原成鉻的氧化物或者氫氧化物沉積膜，其反應式如下：

電極工作時所通的電壓為5V，相對來說是一個比較高的電位，此時陽極主要是鉻發生鈍化溶解，而Fe則處于鈍態，其耐腐蝕性能得到保證。但是由于傳感器工作環境的不同，如沒有水、供電電壓波動比較大、水渾濁等等狀態，電解的過程會很復雜，這可能會造成鉻鈍化膜有點蝕的情形發生（即Fe發生了電化學反應），從而慢慢將電極腐蝕，當然這也是一個比較漫長的過程。為了提高傳感器的使用壽命，工藝上在不影響導電性能的同時，在電極外部再鍍上一層硬鉻，使其基體能夠得到更好的保護，經過長時間的試驗驗證，其腐蝕程度及導電性能均能滿足使用條件。

5.結語

經過實驗室及現場的測試，該電極式液位傳感器外觀精美、安裝方便、性能穩定、操作簡單等特點，能進行有效的檢測，提高了檢測系統的自動化水平，可用于礦井水泵控制、缺水保護、瓦斯抽放等應用系統中，在環保、節能減排要求日益嚴格的大環境下，礦井水處理抬上了一個新的臺階，因而該液位傳感器具有較好的應用前景，目前已經在北徐樓煤礦、神華靈新煤礦、木城澗煤礦等礦上使用。

[1]賈發龍等.腐蝕與防護[J].2001,22(3):105-108.

[2]張俊喜等.中國腐蝕與防護學報[J].1998,18(4):311-315.

[3]曹楚南.腐蝕電化學[M].化學工業出版社,1994.

[4]張國雄,金篆芷主編.測控電路[M].機械工業出版社,2004.

[5]張建明主編.傳感器與檢測技術[M].機械工業出版社,1996.

[6]黃元慶主編.現代傳感技術[M].機械工業出版社,2008.