3. 液位检测与传感器选型

液位检测是矿井排水自动化的“眼睛”。PLC 的一切启停判断、报警与联锁，最终都依赖液位信号是否真实、稳定、可诊断。矿井水仓与地面清水池的工况差异极大：水质含煤泥、岩粉，pH 偏酸或偏碱，水面有泡沫与浮渣，空间狭窄且常有淋水、潮气与瓦斯环境。因此选型不能只看“量程够不够”，而要从测量原理、介质适应性、防爆防腐、安装位置和信号处理五个维度综合判断。

一、四类液位计的原理与适用边界

静压式液位计基于液体静压与液位高度成正比的原理：P = ρgh + P₀，测得表压即可反算液位。它结构简单、无机械运动部件，适合水仓这类敞开或常压容器。缺点是密度变化会直接引入误差，煤泥水密度波动 5% 就可能带来同比例的液位偏差，且引压孔易被沉积物堵塞。

投入式液位计本质是静压式的变体，传感器探头直接投入水中，通过导气电缆将大气压引至探头背压侧，输出 4～20mA 或 RS485 信号。它安装方便、成本低，是矿井水仓最常用的方案。但探头膜片长期浸没在含砂煤泥水中，存在磨损、结垢和导气电缆受潮失效的风险，必须配合防淤堵与定期清洗。

超声波液位计通过发射声波并测量回波时间计算距离：h = H − ct/2。它非接触测量，不受介质密度和腐蚀性影响，适合清水池和腐蚀性水池。但在矿井水仓中，泡沫会吸收声波、浮渣会产生虚假回波、水汽与粉尘会衰减信号，且声速随温度变化，需温度补偿。因此超声波更适合水质相对洁净、温差可控的场合。

雷达液位计发射高频电磁波，利用回波时间测距，分为脉冲式和调频连续波（FMCW）两类。电磁波不受温度、压力、蒸汽和泡沫的显著影响，精度高、量程大，适合条件恶劣的水仓。但雷达对低介电常数介质反射较弱，煤泥水介电常数较高反而有利；主要限制是价格较高，以及安装位置不当会产生罐壁多重回波。

二、矿用水质、防爆与防腐要求

矿井水仓的水质通常悬浮物高、硬度大、含硫化物，部分区域还有瓦斯积聚风险。传感器选型需满足以下要求：

• 防爆：安装在水仓、泵房等可能积聚瓦斯的场所，应选用 Ex ib I Mb 或 Ex d I Mb 等级的仪表，供电回路应经安全栅隔离，信号线采用本安电缆。
• 防腐：探头膜片优先选 316L 不锈钢、哈氏合金或陶瓷电容式；外壳防护等级不低于 IP68（投入式）或 IP67（非接触式）。
• 抗淤堵：投入式探头应加装防淤罩或采用齐平膜片结构，避免煤泥在膜片前沉积。
• 电缆：导气电缆的透气孔必须保持干燥，接线盒应朝下并做防水弯，防止潮气沿电缆进入探头。

三、安装位置与防淤堵措施

安装位置直接决定信号质量。投入式液位计应避开进水口正下方和泵吸入口，防止水流冲击与气泡干扰；探头距池底一般保持 0.3～0.5 m，避免沉积煤泥埋没膜片。超声波和雷达应安装在池顶检修孔附近，波束范围内不得有管道、爬梯和支架，安装法兰应保证波束垂直于液面，倾斜角控制在 3° 以内。

防淤堵的工程措施包括：在探头周围设置带孔防淤筒，使筒内水体相对静止；定期用清水反冲膜片；对超声波探头加装吹扫风管，防止水汽凝结和粉尘附着。对于煤泥沉积严重的水仓，可在池底设置斜坡和排泥口，从源头减少沉积。

四、信号类型与量程标定

常见信号有 4～20mA 模拟量、RS485（Modbus RTU）数字量和开关量。PLC 模拟量输入模块通常为 4～20mA 对应 0～27648 或 0～4095 的原始值，需在程序中做线性换算。以量程 0～5 m、4～20mA 对应 0～5 m 为例，若 PLC 读到原始值 13824（对应 12mA），则液位为 (12−4)/16×5 = 2.5 m。标定时应至少取零点、中间点和满量程三点，用实际水位或标准压力源核对，并记录标定日期与偏差。

// 示例：4~20mA 原始值转液位（量程 0~5 m，原始值 0~27648）
L := (RAW - 5529.6) / (27648 - 5529.6) * 5.0;  // 5529.6 对应 4mA
IF L < 0.0 THEN L := 0.0; END_IF;
IF L > 5.0 THEN L := 5.0; END_IF;

五、冗余配置与故障诊断

单点液位检测一旦失效，可能导致泵组误启、干转或溢流。工程上常采用“一用一备”双传感器冗余：两台仪表安装位置错开，PLC 取中值或按偏差判断有效性。当两路信号偏差超过设定阈值（如 0.3 m）并持续 10 s，判定为传感器故障，切换至单路运行并报警。此外还可结合泵运行状态做逻辑校验：泵已停止而液位持续上升，或泵运行而液位不降，均提示信号异常。

常见故障与判断依据：信号恒为 4mA 以下，多为断线或探头失效；信号跳变剧烈，多为气泡、泡沫或电磁干扰；信号缓慢漂移，多为膜片结垢或密度变化。诊断时应先核对就地显示值与 PLC 读数，再检查接线、接地与屏蔽层单端接地情况。

上图把本节的关键关系串成一条完整信号链：水仓中的两台不同原理传感器分别经本安隔离进入 PLC，PLC 完成量程换算后先做偏差判断，正常时取中值输出泵组联锁，异常时进入故障报警分支。实际调试时，可用万用表在安全栅输入端测量电流，与 PLC 原始值对照，快速定位是现场仪表、线路还是模块的问题。

综上，液位检测不是选一台仪表那么简单，而是“原理匹配工况、安装避开干扰、信号可靠换算、冗余支撑诊断”的系统工程。把这四件事做到位，后续的自动启停与联锁逻辑才有可信的输入基础。