基于RAYCMLTV探头的矿用测温传感器设计*
2020-12-28谭长森张智宇
谭长森，张智宇
(天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)
0 引言
煤矿矿井环境热源主要有巷道围岩放热、设备运行、摩擦时的放热，矿井水放热等。其中巷道围岩放热是巷道热源的首要来源。矿井通风是降低巷道温度的主要途径[1]。通风系统、降温系统根据巷道温度实时调节矿井进风量、制冷量。因此,温度的精确测量对矿井通风系统和降温系统的运行有着关键的影响。
目前煤矿测温使用的温度传感器探头采用铂热电阻形式[2]。该铂热电阻使用时间过长会导致老化现象，使温度的测量误差越来越大。针对以上缺点，经分析研究,设计了一种基于RAYCMLTV探头矿用温度传感器。该传感器能实时、准确地测量巷道温度和其他被测物体的温度，并具有就地显示和数据远传的功能。
1 RAYCMLTV探头简介
CM测温探头是美国雷泰公司研发的高性能迷你红外测温系列探头，专为工业设备用户的多种应用需求选择。该测温探头具有测温温度范围广、精度高、体积小、输出模式多等优点；具有表现的：
1) 测温范围广。范围可达-50～500 ℃，满足绝大部分民用场合的需求。
2) 信号输出模式多。0～5 V、J型或K型热电偶输出、RS-232输出及报警输出。
3) 通过RS-232通信接口,可以远程控制、设置探头参数。
4) 内置故障灯。当探头在不同状态工作时，指示灯会发出不同灯光，方便用户查找问题。
RAYCMLTV探头为CM探头系列中的一种，输出信号为0～5 V模拟信号。该信号输出形式方便进行二次开发、处理。其整体设计采用不锈钢机身，防护等级可达IP65，在没有防水防尘的环境中依然可以正常工作。以上这些特点使得RAYCMLTV探头成为CM探头系列中应用最广泛的探头之一。
2 传感器的硬件电路设计
基于测温RAYCMLTV探头的传感器硬件设计由电源本质安全型处理、探头信号处理、信号传输3部分组成。
2.1 供电电源的本质安全型处理
煤矿井下环境特殊，开采过程中会产生瓦斯等有害气体，故煤矿井下严禁有火花产生。传感器的供电必须由矿用本质安全型电源进行供电，传感器的供电电源部分也需要对本质安全型电源进行二次处理[3]。图1为电源设计原理图。其外部电源的输入为VIN;电容C2～C4的作用为去除外部电源的谐波成分;电源稳压器D1的作用为消除外部供电电源波动对传感器稳定运行产生的影响;外部电压经稳压器D1后输出V16，为内部元器件提供电源。
2.2 探头信号处理
探头的信号采集和数据处理部分为整个传感器设计的核心，决定了传感器测量数据二次处理后是否准确、稳定[4,5]。图2为该部分电路的原理图。图2中针脚16为RAYCMLTV探头的0～5 V信号出入。单片机D2选用MSP430F2132微处理器，经算法处理后输出3种信号，分别为200～1 000 Hz频率信号、RS-485信号和CAN信号。其中：频率信号一般接入就地显示装置，用于温度数据的就地显示；RS-485信号和CAN信号用于远程传输。
图1 传感器电源设计原理
图2 探头信号处理部分原理
2.3 信号传输
经过MSP430F2132微处理器处理后的温度信号,可以将数据送往显示屏进行温度的就地显示。变换为总线接口形式传输的数据,可以接入其他控制系统，或者将信号远程传输到上位机等设备进行显示、处理[6]。图3为采用CAN总线的传输电路原理图[4]。温度信号经微处理器变换成CAN信号后，经过芯片D6进行电气隔离。隔离后的信号经CAN收发器D7后进行远程传输。CAN匹配电阻R60的作用是改善远距离信号传输的效果，增加信号传输的距离。
3 传感器的软件设计
矿用测温传感器的数据处理软件分为数据采集、数据转换、远程传输等部分，主程序是整个软件的核心[7]。程序的设计质量直接影响传感器的性能。主程序通过调用各子程序来完成相应的功能。整个软件通过控制语句、函数等模块，将各子程序有机组合起来。传感器软件主程序流程如图4所示。
图3 CAN总线传输接口原理
图4 测温传感器软件程序流程
由图4可知,测温传感器通电后，系统自动进入自检状态，自检正常后，微处理器采集RAYCMLTV探头输出的信号，进行相应的算法处理，然后转换为频率、RS-485等各种形式的信号制式进行输出。
4 现场验证情况
温度传感器硬件及软件设计完成后，在实验室对空气、固体和液体进行了实际的温度测量。传感器采用矿用本质安全型电源供电，输入供电电压为DC18 V。通过加热等方法改变实验室被测物体的温度。对传感器测量的数值和经计量的温度检测仪的数据进行比较。多次试验表明，温度传感器所测温度数值和温度检测仪所测温度的误差在设计允许的范围内。
采用RAYCMLTV探头的温度传感器经实验室验证通过后进行了安标送审检验。获取安标证书后,在国内多个煤矿进行了巷道空气温度测量、带式输送机运转的滚筒温度测量、采空区内温度等各种形式的试验。将测量结果与经过计量的便携式温度检测仪进行了对比。结果表明，采用RAYCMLTV探头的温度传感器测量的数值符合相关标准的要求，完全满足煤矿井下测量温度的需求。
5 结论
基于RAYCMLTV探头的温度传感器，主要通过MSP430F2132微处理器,将RAYCMLTV探头测量的温度信号经相应算法,转换为模拟量信号和RS-485等形式的总线信号进行显示和远程传输。该传感器经实验室、安标送审检验、多个矿井实地验证。经结果表明，基于RAYCMLTV探头的温度传感器测量温度信号具有响应实时性好、准确度高、远程传输等特点，为煤矿企业的安全生产提供了可靠的保障。
