矿用特殊水质水位传感器研究与设计

郭凌龙 柯书国 靳宝全

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西省晋城市，048006；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西省太原市，030024)

随着我国煤炭开采的不断延伸，煤矿水害造成的危害日益严重。水位传感器作为煤矿安全监控的一个重要组成部分，它的安全可靠工作具有重要意义。目前井下常用的水位传感器有浮子式、超声波式、电极式液位开关和压力式水位传感器等。浮子式水位传感器安装繁琐且不便在流动的水中测量；超声波式水位传感器测量精度受安装位置和水面漂浮物影响较大；电极式液位开关不能连续测量水位变化；压力式水位传感器在煤泥水等水质恶劣的情况下压力孔容易堵塞，造成传感器无法正常工作。

针对上述水位传感器存在的问题，本文设计了一种成本低、安装方便且能够在煤泥水等特殊水质环境下稳定工作的水位传感器，该水位传感器通过特制的配重柱和同轴电缆作为敏感元件，基于CAV444的电容-电压转换芯片转换，再通过相关算法处理，实现水位的实时测量。该水位传感器设计有CAN通信接口，测量的水位值能够通过CAN接口上传至监控单元。

1 矿用特殊水质水位传感器测量原理

矿用特殊水质水位传感器的传感部分主要有特制的不锈钢配重柱和同轴电缆组成，特制的不锈钢配重柱起隔离和拉伸同轴电缆的作用。同轴电缆由内而外分别由铜导体、绝缘介质、密编铜网和PVC护套四层结构组成。具体测量前，剥开同轴电缆一端使同轴电缆的铜导体与特制的不锈钢配重柱连接，密编铜网与铜导体和不锈钢配重柱之间通过配制的环氧树脂隔离绝缘。同轴电缆结构示意图如图1所示，矿用特殊水质水位传感器测量原理示意图如图2所示。

图1 同轴电缆结构示意图

图2 矿用特殊水质水位传感器测量原理示意图

由图2可以看出，矿用特殊水质水位传感器测量原理为同轴电缆铜导体与水之间通过配重柱连通，电容并联原理计算见式(1)：

CT=Ch1+Ch3+Ch4

(1)

式中：CT——同轴电缆待测的总电容，pF；

Ch1——铜导体与密编铜网作为电容两极形成的同轴圆柱形电容，pF；

h1——同轴电缆总长度，mm；

Ch3——浸入水中的同轴电缆部分密编铜网层与水作为电容两极形成的同轴圆柱形电容，pF；

h3——浸入水中的同轴电缆高度，mm；

Ch4——密编铜网与配重柱作为电容两极形成的同轴圆柱形电容，pF；

h4——配重柱的高度，mm。

根据式(1)和同轴圆柱形电容计算公式可得：

(2)

式中：ε3——密编铜网层与水之间的介电常数；

D1——同轴电缆PVC护套直径，mm；

D2——密编铜网直径，mm；

ε1——同轴电缆铜导体与密编铜网层间的介电常数；

D3——铜导体直径，mm；

ε4——密编铜网层与配重柱之间的介电常数；

b——同轴圆柱形电容Ch1和同轴圆柱形电容Ch4之和，pF。

由式(2)可以得出，在理想状况下电容与水位高度近似成线性关系。

2 矿用特殊水质水位传感器硬件设计

2.1 系统硬件组成

同轴电缆一端通过航空接头接入电路中，待测的总电容经电容-电压转换电路转换成标准的电压信号，电压信号经滤波处理，AD采集转换成数字信号输送到单片机，单片机内部通过相关算法程序的处理计算出实时的水位值，最后通过四位一体的数码管显示。由于环境状况和寄生电容等因素的影响，不可避免地容易造成电容值和水位高度之间存在线性误差，所以系统设计了红外遥控电路和按键电路互为冗余实现水位测量系统的非线性校准。当水位值达到设置的水位上限时报警电路实现报警的功能。同时设计了CAN通信电路，测量的水位值能够通过CAN通信电路上传至监控单元，由监控单元上传至地面集控中心，使监控人员及时了解井下积水点水位状况。矿用特殊水质水位传感器系统框图如图3所示。

图3 矿用特殊水质水位传感器系统框图

2.2 电容-电压转换电路设计

电容-电压转换模块选用德国进口的具有采集、处理以及电压输出功能的集成芯片CAV444，该芯片是专门用于电容信号测量的集成芯片，能实现10 pF～10 nF宽的电容检测，应用该集成芯片外接几个电阻电容可以调节输出电压的零点和放大比例，将所测量的电容转换成线性的电压输出。测量水位为10 cm时待测的总电容为368 pF，满量程时待测总电容为1598 pF，CAV444芯片完全能满足要求。

2.3 红外遥控电路设计

由于寄生电容和芯片性能等因素的影响，矿用特殊水质水位传感器在使用过程中有一定的线性误差，所以设计有红外遥控和按键电路用于系统的校准。采用1838T作为红外接收头，SC9149模块作为红外遥控系统的解码电路，校准时，红外接收头接收到红外遥控发送来的信号经SC9149模块解码输出不同的按键信号。

2.4 CAN通信电路设计

水位信息的及时上传对监控系统的安全可靠工作至关重要，因此设计了电容式水位传感器系统的CAN通信电路，水位传感器采集的水位信息通过CAN通信电路上传至监控单元。CAN通信电路示意图如图4所示。

图4 CAN通信电路示意图

本系统中CAN控制器选用Microchip公司的MCP2515，该器件支持CAN V2.0B协议规范，自带的两个接收缓存器和验收屏蔽和验收滤波寄存器可减少主单片机的工作负担，加大工作效率，并且MCP2515带有SPI接口，单片机通过标准的SPI命令对MCP2515进行读写操作。CAN收发器的功能是将控制器的逻辑电平和CAN总线的差分电平转换，常用的CAN收发器方案中需要光耦、电源隔离、收发器等器件实现带隔离的CAN收发器，该方案中选用自带隔离功能的集成芯片CT8251，其接口简单且使用方便。

3 矿用特殊水质水位传感器测量流程

矿用特殊水质水位传感器上电后，系统进入初始化阶段，完成相关寄存器的配置，由于寄生电容和CAV444转换芯片等因素的影响，电容值与液位不可避免存在一定的线性误差，为了减小线性误差带来的影响，系统采用插值法处理。水位测量流程示意图如图5所示。

图5 水位测量流程示意图

由图5可以看出，测量总量程可分为三段测量处理，系统完成初始化配置后，用红外遥控器或按键对水位传感器校准处理，具体做法为：将矿用特殊水质水位传感器竖直悬挂，在特制的配重柱刚好浸入水中时，采集起始量程值并保存；在同轴电缆浸入到总满量程的中间位置时，采集中间量程值并保存；在同轴电缆浸入到测量最大深度时，采集满量程值并保存，校准完成退出校准。当水位传感器正常工作时，对实时采集的电容值判断，采集电容小于起始值时，显示0 cm；采集电容值在起始量程值和中间量程值之间时，按起始量程值和中间量程值两个基准计算水位值；采集电容值在中间量程值和满量程值之间时，按中间量程值和满量程值两个基准计算水位值。采集计算的水位值都通过数码管实时显示并通过CAN接口发送至监控单元。采用插值法把测量过程分为三端处理，可在一定程度上消除寄生电容对系统造成的线性误差，使水位传感器的测量精度提高。

4 实验测试与分析

在实验室条件下，对矿用特殊水质水位传感器装置进行测量验证，使水位传感器保持竖直状态，当特制的配重柱刚好浸入水中时测得电容值为368 pF，此后，同轴电缆浸入水中每间隔5 cm测量一次电容值，将测得的电容值和参考水位值进行拟合，参考水位与总电容拟合曲线图如图6所示。

图6 参考水位与总电容拟合曲线图

图7 参考水位与电压曲线图

由图6可以看出，拟合的线性相关系数为0.99964，表明水位高度和电容值成高度线性关系。随着液位变化而线性变化的电容值经过CAV444芯片可转换成线性的电压值，与采集电容值过程相同，测得的电压值和参考水位值经过软件处理得到的参考水位与电压曲线图如图7所示。

输出的电压经过滤波处理后，由AD芯片转换电路将电压值转换成数字信号传输至单片机，单片机内部通过相关算法处理即可得到实时的水位值。

5 结语

矿用特殊水质水位传感器采用同轴电缆作为传感元件，通过特制的传感探头处理，经过线性电容-电压转换芯片处理及相关算法的处理实现了水位的实时测量。该水位传感器具有成本低、结构简单、灵敏性好以及环境适应能力强等特点，能够在煤泥水等特殊水质的环境下连续测量液位变化的特点。煤矿井下复杂的水质情况对矿用特殊水质水位传感器的实际应用都有新的要求，后期还要对该水位传感器的测量精度、量程等性能方面做更多深入的研究。

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