矿用数字式水位传感器设计

陈二军

摘要： 针对煤矿井下水仓常用的水位传感器不能满足测量要求的问题，设计了一种矿用数字式水位传感器，介绍了该水位传感器的测量原理，详细阐述了该水位传感器的系统硬件设计和系统软件设计。实验测试和分析表明，该传感器具有测量精度高、适应性强、可靠性高、抗干扰能力强等特点，适合于矿用水位的监测。

关键词： 矿用;数字式;水位监测

【中图分类号】 TD67【文献标识码】A【文章编号】1674-3733（2020）16-0211-01

1引言

随着我国煤矿开采规模的不断扩大，其开采受到很多条件的限制，其中煤矿井下水造成的危害一直威胁着煤矿的安全生产。水位传感器是煤矿安全监测的重要组成部分之一，对煤矿水位的实时安全检测对防止煤矿水灾事故的发生具有重要意义。现在煤矿井下常用有浮球式水位传感器，装配工艺较为复杂，易积累水垢，不易清洗，精度低可靠性低，在使用一段时间后易出现浮球卡死的情况;超声波式水位传感器在测量时，声波下面不宜有障碍物且容易产生盲区造成测量不精准;电极式液位开关，不能连续侦测出水位间变化的差值;在水质杂质较多的情况下压力式水位传感器容易堵塞压力孔，使得无法正常工作。针对这些问题，本文提出并设计了一种精度高、使用方便、能够在复杂水质环境下稳定工作的液位传感器。提出了系统的总体设计方案，具体讲述了系统的理论依据、实现方法、软硬件设计等。

2基本工作原理

水位传感器种类主要分为直接接触式和非接触式两种。直接接触式有浮球式、磁性、投入式、单法兰静压/双法兰差压、电容式水位传感器等。非接触式有雷达液位计和超声波液位计等。本文采用的是投入式液位传感器，是一种测量压力的传感器。

投入式液位传感器的基本检测原理是根据被测液体静压与高度成比例的原理，将变化的水位信号转换为相应变化电信号。一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大，补偿电路补偿，检测其变化量，进行数据处理，最后将其转换成水位数值[1]。

3硬件设计

水位传感器根据水位传感元件的工作原理进行设计，主要由驱动电源模块、水位传感元件模块、通信模块、显示模块、红外遥控模块、处理器单元模块、频率输出模块及控制输出模块组成，硬件系统总体框图如图1所示。

电源驱动模块为整个传感器供电，水位传感元件模块是通过水位敏感元件检测煤矿水仓中的实际水位，将其转换成电信号，通过处理器差分信号采集进行数据处理，将处理后的最终结果即水位的实际值传输到显示模块，根据实际输出信号的要求转换成频率信号，通过频率输出模块输出或者数字信号通过通信模块输出[2]。

3.1电源驱动模块。

电源驱动模块主要由电源控制单元将外部电源供电进行处理，将其分成两部分，一是给处理器单元及其外围电路供电，二是通过恒流源驱动电路输出恒流源给水位传感元件供电。电源模块电路结构框图如图2所示。

3.2水位传感元件模块。

水位传感元件模块主要有两部分组成，即水位传感元件和信号调理电路。为了减少外界对检测元件的干扰，水位传感元件采用恒流源方式进行驱动。该模块的主要功能是水位传感元件所在的水位位置经传感元件檢测后，将其转换对应的电信号，电信号经过信号调理电路，直接被处理器A/D差分采集单元采集。通过处理器的计算，对采集的信号进行滤波处理和抗干扰处理后转换成数字信号，可得到实测的水位值。

3.3通信电路模块。

通信电路模块主要依靠传感器与煤矿安全监控系统进行通信，数据交互组成网络。本文采用RS485接口，不仅可以实现点对点的通信方式，还可以实现联网功能。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，两线制接线方式为总线式拓朴结构，在同一总线上最多可以挂接32个结点[3]。

3.4其他模块。

处理器单元电路选用的是Cortex-M3微处理器系列的AduCM361，ADuCM360具有24位数据采集系统，在芯片上集成ADC、32位ARMCortex-M3处理器和存储器和RAM。该器件的两个ADC都可在全差分和单端模式下工作，每个ADC均连接到一个灵活的输入多路复用器。本文采用微处理器ADC全差分模式下工作，主要的功能是在水位传感元件工作时，对其信号的采集处理，将处理后得出的水位参数通过显示模块数码管进行显示，通过红外遥控模块对其进行传感器的参数设置，主要设置包括对传感器进行校准、报警参数、信号输出模式、控制输出模式、通信地址等。频率输出模块和控制输出模块，根据显示的水位值进行相应的频率或控制输出[4]。

4软件设计

水位传感器软件设计采用模块化的思路进行设计，主要包括参数初始化、红外遥控按键操作处理、水位传感元件信号采集处理、RS485通信等，软件流程如图3所示，端口参数初始化，红外按键是否处理，是否有水位信号，有则进行数据处理，显示，RS485输出。

5结束语

本文设计的是基于恒流源驱动方式实现水位的采集，该传感器采用Cortex-M3的处理器，内置24位ADC采集，且内部参考电压精度比较高，受环境温漂影响小。水位传感元件输出电信号通过处理器ADC差分端进行信号采集，数据分析处理，计算水位值，测试基本误差在满量程范围内远小于标准规范±0.2m的要求。实验结果表明，该传感器实时检测精度高、响应速度快，在长期稳定性和抗干扰等方面表现优异，标准信号输出方式不仅能单独使用，还可以适用于多种安全监测系统。矿用水位传感器能连续监测液体的水位，实时显示被测点的水位值，满足于城市供排水、污水处理、地下水、水库、河道、海洋等水位监测领域的应用。

参考文献

[1]张海庆.矿用数字式水位传感器设计[J].煤炭与化工，2020，43（02）：87-89.

[2]张群.水封阻火泄爆装置水位传感器支管连接优化设计[J].能源与环保，2019，41（06）：86-88.

[3]熊远生，吴伟雄.高效水位传感器自动测试系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2019（02）：33-35+74.

[4]薛瑄，王宇，王东，张红娟，高妍，靳宝全.同轴电缆电容感测式水位传感器设计[J].仪表技术与传感器，2019（02）：9-13+17