礦用管道液位傳感器的改進

曲阜師范大學 高 原

山東省昌邑市環境保護局 陳雅妮

1 舊式管道液位傳感器原理以及存在的問題

離心泵啟動前需要判斷的是其泵體內部是否灌滿了水，而真空度只是一種間接反映指標，并不能準確無誤的檢測離心泵內部灌水情況，舊式管道液位傳感器設計的目的就是準確檢測泵體內是否有水。通過兩電極之間的直流電壓，在電解質中形成電場，使得電解液中離子做定向的運動形成電流，信號采集電路檢測出電流信號，同時對該信號進行濾波放大后傳給單片機。單片機進行運算處理，將結果發送至報警電路，同時能將開關量信號輸出至其他設備，儀器總體框圖如圖1所示。

圖1 儀器總體框圖

使用過程中問題主要有：工作過程中，兩電極持續供電，兩電極一直產生的電化學反應，陰極會有金屬的氧化物或者氫氧化物沉積膜，積累到一定階段，會導致儀器靈敏度下降；被測液體中往往含有很多固體雜質、堿雜質等懸浮物，它們會在陰極進行囤積，導致電極與液體接觸面積減小，甚至阻塞傳感器。舊式管道液位傳感器利用水的導電性這一特性來判斷是否有水，但是由于存在了電化學和吸附效應，使其使用壽命縮短。

2 新式管道液位傳感器工作原理

新式傳感器考慮通過采用交流脈沖電源供電方式，以減弱電化學效應，傳感器兩電極采用分時上電的方式。具體原理如圖2所示：通過單片機控制電路產生脈沖波形，在一個周期T的時間內，產生一個負脈沖，持續T1時間，在T1時間內采集離散信號；單片機控制電路電極處斷電，持續T2時間；在T3時刻，產生一個正脈沖電壓信號，且單片機采集離散信號；在T4時間內，單片機控制電路斷電。

圖2 新式管道液位傳感器工作原理圖

其中測量電路采用電壓比較器，當兩電極間被測量達到閥值時，發生電平轉換，輸出動作輸出。閥值選擇通過電位器調整，以適合不同的應用工況。為方便現場對不同工況條件的調整，設計了功能選擇電路，用于現場調整，當選擇為調整模式時，將傳感器置于工作環境中，調節閥值調節電位器，使指示電路動作，完成調節后，選擇到測試模式。信號處理電路核心選擇PIC單片機作為主控器，控制傳感器延時、靈敏度調節及動作輸出等功能。

3 硬件電路具體設計

圖3 信號采集部分電路具體設計圖

信號采集部分電路具體設計如圖3所示，X1、X2為兩電極，F1為瞬態抑制二極管，避免了來自電極的瞬態高能量沖擊。N2、N3為光耦繼電器，有效的將控制電路與外部電路實現完全隔離。U1A、U1B為集成運算放大器，U1A用作電壓跟隨器以提高電路輸入阻抗，U1B用作電壓比較器，VR1為電位器，用來調節測量的靈敏度。E1為TLP系列光耦，將采集信號與輸出信號進行隔離，并把信號傳送至單片機端。

單片機通過控制OE1以及OE2兩端的電平狀態來控制電極的狀態，具體控制方式如表1所示。

表1 單片機控制方式

圖4 信號輸出部分電路圖

信號輸出電路實現的功能為單片機輸出控制信號燈的亮滅，同時將信號傳送至其他設備。信號輸出部分電路如圖4所示，其中N1為光繼電器，與三極管等組成信號輸出電路，可以產生無源信號。通過兩個NPN三極管級聯，由單片機控制實現LED燈的亮滅。

圖5

4 實驗過程

通過示波器觀察記錄儀器在被測液體中的充放電情況：如圖5所示，在水中時，信號波形為一弧線，上電過程電阻值逐漸增大；當上電時間達到50ms后，被測信號基本穩定；當脈沖發送結束后，電極兩端信號維持一段時間且強度逐漸減弱。

通過實測，確定脈沖幅值與寬度，并確定在有脈沖時采樣最佳時刻：脈沖發送后50ms采樣，脈沖幅值5V，實測最佳。

如圖2所示，數據記錄如表2所示。

表2 數據記錄表

改進前后兩電極連續運行兩個月效果圖如圖6所示：

圖6 改進前后兩電極連續運行兩個月效果圖

5 改進結論

改進后的傳感器比改進前兩電極之間的電解吸附明顯減弱，使用壽命明顯增長，達到了預期效果。

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