一種新型電接點液位檢測儀

萬嵩 丁瑋 高煉

（武漢第二船舶設(shè)計研究所， 武漢430064）

電接點液位檢測系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于液體液位的判斷和測量領(lǐng)域，一般的檢測方法是采用直流或工頻低壓交流，對電極持續(xù)通電，通過檢測通過電極的電流來判斷電極是否被液體浸沒。對于電極短時浸沒于液體的應(yīng)用場合，如液位報警等，上述電接點液位檢測電路是適合的，但對于電極長時間浸沒于被測液體，用于指示液位的場合，對電極的持續(xù)通電會使電極很快被電解腐蝕和極化并失去作用，給設(shè)備運行安全性、操作及維護帶來了極大的不便[2]。

本文針對長時間浸沒于液體的電接點電極，在持續(xù)通電情況下容易腐蝕的問題，進行了調(diào)研和分析，研制出的電接點液位檢測儀，采用新的檢測方法，減少電接點的電極通電電解極化腐蝕，提高測量電極的使用壽命。

1 電接點液位檢測方法研究

某蒸汽發(fā)生器電接點水位檢測裝置向電接點水位信號探頭提供連續(xù)的交流 24 V電壓用于檢測[1]，經(jīng)運行證明，此種檢測供電方式有很大的缺陷，是造成電解腐蝕的主要原因，主要是：

電接點水位探頭工作在蒸汽發(fā)生器測量筒內(nèi)，筒中使用的水含磷酸鹽、磷酸氫鹽、亞硫酸鹽等強堿弱酸鹽化學成分，整體水質(zhì)呈堿性，PH值為9.8～10.2，電解質(zhì)含量高。而電接點水位探頭兩極間采用交流電壓供電，這種外加電壓遠遠超過某種金屬接觸產(chǎn)生的電位差。當水淹沒水位探頭時，探頭兩極導(dǎo)通，構(gòu)成導(dǎo)電回路，由于導(dǎo)電回路的不對稱性，存在直流分量，且交流24 V電源一直加在水位探頭上，通電時間長，極大地促進了陽極材料（精密合金）的電化學腐蝕[3]。

因此新型電接點液位檢測儀著重從以下三個方面進行研究。

1）縮短供電時間

通電時間的長短直接影響到電解腐蝕的程度，新型電接點液位檢測儀檢測電路利用單片機，通過軟件編程對電接點水位探頭進行掃描檢測、控制并減少探頭電極檢測時的通電時間，既可保證設(shè)備的使用功能，又可減少長期通電造成的電解腐蝕，如圖1所示。

圖1 兩種電接點液位檢測儀電極檢測供電波形

原有普通電接點液位檢測儀電路對電極供電是連續(xù)的交流正弦波，新型檢測儀電路對電極供電則是斷續(xù)的正負脈沖方波，周期為 T（軟件可調(diào)），每個周期通電時間為△t（軟件可調(diào)）。△t設(shè)置在 ms級即可有效檢測，根據(jù)應(yīng)用場合設(shè)置周期T（通常大于1 s），則快速斷續(xù)采樣不會影響對液面的監(jiān)測。可以看出在通電時間方面，新型電接點液位檢測儀大大優(yōu)于原有普通電接點液位檢測儀[4]。

2）改善電極供電電流的對稱性

原普通電接點液位檢測儀采用工頻低壓交流給電接點電極通電，通過三極管等電子器件組成的信號檢測電路來檢測回路中的電流，僅能在交流半周期進行檢測，在一個周期內(nèi)流經(jīng)電接點電極的正、負方向檢測電流的導(dǎo)電回路不同，只有一個方向的檢測電流的導(dǎo)電回路包含檢測電路，因此不可避免產(chǎn)生直流分量。

新型電接點液位檢測儀檢測電路采用單片機控制的脈沖瞬時測量電路，脈沖發(fā)生部分電路結(jié)構(gòu)完全對稱（不考慮線阻和元器件差異），且正負半周檢測電流共用一個信號檢測電路（參見圖3），可在電路結(jié)構(gòu)上有效保證通過電極正負電流的對稱性，在軟件設(shè)置中保證正負脈沖電流時間上的一致性。

3）優(yōu)化供電關(guān)系

優(yōu)化供電關(guān)系，電極供電電壓高，電流大，造成腐蝕快，但電流過小，造成電信號檢測易受干擾，產(chǎn)生誤報警，綜合考慮這二者的關(guān)系以及二極管管壓降、水電阻大小和比較器靈敏度等因素，設(shè)計合理的電壓幅值，并增加抗干擾措施。

2 電路原理

2.1 電路組成

電路原理框圖如圖2所示。

圖2 電路原理框圖

電路原理圖如圖 3所示。電源 VCC用于電接點電極的檢測。本電接點液位檢測儀選用PIC18F258型單片機和54LS138譯碼器實現(xiàn)對電接點信號的測量通道選擇、檢測信號判斷和輸出。對每路電接點采用兩個光電隔離器，在單片機的控制下實現(xiàn)電接點的正反向交替供電，其導(dǎo)通電壓信號送至信號檢測電路進行檢測[5]。

多通道電接點信號檢測電路設(shè)計中，電接點導(dǎo)通后在檢測電阻R1上產(chǎn)生的電壓信號VIN通過比較器與預(yù)置比較參考電壓VREF進行比較，比較結(jié)果通過光電隔離器轉(zhuǎn)換，送出高/低電平信號至單片機采集。設(shè)計的量程檔選擇電阻RX1、RX2、RX3一端接電源VCC，另一端通過多路開關(guān)與分壓電阻R2相連，分別對應(yīng)不同電導(dǎo)率的液體介質(zhì)，可對三種不同電導(dǎo)率的液體設(shè)定三個量程，根據(jù)實際需要可以更換相應(yīng)電阻改變量程或增加量程選擇檔數(shù)。R2為分壓電阻 ，R2的一端接VCC電源負端，R2另一端的電壓作為比較器預(yù)置比較參考電壓VREF。

2.2 工作原理

具體工作過程及原理以圖 3中電接點 SW1舉例如下：

圖3 電路原理圖

單片機根據(jù)程序，對譯碼器U2、U3構(gòu)建的電接點測量通道選擇電路進行控制，使脈沖電路中的光電隔離器V1唯一導(dǎo)通，電接點SW1的電極B的電勢高于電極A的電勢，接著使脈沖電路中的光電隔離器V2唯一導(dǎo)通，電接點SW1的電極A的電勢高于電極B的電勢。

多通道電接點信號檢測電路將檢測電阻上的電壓VIN與預(yù)置比較參考電壓VREF進行比較，比較結(jié)果送至單片機。單片機接收后，判斷電極是否被液體浸沒，并將結(jié)果送至輸出電路，輸出電路將單片機的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻狱c信號，送至顯示控制電路進行顯示和控制。當電極A和電極B之間沒有液體時，電接點信號檢測電路回路沒有電流，VIN=0，VIN＜VREF，單片機判斷電極未被液體浸沒；當電極A和電極B之間有液體時，VIN＞VREF，單片機判斷電極被液體浸沒。

在對電接點SW1的檢測中，導(dǎo)電回路對稱，電流從電極A流向電極B，又從電極B流向電極A，其方向相反，大小相等。兩個電流時間通過單片機程序設(shè)定成一致并且都控制在毫秒級，這種正負對稱脈沖電流就在檢測電接點通斷的同時較好地完成了去極化過程，并且減少了電極檢測時的通電時間，減少了電極材料的腐蝕。

電接點SW1檢測完畢后，單片機根據(jù)程序，依次完成對電解點SW2～SW8的檢測。

對于兩路電接點檢測之間的時間間隔，可以根據(jù)測量需要，在滿足測量需要的情況下加大間隔時間，同樣可以減少被液體浸沒的電極的通電時間，減少電極的腐蝕。

循環(huán)重復(fù)上述過程，即可完成對多路電接點液位的信號檢測。

3 試驗驗證

為了驗證新型電接點液位檢測儀的效果，將普通電接點液位檢測儀和新型電接點液位檢測儀，在模擬蒸汽發(fā)生器環(huán)境的試驗臺架上進行了兩個月的連續(xù)通電考核試驗。

在經(jīng)過60天試驗后，可明顯看出用普通電接點液位檢測儀檢測的水位探頭的封頭部分覆蓋大量深褐色金屬粉末，擦除粉末后可以看到封頭材料的顏色已變?yōu)樯詈稚砻嬗斜桓g的痕跡。而使用新型電接點液位檢測儀檢測的水位探頭的封頭部分只有輕微褐色粉末，擦除粉末的封頭材料的顏色變?yōu)檩p微褐色，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。見圖4和圖5。

試驗結(jié)果表明新型接點液位檢測儀可以明顯地減少電接點水位探頭電極的電化學腐蝕。

圖4 合金探頭+普通電接點液位檢測儀（已擦拭）

圖5 合金探頭+新型電接點液位檢測儀（已擦拭）

4 結(jié)束語

新型電接點液位檢測儀采用時分復(fù)用技術(shù)，低電壓脈沖測量，正負對稱脈沖去極化方法，使普通測量電極防腐性能得到大幅度提高，使用壽命大大延長。還可以方便地根據(jù)所測液體電導(dǎo)率調(diào)整量程，只需一個信號檢測電路即可實現(xiàn)對多路電接點電極的檢測，利用電壓比較檢測技術(shù)，測量精度高。該電接點液位檢測儀已經(jīng)投產(chǎn)，在實際應(yīng)用中取得了良好使用效果和經(jīng)濟效益，有較好的應(yīng)用前景。

[1] 鄧天勇. 蒸汽發(fā)生器電接點水位測量技術(shù)研究[J].船電技術(shù), 2005 (1):57-59.

[2] 魏智泉. 普通電接點水位計問題技術(shù)淺析及解決方法[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2009(35):60-61.

[3] 張建中. 鍋爐汽包電接點水位計電極腐蝕問題的探討及解決方案[J]. 全國火電 100 MW級機組技術(shù)協(xié)作會第四屆年會論文集, 2005:11-12.

[4] 陳學永等. 智能電接點水位計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2005(4):l4-16.

[5] 劉和平等. PIC○R18FXXX 單片機原理及接口程序設(shè)計[ M ]. 北京：航空航天大學出版社，2004.