基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计

张 鲁,刘海增,吕文豹

(安徽理工大学, 安徽 淮南 232001)

在选煤生产中,煤泥水浓度是一项非常重要的参数指标,煤泥水浓度的精确检测对于提高生产效率,降低药剂消耗等有着重要的意义[1]. 目前,煤泥水浓度测量方法主要有超声波法、射线法、差压法和电容法等。超声波检测法工作稳定,能连续在线检测煤泥水浓度,但后期维护繁琐,煤泥水中存在过多气泡会导致检测结果不准确;射线检测法虽然后期很少需要维护,精度高,使用寿命长且性能相对稳定,但存在核辐射防护和环保等方面的问题;差压式检测法可实现煤泥水浓度的连续在线测量且对人体无危害,但由于压力传感器直接与煤泥水接触,对传感器的磨损和腐蚀比较严重,后期维护相对麻烦[2]. 电容法由于电容传感器安装在管道外部,实现非接触测量,因此不会被腐蚀损坏,而且其结构简单,容易制造,并且能被应用到各种环境中[3]. 利用电容容量与介电常数成一定函数关系,改变介电常数使得电容值变化,通过测量瞬时电容值并换算即可得到煤泥水浓度[4]. 本文利用传感器技术结合单片机技术,设计了一种基于电容法测量煤泥水浓度的检测装置。

1 测量原理

系统设置的基本原理是基于平行板式电容传感器,其由两个平行极板组成,两个极板间充满介质,用电容传感器测两相流浓度时,两相流流体作为介质存在于两个极板间。平行板式电容传感器见图1,图中S为两个极板相互重合的面积,d为两个极板之间的距离,ε为两个极板间物质的介电常数。

图1 平行板式电容传感器图

若忽略电容传感器的边缘效应,两个极板间的电容量计算公式为:

(1)

式中:C为电容量,pF;ε为电极板间的介电常数;ε0为真空介电常数;εr为两极板间介质的介电常数,pF/cm;S为两极板相互覆盖面积,cm2;d为两极板间的间距,cm.

浓度测量装置传感器结构见图2,将电容级板置于绝缘管道外面,把其中的一个平行极板与激励电压源相连接作为源电极,另一极板作为检测电极。其原理是当煤泥水通过源电极和检测电极形成的敏感电场时,固液流体混合物浓度(即等效介电常数)的变化将会引起电极电容值相应的变化,使测量煤泥水浓度问题转化为检测电容值的问题。为了得到精准稳定的电容数值,加一个屏蔽层用于屏蔽其他信号的干扰。

图2 电容传感器结构图

煤泥水为固/液两相流,设其等效介电常数为εeff,其中固体介电常数为εa,液体介电常数为εb,假设固体和液体混合均匀,则固/液两相流的等效介电常数与固体和液体的体积有关,等效介电常数εeff可表示为:

(2)

式中:Va为固相体积;Vb为液相体积;V为被检测部分固/液两相流总体积,表示为:

V=Va+Vb

(3)

由式(2)和式(3)可得出:

(4)

(5)

式中:Cx为被测电容;k为特征系数,由电容传感器的结构特性决定;Co为两边绝缘管道的电容值,其值为定值,因此被测电容与固相浓度α有关,且为线性关系。由式(5)可知,只要测出电容值Cx,即可得到煤泥水浓度。

2 硬件设计

2.1 硬件设计方案

系统硬件设计采用功能模块化,通过电容将矿浆浓度信号转换成电容量,为了精确测量电容值,将使用555定时器芯片与单片机构成多谐振荡电路[5],将电容量转换成频率量送至单片机处理,运用算法编写程序,计算出对应的电容值,最终再由电容值确定煤泥水浓度并送LCD1602液晶屏显示。系统硬件设计方案见图3.

[85] Yan Xuetong, “International Leadership and Norm Evolution”, The Chinese Journal of International Politics, Vol. 4, No. 3 (2011), pp. 233-264.

图3 硬件设计方案图

2.2 检测电路模块

系统检测电路主要通过555定时器芯片构成多谐振荡电路来实现,检测电路见图4. 当电容传感器Cx通电后,输入端电压持续上升,达到2/3Vcc时,输出端Uo跃变为低电平,内部三极管导通,电容Cx放电,其两端电压下降;当输入端电压降到1/3Vcc时,输出端Uo跃变为高电平,同时内部三极管截止,电容Cx又被充上电,其两端电压上升。Cx充电放电所需的时间分别为:

图4 555定时器构成多谐振荡电路图

tPH=(R1+R2)Cxln2

(6)

tPL=R2Cxln2

(7)

检测电路输出端得到方波信号,其频率为:

(8)

根据以上3个公式可推出Cx:

(9)

2.3 单片机控制模块

系统控制核心采用STC89C52单片机,通过与电源电路、复位电路和晶振电路组成单片机最小系统,电路见图5. 在单片机的XTAL1和XTAL2口外接12 MHz石英晶振,在单片机内部产生12 MHz时钟脉冲信号,旁边的电容C1和C2通常取30 pF,起快速起振和稳定频率作用。复位电路采用按键复位,由10 kΩ电阻与10 μF电容串联,电容两端并联按钮开关,按下按钮开关时,系统会自动复位。

图5 单片机最小系统图

2.4 显示模块

设计显示模块采用液晶LCD1602,可靠性高、功耗低、寿命长,是一种广泛使用的字符型液晶显示模块。其由5 V电压驱动,用于数字、字母、符号等点阵式LCD显示,其控制器通常采用HD44780和HD44100. LCD1602分为带背光和不带背光2种,该次设计采用带背光,可显示两行,每行16个字符,不能显示汉字,其内置192种字符,64个字节的自定义字符RAM,通讯方式为4或8位并口,单片机STC89C52的P0.0～P0.7、P2.5、P2.6、P2.7端口,分别与LCD1602的数据端和控制端连接。

3 软件设计

系统设计使用的软件为Keil uVision5,采用C语言编写程序。软件设计主要包括3个方面:初始化系统、数据采集和处理、数据显示。该系统通过一个测量按键启动整个测量程序,将电容量转换成频率量送单片机进行处理,再通过单片机软件编程,对数据进行进一步的计算从而得出被测电容的值,并通过液晶LCD1602显示出其测量的电容值,设计流程图见图6.

图6 软件流程图

4 实验与分析

实验时以铜箔材料构成电容贴片,两贴片对齐,左右间距相同,再固定在计量杯两端,通过电极引出线连接到单片机,并在电容贴片外部加一层塑料薄膜,用于屏蔽其他信号,防止干扰实验测量的精度和稳定性。在计量杯里加入300 mL水,然后加入5 g煤泥,搅拌均匀且稳定后,打开单片机开关,液晶显示相应的电容数值,并记录下来,再加入5 g煤泥,搅拌均匀后,记录电容数值,重复实验步骤,直到累计加到55 g煤泥,记录后完成实验。在实验过程中,由于煤泥颗粒在自身重力作用下发生沉降,加上实验室受到其他信号干扰,显示的电容数值会有一个小范围的波动,共做5组实验,实验数据见图7,电容取5组数值的平均值。

图7 煤泥与电容数值的关系图

将实验数据利用最小二乘法进行拟合,得到煤泥与电容的线性关系,其函数关系表达式为:

y=-0.410 9x+3 448.6

(10)

通过对实验数据的分析和计算,发现当加入的煤泥达到25 g时,实际测量电容数值和拟合后的电容值误差最大为1.93 pF.

在选煤厂实际应用中,煤泥水的浓度通常用每升含有多少克固体含量(g/L)来表示,公式如下:

(11)

式中:g为固体含量,g/L;T为煤泥水中固体煤泥的质量,g;V1为煤泥水中水的体积,mL;V2为煤泥水中固体煤泥的体积,cm3;δ为煤泥的密度,g/cm3,该次实验用煤的密度取1.4. 由式(10)和式(11)可以得到拟合后煤泥水浓度g与电容值y的关系表达式:

(12)

根据式(2)标定实验数据,见表1.

表1 实验标定数据表

通过标定数据可知,当煤泥水实际浓度在20～160 g/L,都可以用该测量装置先测出其电容值,再通过表1转化为浓度。通常选煤厂的煤泥水浓度在60～120 g/L,最高不超过150 g/L,该实验装置可以满足要求。

5 验 证

选煤厂广泛使用的煤泥水浓度测量方法是浓度壶法,该方法为间接测量法,即先测出煤泥密度及煤泥水质量,再间接算出煤泥水的浓度。为了对比这两种测量方法,分别进行5次实验。实验具体步骤为:先将电子称清零,测出浓度壶的重量,再依次称取10 g、35 g、50 g、65 g和80 g干煤泥,并依次倒入500 mL的浓度壶内,缓慢加入清水,直到浓度壶溢流口有少量煤泥水流出为止,待停止流动时捂住溢流口,用抹布将浓度壶外壁擦拭干净后称重,并记入数据,通过浓度壶法计算公式算出浓度值。搅拌浓度壶内的煤泥水,防止发生沉降,再倒入计量杯,搅拌均匀且稳定后,通过电容检测装置测出电容值,并依次记入数据,通过式(12)计算出浓度值。通过计算5次实验浓度的理论真值,将电容法和浓度壶法的测量数据与其进行对比,结果见表2.

表2 实验数据对比表

根据表2计算平均相对误差,浓度壶法和电容法测量数据的平均相对误差分别为6.84%和6.04%,因此电容法测量煤泥水浓度准确度较高。

6 结 论

基于电容法的煤泥水浓度检测装置的设计,以单片机为核心,利用两电容极板间煤泥水浓度变化会引起电容值的变化,通过测量电容值,间接测量煤泥水浓度。通过实验得出该装置在检测时实现了非接触式测量,操作简便,并且煤泥水浓度与电容值呈现较好的线性关系,通过标定数据和拟合后的表达式,可以实时、快速地得出煤泥水浓度,且准确度较高。