一种新型管道液位传感器的研究

天地（常州）自动化股份有限公司 蒋军庭

1.引言

随着煤矿安全生产以及减员增效理念的进一步发展，对矿井自动化的要求越来越高，其中井下用水的自动检测系统就是其中的一项重要组成部分，而系统的可靠性就需要靠各种传感器来保证。

矿用流量传感器主要是通过电磁、机械、压力等方式检测管道内液体流量大小的一种传感器，根据检测方式不同可以分为电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计、超声波流量计、容积流量计、差压式流量计等等，被大量应用于各行各业中。但是在判断低流量以及低流速方面一直没有相应的有效手段，以上的各种流量计都是基于一定的流量流速来检测的，但是对于流速流量较低或者液体静止的情况，测试结果不准确；因此研究一款能用于煤矿井下测试低流速低流量的管道液位传感器就显得尤为重要。

图1 电解原理图

本文主要研究目的是克服现有技术的不足，提供一种内部无运动固件、结构简单、安装方便、安全可靠、防护等级高，且可根据不同介电常数的液体相应调节检测灵敏度的矿用管道液位传感器，以提高煤矿生产的自动化水平。

2.电极式传感器原理

2.1 电极式液位传感器传感原理

电解是在电解槽中，直流电通过电极和电解质，在两者接触的界面上发生电化学反应的过程。电解质中的离子常处于无秩序的运动中，通直流电后，离子作定向运动（图1）。阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被还原；阴离子向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化。

井下用水大都为地下水，含有较多的钾、钠、镁等金属离子，是良好的导电介质。

2.2 液位传感器工作原理

如图2，用导电材料制作两个电极1a和1b作为探头元件，将管道的液体与两个电极构成一个电池模型，当有液体流过时，主控电路收集到信号，通过信号放大电路2-1传入到单片机2-2中，单片机进行运算处理，将结果输出到信号报警电路中2-4，由报警指示灯3-2指示（电源指示灯3-1在传感器接通电源后恒亮）；针对于不同的流速和流量的液体，在传感器调试时可根据实际状况适当的调节电位器，改变运算放大器正向输入端的电位（灵敏调节电路2-2），并输入到单片机中作为比较控制条件。

3.电极式流量传感器的结构设计

整个传感器外壳材质采用304L不锈钢，有良好的抗压及抗腐蚀性能；阴极和阳极的电极采用316L不锈钢制作，有较高的耐磨及抗腐蚀性；其结构如图3，传感器两侧直接与管道连接，内部无任何结构件或者运动结构件，管道内液体可直接流通，可靠性大大增加。

4.电极的腐蚀性研究

电极采用的是316L不锈钢，不锈钢不锈是因为在不锈钢中含有铬，铬会与空气发生钝化反应形成钝化膜，从而保护基体不受腐蚀。钝化膜由内外两层，即内层，表层或者。

电极在工作的过程中根据其条件的不同，在阳极和阴极都会产生电化学反应。

阳极在电解失去电子的同时，也会加大不锈钢中铬的钝化反应形成钝化膜，其反应式如下：

图2 液位传感器原理框图

图3 流量传感器的剖面结构图

阴极在发生还原反应的过程中，会有Cr离子还原成铬的氧化物或者氢氧化物沉积膜，其反应式如下：

电极工作时所通的电压为5V，相对来说是一个比较高的电位，此时阳极主要是铬发生钝化溶解，而Fe则处于钝态，其耐腐蚀性能得到保证。但是由于传感器工作环境的不同，如没有水、供电电压波动比较大、水浑浊等等状态，电解的过程会很复杂，这可能会造成铬钝化膜有点蚀的情形发生（即Fe发生了电化学反应），从而慢慢将电极腐蚀，当然这也是一个比较漫长的过程。为了提高传感器的使用寿命，工艺上在不影响导电性能的同时，在电极外部再镀上一层硬铬，使其基体能够得到更好的保护，经过长时间的试验验证，其腐蚀程度及导电性能均能满足使用条件。

5.结语

经过实验室及现场的测试，该电极式液位传感器外观精美、安装方便、性能稳定、操作简单等特点，能进行有效的检测，提高了检测系统的自动化水平，可用于矿井水泵控制、缺水保护、瓦斯抽放等应用系统中，在环保、节能减排要求日益严格的大环境下，矿井水处理抬上了一个新的台阶，因而该液位传感器具有较好的应用前景，目前已经在北徐楼煤矿、神华灵新煤矿、木城涧煤矿等矿上使用。

[1]贾发龙等.腐蚀与防护[J].2001,22(3):105-108.

[2]张俊喜等.中国腐蚀与防护学报[J].1998,18(4):311-315.

[3]曹楚南.腐蚀电化学[M].化学工业出版社,1994.

[4]张国雄,金篆芷主编.测控电路[M].机械工业出版社,2004.

[5]张建明主编.传感器与检测技术[M].机械工业出版社,1996.

[6]黄元庆主编.现代传感技术[M].机械工业出版社,2008.