基于熱式原理的礦用缺水傳感器的設(shè)計

王祖迅

（中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶400039）

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》的要求，在高瓦斯及突出礦井必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)或井下臨時抽采瓦斯系統(tǒng)，通過抽采泵、循環(huán)水泵、電動閥、抽采管網(wǎng)等設(shè)備將井下煤層中賦存的瓦斯氣體抽到地面進行利用或排空，減少煤礦井下災(zāi)害事故的發(fā)生[1-2]，目前煤礦上使用的抽采泵大多采用水環(huán)式真空泵[3-4]，水在真空泵工作過程中主要起到密封和冷卻的作用，當真空泵出現(xiàn)缺水時將造成抽采負壓下降，工作效率變低，如果真空泵缺水，在高速旋轉(zhuǎn)的過程中因為摩擦泵軸溫度會越來越高，有可能造成泵體內(nèi)瓦斯爆炸[5-7]，因此檢測抽采泵的缺水傳感器必須穩(wěn)定可靠。本文在分析目前缺水傳感器存在問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于熱式原理的缺水傳感器，并對該傳感器的檢測原理、整體設(shè)計、采樣電路和接口電路進行了詳細說明。

1 現(xiàn)有傳感器分析

1.1 電極式缺水傳感器

電極式缺水傳感器利用液體導(dǎo)電性來檢測供水管道中是否有水，其工作原理如圖1所示。

圖1 電極式缺水傳感器原理FIg.1 Schematic of electrode type water shortage sensor

該傳感器由進水管、出水管、積水箱、電極和檢測控制電路組成，抽放泵的供水從進水管道進入積水箱中，在積水箱中設(shè)置電極A和電極級B，當積水箱中的液位達到液位A，但未達到液位B時，電極A與電極B 不導(dǎo)通，檢測供水狀態(tài)為無水；當積水箱中的液位達到液位B時，電極A與電極B 導(dǎo)通，檢測供水狀態(tài)為有水，當積水箱出現(xiàn)堵塞，積水箱有積水的情況下一直誤認為供水正常，因此采用該原理設(shè)計的缺水傳感器不能檢測供水是否是動態(tài)水流。

1.2 靶式缺水傳感器

靶式缺水傳感器的設(shè)計原理是，利用干簧管在外加磁場時會在2 片簧片端點位置附近產(chǎn)生不同的極性，不同極性的簧片將互相吸引并閉合，其工作原理如圖2所示，此類傳感器由擋板、磁鐵、干簧管探頭和檢測控制電路組成，在進水管道中安裝擋板，在擋板的最下端安裝一磁鐵，在供水管道中沒有水流流過時，在擋板和磁鐵自身重力作用下，擋板自然下落，這時干簧管未被磁化，檢測的供水狀態(tài)為無水；在供水管道中有水流流過時，由于水流壓力的作用，擋板在順水流方向形成一定的角度，此時擋板上的磁鐵與干簧管檢測探頭接觸，干簧管的簧片被磁化，檢測的供水狀態(tài)為有水。

圖2 靶式缺水傳感器原理Fig.2 Schematic of target water shortage sensor

采用此類傳感器可以檢測流動的水流，但抽采泵的供水多使用循環(huán)水，其水質(zhì)較差且容易結(jié)垢，在長期的供水過程中容易出現(xiàn)傳感器擋板與干簧管檢測探頭被水垢粘結(jié)到一起，或磁鐵被大量水垢覆蓋后，出現(xiàn)磁性減弱，不能磁化干簧管，出現(xiàn)常有水和常無水現(xiàn)象。

2 熱式缺水傳感器設(shè)計

2.1 檢測原理

熱式缺水傳感器的檢測原理如圖3所示，在抽采泵供水管路中設(shè)置2個鉑電阻，利用恒功率測量法，一個鉑電阻用于加熱介質(zhì)溫度，另一個鉑電阻用于溫度測量，根據(jù)介質(zhì)流動時要帶走鉑電阻表面的溫度來檢測2個鉑電阻溫差，判斷供水管道中是否有介質(zhì)流動。

圖3 熱式缺水傳感器檢測原理Fig.3 Schematic of thermal water shortage sensor detection

在加熱器上加一個恒定的功率對測速鉑電阻加熱，流體在靜止時測速鉑電阻和測溫鉑電阻表面溫度差ΔT21最大，ΔT21為

隨著介質(zhì)的流動，2個鉑電阻表面溫度差減小，流體的流量越大，2個鉑電阻的溫差越小，根據(jù)熱擴散原理，加熱電阻被帶走的熱量與加熱電阻和水的溫差、水流速度和水的介質(zhì)有關(guān)[8-14]。若加熱電阻與水的溫差為ΔT，加熱電阻被水帶走的熱量為Q，則有

式中：ρ為水的密度；v為流速；對于介質(zhì)成分一定的流體，k1，k2，k3為常數(shù)。

在橫截面S的管路中，質(zhì)量流量為

在實際測量過程中，測速鉑電阻被電流I 加熱，在熱平衡狀態(tài)下，電流的加熱功率與測速鉑電阻被帶走的熱量處于平衡狀態(tài)，即

因此質(zhì)量流量qm與Q/ΔT21呈一一對應(yīng)的關(guān)系，即

2.2 總體設(shè)計

缺水傳感器的整體架構(gòu)如圖4所示，該傳感器主要由微處理器、顯示電路、通訊電路、電源電路、接口電路、采樣電路、加熱電阻和測量電阻等組成。其中，微處理采用ARM 嵌入式芯片，主要負責(zé)整個傳感器的運算、處理、顯示以及輸出等；顯示電路主要通過數(shù)碼管指示抽采泵的有水或無水狀態(tài)；接口電路主要負責(zé)對外提供RS485總線接口和無源觸點輸出接口，方便與其他DCS 聯(lián)網(wǎng)；電源電路主要把來自電源箱的24 V 電壓等級的直流電變換成17.3 V/5 V/3.3 V等電壓等級，供微處理器和運行放大器使用；采樣電路主要負責(zé)產(chǎn)生恒流源供給加熱電路和測量電路，檢測2個鉑電阻間溫度的變化，經(jīng)過運算放大器放大后進入微處理器。

圖4 缺水傳感器的整體架構(gòu)Fig.4 Overall structure of water shortage sensor

3 電路設(shè)計

3.1 采樣檢測電路設(shè)計

缺水傳感器采樣電路原理如圖5所示，該采樣電路主要由恒流源電路、測量檢測差動放大電路和加熱電路組成。

圖5 采樣檢測電路原理Fig.5 Schematic of sampling detection circuit

在傳感器設(shè)計中，為防止測量電阻發(fā)熱而導(dǎo)致測量不準，要求檢測電路通過的電流很小，一般不大于4 mA，由OP1，R7，T2 組成的1 mA 恒流源供給檢測電路；通過加熱電阻的電流要求應(yīng)大得多，一般超過50 mA，考慮到傳感器的功耗，由OP2，R27，T5 組成的40 mA 恒流源供給加熱電阻；由于采用恒流源進行加熱，在計算時忽略加熱電阻RJ1隨溫度的變化造成誤差，由OP3，OP4，OP5 組成二級40倍的差動放大電路對測量電壓進行放大，電路中Vc3，Vc4，Vo的電壓分別為

3.2 RS485接口電路設(shè)計

傳感器對外提供了標準的RS485 通訊接口[15]，采用半雙工工作模式，其電路原理如圖6所示，電路主要采用美芯公司的MAX 1487 集成芯片，通過光電耦合器件與外圍電路進行隔離，并通過跳線在通訊線A，B間設(shè)置120 Ω的終端匹配電阻，當需要時插上跳線帽即可投入使用，采用TVS 管、正溫度系數(shù)電阻PTC（positive temperature coefficient）和氣體放電管作為三級防雷浪涌保護，防止浪涌信號進入微處理器，產(chǎn)生誤動動作，在電源負與地間加入安規(guī)電容，減少電源紋波，通過隔離和多重保護，從多個方面提高傳感器在通訊線路上的抗干擾能力。

圖6 RS485 通訊電路Fig.6 RS485 communication circuit

4 測試結(jié)果

通過遙控器可以對傳感器的上、下限閾值進行設(shè)置，在0.1 m/s 標準流速下設(shè)置傳感器的下限閾值，在0.5 m/s 標準流速下設(shè)置傳感器的上限閾值。完成設(shè)置后將傳感器放置于水流中測試，當供水流速小于0.1 m/s時，傳感器顯示為OFF 狀態(tài)，無源觸點輸出為斷開狀態(tài)；當供水流速大于0.5 m/s時，傳感器顯示為ON 狀態(tài)，無源觸點輸出為閉合狀態(tài)。缺水傳感器在不同流速下的測試數(shù)據(jù)見表1，缺水傳感器在供水流速<0.1 m/s時傳感器顯示（OFF）無水，供水流速>0.5 m/s時傳感器顯示（ON）有水，傳感器標定后在現(xiàn)場使用滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

針對電極式和靶式缺水傳感器在瓦斯抽采泵供水狀態(tài)檢測中容易出現(xiàn)檢測不準的問題，設(shè)計了基于熱式原理的礦用缺水傳感器，采用恒功率測量法，通過恒流源電路分別向測量鉑電阻提供1 mA的測量電流和向加熱鉑電阻提供40 mA的加熱電流，在保持加熱電阻功率恒定的同時避免由測量電流過大引起的誤差。通過在煤礦現(xiàn)場的實際運用表明，采用該原理設(shè)計的缺水傳感器在標準流速下標定后，檢測供水狀態(tài)準確，運行穩(wěn)定可靠，同時對外提供了RS485和無源觸點等多種標準接口，對實現(xiàn)瓦斯抽采泵的自動控制具有重要的意義。

表1 缺水傳感器在不同流速下的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of water shortage sensor at different flow rates