專利名稱：礦用污水水位測量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及井下污水水位測量裝置，具體為一種礦用污水水位測量傳感器。
背景技術(shù)：
隨著煤礦井下自動(dòng)化排水技術(shù)的不斷提高，人們逐漸對(duì)井下污水水位測量的精確度提出了更高要求。傳統(tǒng)測量水位的傳感器有采用投入式壓差原理的水位 傳感器、超聲波式水位傳感器。投入式壓差原理的水位傳感器屬于靜壓液位測量，即液體介質(zhì)中，某一個(gè)深度產(chǎn)生的壓力就是測量點(diǎn)以上的介質(zhì)自身的重量所產(chǎn)生的，它與介質(zhì)的密度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣瘸烧龋ㄟ^公式P= P GH反映了他們之間的比例關(guān)系，其中P為壓力，P為介質(zhì)密度，G為重力加速度，H為測量點(diǎn)的深度。這種傳統(tǒng)水位傳感器的特征為必須在裝置底部設(shè)有壓力孔來感受壓差，遇到污泥或水質(zhì)較差情況時(shí)，壓力孔會(huì)發(fā)生堵塞從而造成測量誤差，因此無法適用于井下污水水位監(jiān)測。超聲波式水位傳感器是通過探測自身發(fā)出的超聲波被液面反射后的信號(hào)換算液面位置的。這種傳感器與介質(zhì)無直接接觸、耐腐蝕性強(qiáng)、精度較高、安裝簡便，缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴、超聲波受傳輸媒介的氣體成分影響較大、受容器幾何結(jié)構(gòu)特性影響較大，不適用于有氣泡或懸浮物的介質(zhì)，以及容易受電磁波干擾的問題，同時(shí)超聲波式水位傳感器的安裝條件和環(huán)境限制較大，尤其煤礦井下粉塵大的情況下會(huì)造成測量誤差。正是由于現(xiàn)有的常用水位測量傳感器裝置不適用于環(huán)境和所測液體介質(zhì)復(fù)雜的井下污水水位測量當(dāng)中，本實(shí)用新型特針對(duì)上述水位測量傳感器的缺點(diǎn)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。經(jīng)研究電容式液位傳感器是利用電容兩極板間電容值變化測量液面的高低，電容式液位傳感器具有體積小、易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)、適用于具有腐蝕性和污水環(huán)境，礦井水具有導(dǎo)電性且介電常數(shù)基本穩(wěn)定，因此非常適合運(yùn)用該原理進(jìn)行測量。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有水位測量傳感器用于井下特殊環(huán)境容易出現(xiàn)測量誤差的問題，提供一種礦用污水水位測量傳感器。本實(shí)用新型具體采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種礦用污水水位測量傳感器，包括傳感器箱體、傳感器探頭、電纜和紅外遙控器，電纜接入傳感器箱體，傳感器箱體內(nèi)部設(shè)有電容信號(hào)測量電路、單片機(jī)、電源保護(hù)與轉(zhuǎn)換電路、操作電路和輸出顯示電路；傳感器探頭連接傳感器箱體內(nèi)的電容信號(hào)測量電路；電容信號(hào)測量電路包括完成電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路、完成信號(hào)功率放大的放大電路以及抑制工頻干擾的低通濾波電路；電源保護(hù)電路包括電源極性識(shí)別電路和穩(wěn)壓電路；操作電路包括由紅外發(fā)送電路和紅外接收電路組成的紅外遙控電路、用于完成零點(diǎn)調(diào)整、滿刻度調(diào)整和量程范圍調(diào)整的按鍵電路、完成系統(tǒng)死機(jī)自啟動(dòng)的看門狗電路、用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)復(fù)位的復(fù)位電路。輸出顯示電路包括數(shù)碼顯示電路、頻率輸出電路和聲光報(bào)警電路。本實(shí)用新型采用電容式液位傳感器，選用聚四氟乙烯電纜采集電容信號(hào)，利用單片機(jī)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，單片機(jī)芯片與采集處理電路均設(shè)置于傳感器箱體內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)水位值的準(zhǔn)確測量。所述電容信號(hào)測量電路用于將煤礦井下污水水位的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變換，依靠傳感器探頭監(jiān)測電容變化，并通過其中的轉(zhuǎn)換電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行功率放大后經(jīng)低通濾波電路進(jìn)行低通濾波，最后輸出信號(hào)經(jīng)A/D采集送入單片機(jī)，由單片機(jī)完成運(yùn)算。所述傳感器探頭由配重及聚四氟乙烯電纜的特殊連接組成，具體為聚四氟乙烯電纜的一極與配重導(dǎo)通，另一極絕緣。所述配重由不銹鋼材料制成；所述聚四氟乙烯電纜應(yīng)為同軸電纜結(jié)構(gòu)。配重及聚四氟乙烯電纜連接時(shí)，配重與電纜引入線端 應(yīng)與水做隔離措施，可采用密封墊與環(huán)氧樹脂密封。所述電源保護(hù)與轉(zhuǎn)換電路主要實(shí)現(xiàn)電源極性反接保護(hù)及18V本安電源穩(wěn)壓至5V與3. 3V，為相關(guān)元件工作提供電源；所述操作電路中的紅外遙控電路主要包括紅外發(fā)送電路與紅外接收電路，和紅外遙控器配合使用完成非接觸控制和參數(shù)調(diào)整工作；按鍵電路主要完成零點(diǎn)調(diào)整、滿刻度調(diào)整、量程范圍調(diào)整；看門狗電路主要完成系統(tǒng)死機(jī)的自啟動(dòng)；復(fù)位電路主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)自動(dòng)復(fù)位；輸出顯示電路中的數(shù)碼顯示電路包括數(shù)碼管，主要完成井下污水水位值的實(shí)時(shí)顯示及參數(shù)調(diào)整信息；頻率輸出電路主要完成輸出信號(hào)以20(T1000Hz頻率輸出并具有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能力；聲光報(bào)警電路主要用高低水位異常報(bào)警。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提供的一種礦用污水水位測量傳感器具有精度高，線性好，采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確，并且具有優(yōu)良的密封和防腐性能。本裝置采用新型單片微機(jī)智能化控制技術(shù)，還具有工作穩(wěn)定、整機(jī)功耗小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其防爆型式為礦用本質(zhì)安全型，適合于煤礦爆炸環(huán)境中使用。

圖I為本實(shí)用新型所述一種礦用污水水位測量傳感器的系統(tǒng)原理框圖；圖2為本實(shí)用新型所述一種礦用污水水位測量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型所述傳感器箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖。
具體實(shí)施方式
一種礦用污水水位測量傳感器，包括傳感器箱體、傳感器探頭、電纜和紅外遙控器，電纜接入傳感器箱體，傳感器箱體內(nèi)部設(shè)有電容信號(hào)測量電路、單片機(jī)、電源保護(hù)與轉(zhuǎn)換電路、操作電路和輸出顯示電路，傳感器探頭連接傳感器箱體內(nèi)的電容信號(hào)測量電路；電容信號(hào)測量電路包括完成電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路、完成信號(hào)功率放大的放大電路以及抑制工頻干擾的低通濾波電路；電源保護(hù)電路包括電源極性識(shí)別電路和穩(wěn)壓電路；操作電路包括由紅外發(fā)送電路和紅外接收電路組成的紅外遙控電路、用于完成零點(diǎn)調(diào)整、滿刻度調(diào)整和量程范圍調(diào)整的按鍵電路、完成系統(tǒng)死機(jī)自啟動(dòng)的看門狗電路、用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)復(fù)位的復(fù)位電路。[0023]輸出顯示電路包括數(shù)碼顯示電路、頻率輸出電路和聲光報(bào)警電路。本實(shí)用新型采用電容式液位傳感器，選用聚四氟乙烯電纜采集電容信號(hào)，利用單片機(jī)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，單片機(jī)芯片與采集處理電路均設(shè)置于傳感器箱體內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)水位值的準(zhǔn)確測量。如圖I所示，所述電容信號(hào)測量電路用于將煤礦井下污水水位的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變換，依靠傳感器探頭監(jiān)測電容變化，并通過其中的轉(zhuǎn)換電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行功率放大后經(jīng)低通濾波電路進(jìn)行低通濾波，最后輸出信號(hào)經(jīng)A/D采集送入單片機(jī)，由單片機(jī)完成運(yùn)算。所述傳感器探頭由配重及聚四氟乙烯電纜的特殊連接組成，具體為聚四氟乙烯電纜的一極與配重導(dǎo)通，另一極絕緣。所述配重由不銹鋼材料制成；所述聚四氟乙烯電纜應(yīng)為同軸電纜結(jié)構(gòu)。配重及聚四氟乙烯電纜連接時(shí)，配重與電纜引入線端應(yīng)與水做隔離措施，可采用密封墊與環(huán)氧樹脂密封。所述單片機(jī)選用MSP430單片機(jī)。所述電源保護(hù)與轉(zhuǎn)換電路主要實(shí)現(xiàn)電源極性反接保護(hù)及18V本安電源穩(wěn)壓至5V與3. 3V，為相關(guān)元件工作提供電源；所述操作電路中的紅外遙控電路主要包括紅外發(fā)送電路與紅外接收電路，和紅外遙控器配合使用完成非接觸控制和參數(shù)調(diào)整工作；按鍵電路主要完成零點(diǎn)調(diào)整、滿刻度調(diào)整、量程范圍調(diào)整；看門狗電路采用X25045芯片，主要完成系統(tǒng)死機(jī)的自啟動(dòng)；復(fù)位電路主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)自動(dòng)復(fù)位；輸出顯示電路中的數(shù)碼顯示電路包括數(shù)碼管，主要完成井下污水水位值的實(shí)時(shí)顯示及參數(shù)調(diào)整信息；頻率輸出電路主要完成輸出信號(hào)以20(Tl000Hz頻率輸出并具有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能力；聲光報(bào)警電路主要用高低水位異常報(bào)警。如圖2所示，本實(shí)用新型的傳感器探頭由聚四氟乙烯電纜4與配重5組成，放入待測液體中，根據(jù)電容的大小與液位的高度成比例關(guān)系，將水位高度通過特制的聚四氟乙烯電纜4轉(zhuǎn)換為電容值，通過電容信號(hào)測量電路把電容值轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)過放大電路、低通濾波電路放大濾波后送到A/D采集模塊，最后經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算處理后，輸出的液位高度用數(shù)碼管來顯示，同時(shí)輸出相應(yīng)的頻率輸出信號(hào)。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了電源保護(hù)及轉(zhuǎn)換電路，該電路輸入18V本安電源，通過電源極性識(shí)別電路，防止誤接線造成的短路事故，再通過一級(jí)穩(wěn)壓至12V，二級(jí)穩(wěn)壓至5V，三級(jí)穩(wěn)壓至3. 3V,前兩級(jí)穩(wěn)壓主要為解決單級(jí)線性穩(wěn)壓造成溫升過高問題以及電容處理電路信號(hào)電源問題，第三級(jí)穩(wěn)壓輸出3. 3V供低功耗MSP430單片機(jī)及其外圍電路工作。本裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)了看門狗電路，采用外圍芯片X25045實(shí)現(xiàn)，復(fù)位電路采用外部按鍵實(shí)現(xiàn)，對(duì)超限信息設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)，并設(shè)計(jì)了紅外遙控電路，實(shí)現(xiàn)外部參數(shù)調(diào)整與控制。根據(jù)煤礦井下輸出信號(hào)要求利用單片機(jī)自帶PWM產(chǎn)生方法，設(shè)計(jì)了 20(Tl000Hz輸出電路，采用三極管功率放大實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)傳輸電纜單芯截面積不小于I. 5mm2時(shí)，水位測量傳感器到分站之間的傳輸距離應(yīng)不小于2km，供電電壓為DC12V 24V。本裝置具有4位數(shù)碼管顯示功能。從左往右第一位數(shù)碼管為功能碼，后三位顯示液位值。紅外遙控器將各種按鍵指令轉(zhuǎn)換成串行紅外光編碼信號(hào)發(fā)送出去，紅外遙控電路將串行紅外光編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行電信號(hào)送單片機(jī)進(jìn)行處理，完成各種功能。將遙控器對(duì)準(zhǔn)接收窗口，在有效的距離和角度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖2所示，傳感器固定后，信號(hào)電纜I及輸入本安電源2通過喇叭嘴引入至傳感器箱3體內(nèi)的接線端并固定，下部的傳感器探頭(聚四氟乙烯電纜4與配重5)伸入待測液體，聚四氟乙烯電纜4上刻有刻度，依靠聚四氟乙烯電纜4進(jìn)入水中的深度感應(yīng)出不同電容值，其長度為測量有效區(qū)。如圖3所示，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行調(diào)整可以通過打開傳感器箱體的后蓋通過按鍵和電位器進(jìn)行調(diào)整，SI為復(fù)位按鍵，S2為零點(diǎn)調(diào)整，S3為滿量程調(diào)整，S4為量程范圍調(diào)整，S+為信號(hào)輸出正端，S-為信號(hào)輸出負(fù)端，+18V為本安電源正端，GND為本安電源負(fù)端，C+為電容信號(hào)正端，C-為電容信號(hào)負(fù)端。使用時(shí)，用戶只需三個(gè)按鍵S2、S3、S4就可方便的掌握本裝置的調(diào)整。首先，將傳感器探頭(聚四氟乙烯電纜4與配重5)放入井下污水液體中，液面正好處于聚四氟乙烯電纜0刻度時(shí)，按下按鍵S2，將此時(shí)的液位高度標(biāo)定為0. 00米；然后，將傳感器探頭深入液體中，使液面正好處于I米的標(biāo)定位時(shí),按下鍵S3，此時(shí)就會(huì)自動(dòng)將采集的液位高度標(biāo)志位I米，這樣就完成了對(duì)不同液體高度的標(biāo)示，其次，通過按鍵S4調(diào)節(jié)量程范圍，傳感器的量程高度有I米、I. 5米、2米三個(gè)量程可選，當(dāng)按下按鍵后數(shù)碼管就會(huì)顯示當(dāng)前的量程約0. 5 秒，然后自動(dòng)就調(diào)整為實(shí)時(shí)液位顯示，每按一次按鍵S4就會(huì)切換為不同的量程，這三個(gè)量程為循環(huán)選擇。選擇合適的量程后就完成了全部的傳感器調(diào)整，傳感器就會(huì)按照預(yù)定的設(shè)置工作。
權(quán)利要求1.一種礦用污水水位測量傳感器，包括傳感器箱體、傳感器探頭、電纜和紅外遙控器，其特征在于電纜接入傳感器箱體，傳感器箱體內(nèi)部設(shè)有電容信號(hào)測量電路、單片機(jī)、電源保護(hù)與轉(zhuǎn)換電路、操作電路和輸出顯示電路，傳感器探頭連接傳感器箱體內(nèi)的電容信號(hào)測量電路； 電容信號(hào)測量電路包括完成電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路、完成信號(hào)功率放大的放大電路以及抑制工頻干擾的低通濾波電路； 電源保護(hù)電路包括電源極性識(shí)別電路和穩(wěn)壓電路； 操作電路包括由紅外發(fā)送電路和紅外接收電路組成的紅外遙控電路、用于完成零點(diǎn)調(diào)整、滿刻度調(diào)整和量程范圍調(diào)整的按鍵電路、完成系統(tǒng)死機(jī)自啟動(dòng)的看門狗電路、用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)復(fù)位的復(fù)位電路； 輸出顯示電路包括數(shù)碼顯示電路、頻率輸出電路和聲光報(bào)警電路。
2.如權(quán)利要求I所述的一種礦用污水水位測量傳感器，其特征在于所述傳感器探頭由配重及聚四氟乙烯電纜的特殊連接組成，具體為聚四氟乙烯電纜的一極與配重導(dǎo)通，另一極絕緣。
3.如權(quán)利要求2所述的一種礦用污水水位測量傳感器，其特征在于，所述配重與聚四氟乙烯電纜引入線端應(yīng)與所測液體做隔離措施，采用密封墊與環(huán)氧樹脂密封。
4.如權(quán)利要求2和3所述的一種礦用污水水位測量傳感器，其特征在于所述配重由不銹鋼材料制成。
5.如權(quán)利要求2和3所述的一種礦用污水水位測量傳感器，其特征在于所述聚四氟乙烯電纜為同軸電纜結(jié)構(gòu)。
專利摘要一種礦用污水水位測量傳感器，涉及井下污水水位測量裝置，具體為一種礦用污水水位測量傳感器，解決了現(xiàn)有水位測量傳感器用于井下特殊環(huán)境容易出現(xiàn)測量誤差的問題，包括傳感器箱體、傳感器探頭、電纜和紅外遙控器，電纜接入傳感器箱體，傳感器箱體內(nèi)部設(shè)有電容信號(hào)測量電路、單片機(jī)、電源保護(hù)與轉(zhuǎn)換電路、操作電路和輸出顯示電路，傳感器探頭連接于傳感器箱體內(nèi)的電容信號(hào)測量電路上。本實(shí)用新型具有精度高，線性好，采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且具有優(yōu)良的密封和防腐性能，其防爆型式為礦用本質(zhì)安全型，適合于煤礦爆炸環(huán)境中使用。
文檔編號(hào)G01F23/26GK202562563SQ20122020878
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者崔晉平, 李旭波, 程志, 高偉偉, 姜騎 申請(qǐng)人:山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司