专利名称：矿用污水水位测量传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及井下污水水位测量装置，具体为一种矿用污水水位测量传感器。
背景技术：
随着煤矿井下自动化排水技术的不断提高，人们逐渐对井下污水水位测量的精确度提出了更高要求。传统测量水位的传感器有采用投入式压差原理的水位 传感器、超声波式水位传感器。投入式压差原理的水位传感器属于静压液位测量，即液体介质中，某一个深度产生的压力就是测量点以上的介质自身的重量所产生的，它与介质的密度和当地的重力加速度成正比，通过公式P= P GH反映了他们之间的比例关系，其中P为压力，P为介质密度，G为重力加速度，H为测量点的深度。这种传统水位传感器的特征为必须在装置底部设有压力孔来感受压差，遇到污泥或水质较差情况时，压力孔会发生堵塞从而造成测量误差，因此无法适用于井下污水水位监测。超声波式水位传感器是通过探测自身发出的超声波被液面反射后的信号换算液面位置的。这种传感器与介质无直接接触、耐腐蚀性强、精度较高、安装简便，缺点在于价格昂贵、超声波受传输媒介的气体成分影响较大、受容器几何结构特性影响较大，不适用于有气泡或悬浮物的介质，以及容易受电磁波干扰的问题，同时超声波式水位传感器的安装条件和环境限制较大，尤其煤矿井下粉尘大的情况下会造成测量误差。正是由于现有的常用水位测量传感器装置不适用于环境和所测液体介质复杂的井下污水水位测量当中，本实用新型特针对上述水位测量传感器的缺点进行研究和设计。经研究电容式液位传感器是利用电容两极板间电容值变化测量液面的高低，电容式液位传感器具有体积小、易实现远传和调节、适用于具有腐蚀性和污水环境，矿井水具有导电性且介电常数基本稳定，因此非常适合运用该原理进行测量。
发明内容本实用新型为了解决现有水位测量传感器用于井下特殊环境容易出现测量误差的问题，提供一种矿用污水水位测量传感器。本实用新型具体采用如下技术方案实现一种矿用污水水位测量传感器，包括传感器箱体、传感器探头、电缆和红外遥控器，电缆接入传感器箱体，传感器箱体内部设有电容信号测量电路、单片机、电源保护与转换电路、操作电路和输出显示电路；传感器探头连接传感器箱体内的电容信号测量电路；电容信号测量电路包括完成电容信号转换为电压信号的转换电路、完成信号功率放大的放大电路以及抑制工频干扰的低通滤波电路；电源保护电路包括电源极性识别电路和稳压电路；操作电路包括由红外发送电路和红外接收电路组成的红外遥控电路、用于完成零点调整、满刻度调整和量程范围调整的按键电路、完成系统死机自启动的看门狗电路、用于实现手动自动复位的复位电路。输出显示电路包括数码显示电路、频率输出电路和声光报警电路。本实用新型采用电容式液位传感器，选用聚四氟乙烯电缆采集电容信号，利用单片机芯片进行数据处理和控制，单片机芯片与采集处理电路均设置于传感器箱体内，最终实现水位值的准确测量。所述电容信号测量电路用于将煤矿井下污水水位的变化转换为电容值的变换，依靠传感器探头监测电容变化，并通过其中的转换电路将电容信号转换为电压信号，电压信号经放大电路进行功率放大后经低通滤波电路进行低通滤波，最后输出信号经A/D采集送入单片机，由单片机完成运算。所述传感器探头由配重及聚四氟乙烯电缆的特殊连接组成，具体为聚四氟乙烯电缆的一极与配重导通，另一极绝缘。所述配重由不锈钢材料制成；所述聚四氟乙烯电缆应为同轴电缆结构。配重及聚四氟乙烯电缆连接时，配重与电缆引入线端 应与水做隔离措施，可采用密封垫与环氧树脂密封。所述电源保护与转换电路主要实现电源极性反接保护及18V本安电源稳压至5V与3. 3V，为相关元件工作提供电源；所述操作电路中的红外遥控电路主要包括红外发送电路与红外接收电路，和红外遥控器配合使用完成非接触控制和参数调整工作；按键电路主要完成零点调整、满刻度调整、量程范围调整；看门狗电路主要完成系统死机的自启动；复位电路主要实现系统的手动自动复位；输出显示电路中的数码显示电路包括数码管，主要完成井下污水水位值的实时显示及参数调整信息；频率输出电路主要完成输出信号以20(T1000Hz频率输出并具有相应的驱动能力；声光报警电路主要用高低水位异常报警。与现有技术相比，本实用新型提供的一种矿用污水水位测量传感器具有精度高，线性好，采集数据稳定，测量准确，并且具有优良的密封和防腐性能。本装置采用新型单片微机智能化控制技术，还具有工作稳定、整机功耗小、使用寿命长等优点，其防爆型式为矿用本质安全型，适合于煤矿爆炸环境中使用。
图I为本实用新型所述一种矿用污水水位测量传感器的系统原理框图；图2为本实用新型所述一种矿用污水水位测量传感器的结构示意图；图3为本实用新型所述传感器箱体内部结构示意图图。
具体实施方式
一种矿用污水水位测量传感器，包括传感器箱体、传感器探头、电缆和红外遥控器，电缆接入传感器箱体，传感器箱体内部设有电容信号测量电路、单片机、电源保护与转换电路、操作电路和输出显示电路，传感器探头连接传感器箱体内的电容信号测量电路；电容信号测量电路包括完成电容信号转换为电压信号的转换电路、完成信号功率放大的放大电路以及抑制工频干扰的低通滤波电路；电源保护电路包括电源极性识别电路和稳压电路；操作电路包括由红外发送电路和红外接收电路组成的红外遥控电路、用于完成零点调整、满刻度调整和量程范围调整的按键电路、完成系统死机自启动的看门狗电路、用于实现手动自动复位的复位电路。[0023]输出显示电路包括数码显示电路、频率输出电路和声光报警电路。本实用新型采用电容式液位传感器，选用聚四氟乙烯电缆采集电容信号，利用单片机芯片进行数据处理和控制，单片机芯片与采集处理电路均设置于传感器箱体内，最终实现水位值的准确测量。如图I所示，所述电容信号测量电路用于将煤矿井下污水水位的变化转换为电容值的变换，依靠传感器探头监测电容变化，并通过其中的转换电路将电容信号转换为电压信号，电压信号经放大电路进行功率放大后经低通滤波电路进行低通滤波，最后输出信号经A/D采集送入单片机，由单片机完成运算。所述传感器探头由配重及聚四氟乙烯电缆的特殊连接组成，具体为聚四氟乙烯电缆的一极与配重导通，另一极绝缘。所述配重由不锈钢材料制成；所述聚四氟乙烯电缆应为同轴电缆结构。配重及聚四氟乙烯电缆连接时，配重与电缆引入线端应与水做隔离措施，可采用密封垫与环氧树脂密封。所述单片机选用MSP430单片机。所述电源保护与转换电路主要实现电源极性反接保护及18V本安电源稳压至5V与3. 3V，为相关元件工作提供电源；所述操作电路中的红外遥控电路主要包括红外发送电路与红外接收电路，和红外遥控器配合使用完成非接触控制和参数调整工作；按键电路主要完成零点调整、满刻度调整、量程范围调整；看门狗电路采用X25045芯片，主要完成系统死机的自启动；复位电路主要实现系统的手动自动复位；输出显示电路中的数码显示电路包括数码管，主要完成井下污水水位值的实时显示及参数调整信息；频率输出电路主要完成输出信号以20(Tl000Hz频率输出并具有相应的驱动能力；声光报警电路主要用高低水位异常报警。如图2所示，本实用新型的传感器探头由聚四氟乙烯电缆4与配重5组成，放入待测液体中，根据电容的大小与液位的高度成比例关系，将水位高度通过特制的聚四氟乙烯电缆4转换为电容值，通过电容信号测量电路把电容值转换成微弱的电信号，微弱的电信号经过放大电路、低通滤波电路放大滤波后送到A/D采集模块，最后经过单片机运算处理后，输出的液位高度用数码管来显示，同时输出相应的频率输出信号。系统还设计了电源保护及转换电路，该电路输入18V本安电源，通过电源极性识别电路，防止误接线造成的短路事故，再通过一级稳压至12V，二级稳压至5V，三级稳压至3. 3V,前两级稳压主要为解决单级线性稳压造成温升过高问题以及电容处理电路信号电源问题，第三级稳压输出3. 3V供低功耗MSP430单片机及其外围电路工作。本装置系统设计了看门狗电路，采用外围芯片X25045实现，复位电路采用外部按键实现，对超限信息设计了声光报警电路实现，并设计了红外遥控电路，实现外部参数调整与控制。根据煤矿井下输出信号要求利用单片机自带PWM产生方法，设计了 20(Tl000Hz输出电路，采用三极管功率放大实现远程数据传输。当传输电缆单芯截面积不小于I. 5mm2时，水位测量传感器到分站之间的传输距离应不小于2km，供电电压为DC12V 24V。本装置具有4位数码管显示功能。从左往右第一位数码管为功能码，后三位显示液位值。红外遥控器将各种按键指令转换成串行红外光编码信号发送出去，红外遥控电路将串行红外光编码信号转换成串行电信号送单片机进行处理，完成各种功能。将遥控器对准接收窗口，在有效的距离和角度范围内进行调节。如图2所示，传感器固定后，信号电缆I及输入本安电源2通过喇叭嘴引入至传感器箱3体内的接线端并固定，下部的传感器探头(聚四氟乙烯电缆4与配重5)伸入待测液体，聚四氟乙烯电缆4上刻有刻度，依靠聚四氟乙烯电缆4进入水中的深度感应出不同电容值，其长度为测量有效区。如图3所示，对本实用新型进行调整可以通过打开传感器箱体的后盖通过按键和电位器进行调整，SI为复位按键，S2为零点调整，S3为满量程调整，S4为量程范围调整，S+为信号输出正端，S-为信号输出负端，+18V为本安电源正端，GND为本安电源负端，C+为电容信号正端，C-为电容信号负端。使用时，用户只需三个按键S2、S3、S4就可方便的掌握本装置的调整。首先，将传感器探头(聚四氟乙烯电缆4与配重5)放入井下污水液体中，液面正好处于聚四氟乙烯电缆0刻度时，按下按键S2，将此时的液位高度标定为0. 00米；然后，将传感器探头深入液体中，使液面正好处于I米的标定位时,按下键S3，此时就会自动将采集的液位高度标志位I米，这样就完成了对不同液体高度的标示，其次，通过按键S4调节量程范围，传感器的量程高度有I米、I. 5米、2米三个量程可选，当按下按键后数码管就会显示当前的量程约0. 5 秒，然后自动就调整为实时液位显示，每按一次按键S4就会切换为不同的量程，这三个量程为循环选择。选择合适的量程后就完成了全部的传感器调整，传感器就会按照预定的设置工作。
权利要求1.一种矿用污水水位测量传感器，包括传感器箱体、传感器探头、电缆和红外遥控器，其特征在于电缆接入传感器箱体，传感器箱体内部设有电容信号测量电路、单片机、电源保护与转换电路、操作电路和输出显示电路，传感器探头连接传感器箱体内的电容信号测量电路； 电容信号测量电路包括完成电容信号转换为电压信号的转换电路、完成信号功率放大的放大电路以及抑制工频干扰的低通滤波电路； 电源保护电路包括电源极性识别电路和稳压电路； 操作电路包括由红外发送电路和红外接收电路组成的红外遥控电路、用于完成零点调整、满刻度调整和量程范围调整的按键电路、完成系统死机自启动的看门狗电路、用于实现手动自动复位的复位电路； 输出显示电路包括数码显示电路、频率输出电路和声光报警电路。
2.如权利要求I所述的一种矿用污水水位测量传感器，其特征在于所述传感器探头由配重及聚四氟乙烯电缆的特殊连接组成，具体为聚四氟乙烯电缆的一极与配重导通，另一极绝缘。
3.如权利要求2所述的一种矿用污水水位测量传感器，其特征在于，所述配重与聚四氟乙烯电缆引入线端应与所测液体做隔离措施，采用密封垫与环氧树脂密封。
4.如权利要求2和3所述的一种矿用污水水位测量传感器，其特征在于所述配重由不锈钢材料制成。
5.如权利要求2和3所述的一种矿用污水水位测量传感器，其特征在于所述聚四氟乙烯电缆为同轴电缆结构。
专利摘要一种矿用污水水位测量传感器，涉及井下污水水位测量装置，具体为一种矿用污水水位测量传感器，解决了现有水位测量传感器用于井下特殊环境容易出现测量误差的问题，包括传感器箱体、传感器探头、电缆和红外遥控器，电缆接入传感器箱体，传感器箱体内部设有电容信号测量电路、单片机、电源保护与转换电路、操作电路和输出显示电路，传感器探头连接于传感器箱体内的电容信号测量电路上。本实用新型具有精度高，线性好，采集数据稳定，测量准确的优点，并且具有优良的密封和防腐性能，其防爆型式为矿用本质安全型，适合于煤矿爆炸环境中使用。
文档编号G01F23/26GK202562563SQ20122020878
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者崔晋平, 李旭波, 程志, 高伟伟, 姜骑 申请人:山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司