基于電容法的煤泥水濃度檢測裝置的設計

張 魯,劉海增,呂文豹

(安徽理工大學, 安徽 淮南 232001)

在選煤生產中,煤泥水濃度是一項非常重要的參數指標,煤泥水濃度的精確檢測對于提高生產效率,降低藥劑消耗等有著重要的意義[1]. 目前,煤泥水濃度測量方法主要有超聲波法、射線法、差壓法和電容法等。超聲波檢測法工作穩定,能連續在線檢測煤泥水濃度,但后期維護繁瑣,煤泥水中存在過多氣泡會導致檢測結果不準確;射線檢測法雖然后期很少需要維護,精度高,使用壽命長且性能相對穩定,但存在核輻射防護和環保等方面的問題;差壓式檢測法可實現煤泥水濃度的連續在線測量且對人體無危害,但由于壓力傳感器直接與煤泥水接觸,對傳感器的磨損和腐蝕比較嚴重,后期維護相對麻煩[2]. 電容法由于電容傳感器安裝在管道外部,實現非接觸測量,因此不會被腐蝕損壞,而且其結構簡單,容易制造,并且能被應用到各種環境中[3]. 利用電容容量與介電常數成一定函數關系,改變介電常數使得電容值變化,通過測量瞬時電容值并換算即可得到煤泥水濃度[4]. 本文利用傳感器技術結合單片機技術,設計了一種基于電容法測量煤泥水濃度的檢測裝置。

1 測量原理

系統設置的基本原理是基于平行板式電容傳感器,其由兩個平行極板組成,兩個極板間充滿介質,用電容傳感器測兩相流濃度時,兩相流流體作為介質存在于兩個極板間。平行板式電容傳感器見圖1,圖中S為兩個極板相互重合的面積,d為兩個極板之間的距離,ε為兩個極板間物質的介電常數。

圖1 平行板式電容傳感器圖

若忽略電容傳感器的邊緣效應,兩個極板間的電容量計算公式為:

(1)

式中:C為電容量,pF;ε為電極板間的介電常數;ε0為真空介電常數;εr為兩極板間介質的介電常數,pF/cm;S為兩極板相互覆蓋面積,cm2;d為兩極板間的間距,cm.

濃度測量裝置傳感器結構見圖2,將電容級板置于絕緣管道外面,把其中的一個平行極板與激勵電壓源相連接作為源電極,另一極板作為檢測電極。其原理是當煤泥水通過源電極和檢測電極形成的敏感電場時,固液流體混合物濃度(即等效介電常數)的變化將會引起電極電容值相應的變化,使測量煤泥水濃度問題轉化為檢測電容值的問題。為了得到精準穩定的電容數值,加一個屏蔽層用于屏蔽其他信號的干擾。

圖2 電容傳感器結構圖

煤泥水為固/液兩相流,設其等效介電常數為εeff,其中固體介電常數為εa,液體介電常數為εb,假設固體和液體混合均勻,則固/液兩相流的等效介電常數與固體和液體的體積有關,等效介電常數εeff可表示為:

(2)

式中:Va為固相體積;Vb為液相體積;V為被檢測部分固/液兩相流總體積,表示為:

V=Va+Vb

(3)

由式(2)和式(3)可得出:

(4)

(5)

式中:Cx為被測電容;k為特征系數,由電容傳感器的結構特性決定;Co為兩邊絕緣管道的電容值,其值為定值,因此被測電容與固相濃度α有關,且為線性關系。由式(5)可知,只要測出電容值Cx,即可得到煤泥水濃度。

2 硬件設計

2.1 硬件設計方案

系統硬件設計采用功能模塊化,通過電容將礦漿濃度信號轉換成電容量,為了精確測量電容值,將使用555定時器芯片與單片機構成多諧振蕩電路[5],將電容量轉換成頻率量送至單片機處理,運用算法編寫程序,計算出對應的電容值,最終再由電容值確定煤泥水濃度并送LCD1602液晶屏顯示。系統硬件設計方案見圖3.

[85] Yan Xuetong, “International Leadership and Norm Evolution”, The Chinese Journal of International Politics, Vol. 4, No. 3 (2011), pp. 233-264.

圖3 硬件設計方案圖

2.2 檢測電路模塊

系統檢測電路主要通過555定時器芯片構成多諧振蕩電路來實現,檢測電路見圖4. 當電容傳感器Cx通電后,輸入端電壓持續上升,達到2/3Vcc時,輸出端Uo躍變為低電平,內部三極管導通,電容Cx放電,其兩端電壓下降;當輸入端電壓降到1/3Vcc時,輸出端Uo躍變為高電平,同時內部三極管截止,電容Cx又被充上電,其兩端電壓上升。Cx充電放電所需的時間分別為:

圖4 555定時器構成多諧振蕩電路圖

tPH=(R1+R2)Cxln2

(6)

tPL=R2Cxln2

(7)

檢測電路輸出端得到方波信號,其頻率為:

(8)

根據以上3個公式可推出Cx:

(9)

2.3 單片機控制模塊

系統控制核心采用STC89C52單片機,通過與電源電路、復位電路和晶振電路組成單片機最小系統,電路見圖5. 在單片機的XTAL1和XTAL2口外接12 MHz石英晶振,在單片機內部產生12 MHz時鐘脈沖信號,旁邊的電容C1和C2通常取30 pF,起快速起振和穩定頻率作用。復位電路采用按鍵復位,由10 kΩ電阻與10 μF電容串聯,電容兩端并聯按鈕開關,按下按鈕開關時,系統會自動復位。

圖5 單片機最小系統圖

2.4 顯示模塊

設計顯示模塊采用液晶LCD1602,可靠性高、功耗低、壽命長,是一種廣泛使用的字符型液晶顯示模塊。其由5 V電壓驅動,用于數字、字母、符號等點陣式LCD顯示,其控制器通常采用HD44780和HD44100. LCD1602分為帶背光和不帶背光2種,該次設計采用帶背光,可顯示兩行,每行16個字符,不能顯示漢字,其內置192種字符,64個字節的自定義字符RAM,通訊方式為4或8位并口,單片機STC89C52的P0.0～P0.7、P2.5、P2.6、P2.7端口,分別與LCD1602的數據端和控制端連接。

3 軟件設計

系統設計使用的軟件為Keil uVision5,采用C語言編寫程序。軟件設計主要包括3個方面:初始化系統、數據采集和處理、數據顯示。該系統通過一個測量按鍵啟動整個測量程序,將電容量轉換成頻率量送單片機進行處理,再通過單片機軟件編程,對數據進行進一步的計算從而得出被測電容的值,并通過液晶LCD1602顯示出其測量的電容值,設計流程圖見圖6.

圖6 軟件流程圖

4 實驗與分析

實驗時以銅箔材料構成電容貼片,兩貼片對齊,左右間距相同,再固定在計量杯兩端,通過電極引出線連接到單片機,并在電容貼片外部加一層塑料薄膜,用于屏蔽其他信號,防止干擾實驗測量的精度和穩定性。在計量杯里加入300 mL水,然后加入5 g煤泥,攪拌均勻且穩定后,打開單片機開關,液晶顯示相應的電容數值,并記錄下來,再加入5 g煤泥,攪拌均勻后,記錄電容數值,重復實驗步驟,直到累計加到55 g煤泥,記錄后完成實驗。在實驗過程中,由于煤泥顆粒在自身重力作用下發生沉降,加上實驗室受到其他信號干擾,顯示的電容數值會有一個小范圍的波動,共做5組實驗,實驗數據見圖7,電容取5組數值的平均值。

圖7 煤泥與電容數值的關系圖

將實驗數據利用最小二乘法進行擬合,得到煤泥與電容的線性關系,其函數關系表達式為:

y=-0.410 9x+3 448.6

(10)

通過對實驗數據的分析和計算,發現當加入的煤泥達到25 g時,實際測量電容數值和擬合后的電容值誤差最大為1.93 pF.

在選煤廠實際應用中,煤泥水的濃度通常用每升含有多少克固體含量(g/L)來表示,公式如下:

(11)

式中:g為固體含量,g/L;T為煤泥水中固體煤泥的質量,g;V1為煤泥水中水的體積,mL;V2為煤泥水中固體煤泥的體積,cm3;δ為煤泥的密度,g/cm3,該次實驗用煤的密度取1.4. 由式(10)和式(11)可以得到擬合后煤泥水濃度g與電容值y的關系表達式:

(12)

根據式(2)標定實驗數據,見表1.

表1 實驗標定數據表

通過標定數據可知,當煤泥水實際濃度在20～160 g/L,都可以用該測量裝置先測出其電容值,再通過表1轉化為濃度。通常選煤廠的煤泥水濃度在60～120 g/L,最高不超過150 g/L,該實驗裝置可以滿足要求。

5 驗 證

選煤廠廣泛使用的煤泥水濃度測量方法是濃度壺法,該方法為間接測量法,即先測出煤泥密度及煤泥水質量,再間接算出煤泥水的濃度。為了對比這兩種測量方法,分別進行5次實驗。實驗具體步驟為:先將電子稱清零,測出濃度壺的重量,再依次稱取10 g、35 g、50 g、65 g和80 g干煤泥,并依次倒入500 mL的濃度壺內,緩慢加入清水,直到濃度壺溢流口有少量煤泥水流出為止,待停止流動時捂住溢流口,用抹布將濃度壺外壁擦拭干凈后稱重,并記入數據,通過濃度壺法計算公式算出濃度值。攪拌濃度壺內的煤泥水,防止發生沉降,再倒入計量杯,攪拌均勻且穩定后,通過電容檢測裝置測出電容值,并依次記入數據,通過式(12)計算出濃度值。通過計算5次實驗濃度的理論真值,將電容法和濃度壺法的測量數據與其進行對比,結果見表2.

表2 實驗數據對比表

根據表2計算平均相對誤差,濃度壺法和電容法測量數據的平均相對誤差分別為6.84%和6.04%,因此電容法測量煤泥水濃度準確度較高。

6 結 論

基于電容法的煤泥水濃度檢測裝置的設計,以單片機為核心,利用兩電容極板間煤泥水濃度變化會引起電容值的變化,通過測量電容值,間接測量煤泥水濃度。通過實驗得出該裝置在檢測時實現了非接觸式測量,操作簡便,并且煤泥水濃度與電容值呈現較好的線性關系,通過標定數據和擬合后的表達式,可以實時、快速地得出煤泥水濃度,且準確度較高。