密度法乳化液濃度傳感器研制

李 森， 郭卓越， 邱成鵬， 左海軍

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京 100013)

0 引 言

乳化液是乳化油與水按一定比例配制而成的混合液,作為煤機產(chǎn)品液壓傳動的工作介質(zhì)，乳化液在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著十分重要的作用，被稱之為煤礦支護設(shè)備的“血液”。乳化液中乳化油的質(zhì)量分數(shù)即為乳化液濃度,乳化液濃度對于液壓系統(tǒng)性能有很大的影響,濃度過低會降低乳化液抗硬水能力、抗腐蝕性，容易導(dǎo)致液壓元件銹蝕；濃度過高不僅意味著乳化油用量增加，不經(jīng)濟，而且會降低乳化液消泡力，增大對橡膠密封材料的溶脹性，最終導(dǎo)致密封失效，造成泄漏。液壓支架用乳化液濃度保持在3 %～5 %范圍內(nèi)是比較合理的。

在當前實際生產(chǎn)中，普遍采用機械式自動配比器進行乳化液配比[1]，同時采用傳統(tǒng)的折光儀(俗稱糖量計)進行離線檢測乳化液濃度,然后根據(jù)檢測結(jié)果人為判斷該往液箱加油調(diào)高濃度還是加水調(diào)低濃度。因糖量計本身精度差，人工取樣、目測讀數(shù)存在人為誤差，沒有實現(xiàn)閉環(huán)控制等原因，生產(chǎn)現(xiàn)場很容易出現(xiàn)濃度波動范圍大，過高或過低交替出現(xiàn)的情形。業(yè)界迫切需要一種檢測精度高、長期工作穩(wěn)定性好、能實現(xiàn)自動在線檢測的乳化液濃度傳感器。

為實現(xiàn)此目標，國內(nèi)煤礦行業(yè)科技工作者們進行了不懈的努力，20多年來，先后有阻容法[2]、超聲波聲速法[3]、透光法[4]、折光法[5]、密度法[6]等10余種檢測方法[7]被提出來，實驗室內(nèi)都取得了不錯的檢測效果。其中，超聲波聲速法和折光法有很少量的現(xiàn)場應(yīng)用案例，但聲速法傳感器受限于方法本身的非線性，且測量系統(tǒng)復(fù)雜，折光法傳感器受限于光學鏡頭受乳化液析出物沉積污染等問題，現(xiàn)場應(yīng)用效果均不理想，現(xiàn)市面上還沒有真正滿足井下實際應(yīng)用需求的在線式乳化液濃度傳感器。

1 密度法原理

密度法通過測量乳化液的密度來計算乳化液濃度，而密度由U形管振蕩法數(shù)字密度計測得。常溫下水密度為1.00 g/cm3,各種乳化油的密度隨品牌和牌號的不同在1.04～1.14 g/cm3變化。2種物質(zhì)混合后，混合液的密度應(yīng)介于油與水密度之間,且密度越接近于油，濃度越大。密度的大小能表征濃度的高低。

U管振蕩法測量密度的原理如圖1所示，每根U形管都有其固有的特征頻率，振蕩激勵電路激勵U形管發(fā)生振蕩時，當激勵頻率與U形管特征頻率一致時會發(fā)生共振。向U形管里注入不同的液體后，共振頻率會隨液體質(zhì)量而變化。周期是頻率的倒數(shù)，振蕩周期可表示為

式中ρ為U形管內(nèi)被測液體密度，g/cm3；Vc為U形管體積，cm3；mc為U形管的質(zhì)量，g；K為U形管的特征參數(shù)，g/s2。

圖1 U形管振蕩示意圖

因此,只要測得振蕩周期就可以測定U形管內(nèi)液體質(zhì)量，而U形管體積是固定的，可以測得密度。1967年，奧地利安東帕(Anton Paar)公司的發(fā)明了第一種采用振蕩 U 形管振蕩法的數(shù)字密度計。經(jīng)過近50年的發(fā)展，該方法已經(jīng)很成熟，測量精度為0.000 01 g/cm3。采用數(shù)字密度計對常用乳化液測得密度—濃度曲線如圖2所示。

圖2 常用乳化液密度—濃度曲線(常溫)

2 硬件設(shè)計

傳感器硬件框圖如圖3所示，采用LPC1758作核心控制器，數(shù)字密度計通過RS—232接口與CPU通信，Pt100溫度檢測模塊經(jīng)由信號調(diào)理電路，A/D采用送給CPU，用于測量乳化液溫度。濃度測試結(jié)果最終通過RS—485接口給出。電源部分采用LMZ14203 DC—DC控制器，從12 V本安電源轉(zhuǎn)換為5，3.3 V。5 V主要給數(shù)字密度計供電，3.3 V給主板和通信接口供電。為滿足井下防爆要求，本產(chǎn)品按本質(zhì)安全型防爆形式設(shè)計。

圖3 傳感器硬件框圖

3 軟件設(shè)計

傳感器軟件基于μC/OS—II操作系統(tǒng)平臺,分成硬件驅(qū)動、系統(tǒng)、應(yīng)用3層。

在應(yīng)用層設(shè)計數(shù)據(jù)采集、RS—485通信、模式切換、參數(shù)配置等任務(wù)，任務(wù)的執(zhí)行和調(diào)度交由操作系統(tǒng)管理。傳感器與外部設(shè)備間采用Modbus協(xié)議傳遞測試結(jié)果。軟件結(jié)構(gòu)和流程分別如圖4、圖5所示。

圖4 傳感器軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5 傳感器軟件流程圖

4 樣機測試

4.1 與折光法產(chǎn)品對比測試

密度法濃度傳感器樣機、常用某品牌折光法傳感器產(chǎn)品的對比。測量結(jié)果如表1所示，密度法傳感器樣機測試最大絕對誤差為0.068 %，絕對誤差平均值為0.015 %，標準差為0.000 39，最大線性誤差為0.08 %；而市面主流的某品牌折光法產(chǎn)品測試最大絕對誤差0.820 %，絕對誤差平均值為-0.530 %，標準差為0.001 93，最大線性誤差為-0.41 %?？梢娒芏确訖C在測量精度、一致性、線性度指標方面都比常用的折光法產(chǎn)品高出1個數(shù)量級，明顯占優(yōu)。

表1 密度法樣機與某品牌折光法產(chǎn)品對比測試結(jié)果

4.2 井下工業(yè)性試驗

該密度法乳化液濃度傳感器樣機已在伊泰酸刺溝煤礦6上111面進行了長達3個月的井下工業(yè)性試驗，測量精度和產(chǎn)品可靠性都達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了現(xiàn)場乳化液濃度的在線精確監(jiān)測，使用效果良好。

5 結(jié)束語

本文基于密度法原理研制了一種滿足煤礦井下在線檢測乳化液濃度應(yīng)用需求的傳感器樣機。地面實驗室測試的結(jié)果顯示該樣機用于極索MS10—5(G)型乳化液濃度測試時最大絕對誤差為0.068 %，絕對誤差平均值為0.015 %，標準差為0.000 39，最大線性誤差為0.08 %。各項指標與市面常用的折光法產(chǎn)品比均提高1個數(shù)量級。井下工業(yè)性試驗結(jié)果表明密度法乳化液濃度傳感器測試精度高、結(jié)果一致性、線性度好、性能穩(wěn)定，滿足實際使用需求，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻:

[1] 張慶林.煤礦用乳化液高精度自動配比裝置的研究 [D].太原：太原理工大學,2009.

[2] 王正良，趙大慶，唐 兵,等.乳化液濃度自動檢測配比系統(tǒng)[J].中國礦業(yè)大學學報,1994(1):9-15.

[3] 王 東,王 兵,李昌禧，等.超聲波技術(shù)檢測乳化液濃度的機理與實驗[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報,2004,16(2):8-11.

[4] 趙四海,李文昌,李 明，等.采用檢測光學混濁度確定乳化液濃度方法的研究[J].煤炭學報,2011(1):157-160.

[5] 張維華,閆相宏.基于CCD的乳化液濃度實時檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子質(zhì)量,2011(11):3-5.

[6] 任 偉.U形管振蕩法檢測乳化液濃度的可行性分析[J].煤礦機械,2013(2):109-110.

[7] 趙四海,王 琦,劉志強.國內(nèi)乳化液濃度檢測與自動配比技術(shù)研究進展[J].工礦自動化,2012(8):5.