礦用管道液位傳感器的改進(jìn)

曲阜師范大學(xué) 高 原

山東省昌邑市環(huán)境保護(hù)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(dòng)前需要判斷的是其泵體內(nèi)部是否灌滿了水，而真空度只是一種間接反映指標(biāo)，并不能準(zhǔn)確無誤的檢測(cè)離心泵內(nèi)部灌水情況，舊式管道液位傳感器設(shè)計(jì)的目的就是準(zhǔn)確檢測(cè)泵體內(nèi)是否有水。通過兩電極之間的直流電壓，在電解質(zhì)中形成電場(chǎng)，使得電解液中離子做定向的運(yùn)動(dòng)形成電流，信號(hào)采集電路檢測(cè)出電流信號(hào)，同時(shí)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波放大后傳給單片機(jī)。單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，將結(jié)果發(fā)送至報(bào)警電路，同時(shí)能將開關(guān)量信號(hào)輸出至其他設(shè)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(xù)供電，兩電極一直產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)，陰極會(huì)有金屬的氧化物或者氫氧化物沉積膜，積累到一定階段，會(huì)導(dǎo)致儀器靈敏度下降；被測(cè)液體中往往含有很多固體雜質(zhì)、堿雜質(zhì)等懸浮物，它們會(huì)在陰極進(jìn)行囤積，導(dǎo)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(dǎo)電性這一特性來判斷是否有水，但是由于存在了電化學(xué)和吸附效應(yīng)，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(xué)效應(yīng)，傳感器兩電極采用分時(shí)上電的方式。具體原理如圖2所示：通過單片機(jī)控制電路產(chǎn)生脈沖波形，在一個(gè)周期T的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，持續(xù)T1時(shí)間，在T1時(shí)間內(nèi)采集離散信號(hào)；單片機(jī)控制電路電極處斷電，持續(xù)T2時(shí)間；在T3時(shí)刻，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖電壓信號(hào)，且單片機(jī)采集離散信號(hào)；在T4時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)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(cè)量電路采用電壓比較器，當(dāng)兩電極間被測(cè)量達(dá)到閥值時(shí)，發(fā)生電平轉(zhuǎn)換，輸出動(dòng)作輸出。閥值選擇通過電位器調(diào)整，以適合不同的應(yīng)用工況。為方便現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同工況條件的調(diào)整，設(shè)計(jì)了功能選擇電路，用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，當(dāng)選擇為調(diào)整模式時(shí)，將傳感器置于工作環(huán)境中，調(diào)節(jié)閥值調(diào)節(jié)電位器，使指示電路動(dòng)作，完成調(diào)節(jié)后，選擇到測(cè)試模式。信號(hào)處理電路核心選擇PIC單片機(jī)作為主控器，控制傳感器延時(shí)、靈敏度調(diào)節(jié)及動(dòng)作輸出等功能。

3 硬件電路具體設(shè)計(jì)

圖3 信號(hào)采集部分電路具體設(shè)計(jì)圖

信號(hào)采集部分電路具體設(shè)計(jì)如圖3所示，X1、X2為兩電極，F(xiàn)1為瞬態(tài)抑制二極管，避免了來自電極的瞬態(tài)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(shí)現(xiàn)完全隔離。U1A、U1B為集成運(yùn)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(diào)節(jié)測(cè)量的靈敏度。E1為TLP系列光耦，將采集信號(hào)與輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，并把信號(hào)傳送至單片機(jī)端。

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

表1 單片機(jī)控制方式

圖4 信號(hào)輸出部分電路圖

信號(hào)輸出電路實(shí)現(xiàn)的功能為單片機(jī)輸出控制信號(hào)燈的亮滅，同時(shí)將信號(hào)傳送至其他設(shè)備。信號(hào)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(hào)輸出電路，可以產(chǎn)生無源信號(hào)。通過兩個(gè)NPN三極管級(jí)聯(lián)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)LED燈的亮滅。

圖5

4 實(shí)驗(yàn)過程

通過示波器觀察記錄儀器在被測(cè)液體中的充放電情況：如圖5所示，在水中時(shí)，信號(hào)波形為一弧線，上電過程電阻值逐漸增大；當(dāng)上電時(shí)間達(dá)到50ms后，被測(cè)信號(hào)基本穩(wěn)定；當(dāng)脈沖發(fā)送結(jié)束后，電極兩端信號(hào)維持一段時(shí)間且強(qiáng)度逐漸減弱。

通過實(shí)測(cè)，確定脈沖幅值與寬度，并確定在有脈沖時(shí)采樣最佳時(shí)刻：脈沖發(fā)送后50ms采樣，脈沖幅值5V，實(shí)測(cè)最佳。

如圖2所示，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)記錄表

改進(jìn)前后兩電極連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月效果圖如圖6所示：

圖6 改進(jìn)前后兩電極連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月效果圖

5 改進(jìn)結(jié)論

改進(jìn)后的傳感器比改進(jìn)前兩電極之間的電解吸附明顯減弱，使用壽命明顯增長(zhǎng)，達(dá)到了預(yù)期效果。

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