基于RAYCMLTV探頭的礦用測溫傳感器設計*

譚長森，張智宇

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦礦井環境熱源主要有巷道圍巖放熱、設備運行、摩擦時的放熱，礦井水放熱等。其中巷道圍巖放熱是巷道熱源的首要來源。礦井通風是降低巷道溫度的主要途徑[1]。通風系統、降溫系統根據巷道溫度實時調節礦井進風量、制冷量。因此,溫度的精確測量對礦井通風系統和降溫系統的運行有著關鍵的影響。

目前煤礦測溫使用的溫度傳感器探頭采用鉑熱電阻形式[2]。該鉑熱電阻使用時間過長會導致老化現象，使溫度的測量誤差越來越大。針對以上缺點，經分析研究,設計了一種基于RAYCMLTV探頭礦用溫度傳感器。該傳感器能實時、準確地測量巷道溫度和其他被測物體的溫度，并具有就地顯示和數據遠傳的功能。

1 RAYCMLTV探頭簡介

CM測溫探頭是美國雷泰公司研發的高性能迷你紅外測溫系列探頭，專為工業設備用戶的多種應用需求選擇。該測溫探頭具有測溫溫度范圍廣、精度高、體積小、輸出模式多等優點；具有表現的：

1) 測溫范圍廣。范圍可達-50～500 ℃，滿足絕大部分民用場合的需求。

2) 信號輸出模式多。0～5 V、J型或K型熱電偶輸出、RS-232輸出及報警輸出。

3) 通過RS-232通信接口,可以遠程控制、設置探頭參數。

4) 內置故障燈。當探頭在不同狀態工作時，指示燈會發出不同燈光，方便用戶查找問題。

RAYCMLTV探頭為CM探頭系列中的一種，輸出信號為0～5 V模擬信號。該信號輸出形式方便進行二次開發、處理。其整體設計采用不銹鋼機身，防護等級可達IP65，在沒有防水防塵的環境中依然可以正常工作。以上這些特點使得RAYCMLTV探頭成為CM探頭系列中應用最廣泛的探頭之一。

2 傳感器的硬件電路設計

基于測溫RAYCMLTV探頭的傳感器硬件設計由電源本質安全型處理、探頭信號處理、信號傳輸3部分組成。

2.1 供電電源的本質安全型處理

煤礦井下環境特殊，開采過程中會產生瓦斯等有害氣體，故煤礦井下嚴禁有火花產生。傳感器的供電必須由礦用本質安全型電源進行供電，傳感器的供電電源部分也需要對本質安全型電源進行二次處理[3]。圖1為電源設計原理圖。其外部電源的輸入為VIN;電容C2～C4的作用為去除外部電源的諧波成分;電源穩壓器D1的作用為消除外部供電電源波動對傳感器穩定運行產生的影響;外部電壓經穩壓器D1后輸出V16，為內部元器件提供電源。

2.2 探頭信號處理

探頭的信號采集和數據處理部分為整個傳感器設計的核心，決定了傳感器測量數據二次處理后是否準確、穩定[4,5]。圖2為該部分電路的原理圖。圖2中針腳16為RAYCMLTV探頭的0～5 V信號出入。單片機D2選用MSP430F2132微處理器，經算法處理后輸出3種信號，分別為200～1 000 Hz頻率信號、RS-485信號和CAN信號。其中：頻率信號一般接入就地顯示裝置，用于溫度數據的就地顯示；RS-485信號和CAN信號用于遠程傳輸。

圖1 傳感器電源設計原理

圖2 探頭信號處理部分原理

2.3 信號傳輸

經過MSP430F2132微處理器處理后的溫度信號,可以將數據送往顯示屏進行溫度的就地顯示。變換為總線接口形式傳輸的數據,可以接入其他控制系統，或者將信號遠程傳輸到上位機等設備進行顯示、處理[6]。圖3為采用CAN總線的傳輸電路原理圖[4]。溫度信號經微處理器變換成CAN信號后，經過芯片D6進行電氣隔離。隔離后的信號經CAN收發器D7后進行遠程傳輸。CAN匹配電阻R60的作用是改善遠距離信號傳輸的效果，增加信號傳輸的距離。

3 傳感器的軟件設計

礦用測溫傳感器的數據處理軟件分為數據采集、數據轉換、遠程傳輸等部分，主程序是整個軟件的核心[7]。程序的設計質量直接影響傳感器的性能。主程序通過調用各子程序來完成相應的功能。整個軟件通過控制語句、函數等模塊，將各子程序有機組合起來。傳感器軟件主程序流程如圖4所示。

圖3 CAN總線傳輸接口原理

圖4 測溫傳感器軟件程序流程

由圖4可知,測溫傳感器通電后，系統自動進入自檢狀態，自檢正常后，微處理器采集RAYCMLTV探頭輸出的信號，進行相應的算法處理，然后轉換為頻率、RS-485等各種形式的信號制式進行輸出。

4 現場驗證情況

溫度傳感器硬件及軟件設計完成后，在實驗室對空氣、固體和液體進行了實際的溫度測量。傳感器采用礦用本質安全型電源供電，輸入供電電壓為DC18 V。通過加熱等方法改變實驗室被測物體的溫度。對傳感器測量的數值和經計量的溫度檢測儀的數據進行比較。多次試驗表明，溫度傳感器所測溫度數值和溫度檢測儀所測溫度的誤差在設計允許的范圍內。

采用RAYCMLTV探頭的溫度傳感器經實驗室驗證通過后進行了安標送審檢驗。獲取安標證書后,在國內多個煤礦進行了巷道空氣溫度測量、帶式輸送機運轉的滾筒溫度測量、采空區內溫度等各種形式的試驗。將測量結果與經過計量的便攜式溫度檢測儀進行了對比。結果表明，采用RAYCMLTV探頭的溫度傳感器測量的數值符合相關標準的要求，完全滿足煤礦井下測量溫度的需求。

5 結論

基于RAYCMLTV探頭的溫度傳感器，主要通過MSP430F2132微處理器,將RAYCMLTV探頭測量的溫度信號經相應算法,轉換為模擬量信號和RS-485等形式的總線信號進行顯示和遠程傳輸。該傳感器經實驗室、安標送審檢驗、多個礦井實地驗證。經結果表明，基于RAYCMLTV探頭的溫度傳感器測量溫度信號具有響應實時性好、準確度高、遠程傳輸等特點，為煤礦企業的安全生產提供了可靠的保障。