基于RAYCMLTV探頭的礦用測溫傳感器設(shè)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(huán)境熱源主要有巷道圍巖放熱、設(shè)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(tǒng)、降溫系統(tǒng)根據(jù)巷道溫度實時調(diào)節(jié)礦井進風量、制冷量。因此,溫度的精確測量對礦井通風系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)的運行有著關(guān)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(dǎo)致老化現(xiàn)象，使溫度的測量誤差越來越大。針對以上缺點，經(jīng)分析研究,設(shè)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(shù)據(jù)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(fā)的高性能迷你紅外測溫系列探頭，專為工業(yè)設(shè)備用戶的多種應(yīng)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(yōu)點；具有表現(xiàn)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(shè)置探頭參數(shù)。

4) 內(nèi)置故障燈。當探頭在不同狀態(tài)工作時，指示燈會發(fā)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(fā)、處理。其整體設(shè)計采用不銹鋼機身，防護等級可達IP65，在沒有防水防塵的環(huán)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(yīng)用最廣泛的探頭之一。

2 傳感器的硬件電路設(shè)計

基于測溫RAYCMLTV探頭的傳感器硬件設(shè)計由電源本質(zhì)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(zhì)安全型處理

煤礦井下環(huán)境特殊，開采過程中會產(chǎn)生瓦斯等有害氣體，故煤礦井下嚴禁有火花產(chǎn)生。傳感器的供電必須由礦用本質(zhì)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(zhì)安全型電源進行二次處理[3]。圖1為電源設(shè)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(wěn)壓器D1的作用為消除外部供電電源波動對傳感器穩(wěn)定運行產(chǎn)生的影響;外部電壓經(jīng)穩(wěn)壓器D1后輸出V16，為內(nèi)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(shù)據(jù)處理部分為整個傳感器設(shè)計的核心，決定了傳感器測量數(shù)據(jù)二次處理后是否準確、穩(wěn)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(jīng)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(shù)據(jù)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(shè)計原理

圖2 探頭信號處理部分原理

2.3 信號傳輸

經(jīng)過MSP430F2132微處理器處理后的溫度信號,可以將數(shù)據(jù)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?shù)臄?shù)據(jù),可以接入其他控制系統(tǒng)，或者將信號遠程傳輸?shù)缴衔粰C等設(shè)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(jīng)微處理器變換成CAN信號后，經(jīng)過芯片D6進行電氣隔離。隔離后的信號經(jīng)CAN收發(fā)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?shù)男Ч?，增加信號傳輸?shù)木嚯x。

3 傳感器的軟件設(shè)計

礦用測溫傳感器的數(shù)據(jù)處理軟件分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遠程傳輸?shù)炔糠?，主程序是整個軟件的核心[7]。程序的設(shè)計質(zhì)量直接影響傳感器的性能。主程序通過調(diào)用各子程序來完成相應(yīng)的功能。整個軟件通過控制語句、函數(shù)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(tǒng)自動進入自檢狀態(tài)，自檢正常后，微處理器采集RAYCMLTV探頭輸出的信號，進行相應(yīng)的算法處理，然后轉(zhuǎn)換為頻率、RS-485等各種形式的信號制式進行輸出。

4 現(xiàn)場驗證情況

溫度傳感器硬件及軟件設(shè)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(zhì)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(shù)值和經(jīng)計量的溫度檢測儀的數(shù)據(jù)進行比較。多次試驗表明，溫度傳感器所測溫度數(shù)值和溫度檢測儀所測溫度的誤差在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

采用RAYCMLTV探頭的溫度傳感器經(jīng)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(nèi)多個煤礦進行了巷道空氣溫度測量、帶式輸送機運轉(zhuǎn)的滾筒溫度測量、采空區(qū)內(nèi)溫度等各種形式的試驗。將測量結(jié)果與經(jīng)過計量的便攜式溫度檢測儀進行了對比。結(jié)果表明，采用RAYCMLTV探頭的溫度傳感器測量的數(shù)值符合相關(guān)標準的要求，完全滿足煤礦井下測量溫度的需求。

5 結(jié)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(jīng)相應(yīng)算法,轉(zhuǎn)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(jīng)實驗室、安標送審檢驗、多個礦井實地驗證。經(jīng)結(jié)果表明，基于RAYCMLTV探頭的溫度傳感器測量溫度信號具有響應(yīng)實時性好、準確度高、遠程傳輸?shù)忍攸c，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)提供了可靠的保障。