含有顆粒物混合液體密度計設計與實現

賀洪江 ，王楠楠 ，李 濤

（1.河北工程大學 裝備制造學院，邯鄲 056038；2.河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038）

火電廠脫硫系統的漿液主要有石灰石漿液、石膏漿液以及石灰乳漿液，其中石灰石漿液密度最大，需要根據石灰石漿液密度控制石灰石的下料量；石膏漿液的密度參與脫硫吸收塔液位的計算，脫硫吸收塔液位是脫硫調節系統的重要參數；根據石灰乳漿液密度可以控制脫硫廢水的pH值，使脫硫廢水達到環保要求[1]。

目前，脫硫系統較為常用的密度計多為探頭管道式安裝結構，由于漿液含有氯離子，粘度大，對密度計探頭的沖刷磨損較為嚴重，且極易結垢引起管路堵塞，導致漿液密度測量存在線性失真現象，造成脫硫系統不能正常運行[2]。

設計基于稱重傳感器的脫硫系統密度計，密度計不與管道內漿液接觸，不會出現沖刷磨損、堵塞管路的情況，且測量方法簡單。利用STM32高速數據處理能力及豐富的片上資源實現對管道內漿液密度快速、精確測量及顯示，并完成密度計與上位機之間通信，實現上位機對工業現場遠程監控。

1 方案設計

1.1 密度計管道連接

密度計管道連接如圖1所示，由主管道（3）、連接管道（為2個連接臂，由2個流量調節閥門（5）之間連接一個三通接頭（6）構成）和測量管道（9）組成。各管道之間由三通接頭、流量調節閥門相連接，連接管道與測量管道之間有直通旋轉接頭（7、10）。稱重傳感器（18）安裝在稱重管道下方，稱重傳感器放置于可調節高度的支撐架（15）上，通過調節支撐板（16）高低，可調節稱重管道成水平狀態。

圖1 密度計管道連接圖Fig.1 Pipe connection diagram of densimeter

1.2 密度測量方法

質量是物質的一種基本屬性，不會隨物體狀態、形態、空間位置的改變發生變化，體積一定時，液體密度與質量成正比。

設計脫硫系統管道內漿液密度計的液體密度測量步驟為

1）通過高度調節鈕對支撐板高度進行調節，使測量管道成水平狀態。將連接管道與主管道之間的2個流量調節閥門關閉，并打開連接管道另一端懸空的2個流量調節閥門，排空測量管道，讀取測量管道為空時稱重傳感器的輸出值m1；

2）通過連接管道懸空端的2個流量調節閥門，向測量管道注入凈水，讀取此時稱重傳感器的輸出值m2；

3）關閉連接管道懸空的2個流量調節閥門，將連接管道與主管道之間的2個流量調節閥門打開，調整主管道上的流量調節閥門的開度，使待測液體流經測量管道，同時在線讀取稱重傳感器的輸出值m3。主管道內含有顆粒物混合液體的密度測量值ρ液表達式為

不同密度的液體流經主管道時，造成測量管道上稱重傳感器輸出值m3變化，實現對主管道內液體密度在線測量。

1.3 密度計系統結構

密度計的系統組成結構如圖2所示。

圖2 密度計硬件結構示意圖Fig.2 Block diagram of hardware devices

2 硬件系統設計

2.1 主控芯片選擇

密度計以32位STM32F103RBT6為核心處理器，處理器性能高、功耗低、價格低廉、適用于嵌入式領域。片上集成128 K字節的Flash存儲器，雙A/D結構允許雙通道采樣/保持，能夠實現12位的轉換精度、1 μs的轉換速度，3個USART接口，豐富的片上資源保證系統電路結構簡單緊湊[3]。微處理器基于Cortex-M3 CPU，最高工作頻率可達72 MHz，單周期32位乘法和硬件除法器，大幅提高Cortex-M3運算能力。

編程時，應用STM32固件函數庫，可以大大降低編寫程序的時間，降低成本。

2.2 電源電路設計

密度計各器件為直流電源供電，所以采用工業上常用的24 V直流電作為供電電源。密度計電源電路包括2部分：模擬電源電路和數字電源電路，提高電源抗干擾能力。電源電路如圖3所示。

圖3 數字、模擬電源電路Fig.3 Digital and analog power circuit

首先，24 V電源通過LM2576系列開關型穩壓芯片LM2576-5、LM2576-12生成數字電路電源5 Vd、模擬電路電源12 Va。5 Vd作為液晶顯示及RS485通信等電源，主控芯片供電電源3.3 Vd由5 Vd經三端線性穩壓芯片LM1117-3.3生成，采用兩級穩壓可提高供電效率，并且減小紋波電壓。12 Va作為稱重傳感器和運算放大器供電電源，選用開關穩壓芯片，可以為稱重傳感器提供穩定橋壓。電源電路所用芯片功耗低，內部保護電路完善，且輸出電壓穩定，為密度計穩定工作提供保證。

2.3 密度監測電路設計

選用GYL-3應變式稱重傳感器，線性度良好，量程范圍內傳感器輸出信號與作用在傳感器上的物體重量正比。稱重傳感器輸出電壓為0～24 mV差分信號，經精密線性放大器放大后，作為主控芯片A/D輸入信號，進行處理[4]。

圖4 密度檢測電路Fig.4 Density detection circuit

密度監測電路如圖4所示，選擇運算放大器LM358，其內部有2個獨立運算放大器，選擇運放1將信號放大50倍，輸出0～1.2 V電壓，通過電阻與運放2組成同相加法器，實現電壓提升，保證A/D輸入信號在處理器A/D良好的線性工作范圍內；R10、C52低通濾波，R9吸收特高頻信號，便于諧波分析；D5、D6組成鉗位電路，防止A/D輸入信號過小或過大燒壞芯片。

2.4 通信接口和顯示電路設計

密度計采用1602液晶作為液體密度顯示終端，1602液晶價格低廉，連接電路簡單，1602顯示接口如圖 5（a）所示。

現代工業要求對現場設備遠程控制，密度計設計RS485通信接口。RS485總線采用平衡發送和差分接收，具有抗共模干擾能力，傳送數據速率高[5]。RS485接口電路如圖 5（b）所示，120 Ω電阻為匹配電阻，便于實現遠距離傳輸。

圖5 液晶顯示與通信接口電路Fig.5 LCD and communication interface circuit

3 軟件系統

軟件系統包括算法設計、程序設計及通信協議選擇。密度計程序設計采用模塊化設計方法，主要包括主程序、A/D轉換程序、液體密度計算子程序、LCD顯示子程序、串口通信子程序。

3.1 算法設計

稱重傳感器在量程范圍內，輸出信號與質量成正比，主控芯片A/D轉換輸入輸出信號之間亦為線性關系，與由液體密度測量值表達式結合，可得程序內液體密度測量值算法設計為

式中：D1為管道為空時A/D轉換值，D2為溫度為4℃時管道內注入水時A/D轉換值，此時水的密度為1.0 g/cm3，D3為所測液體流過管道時A/D轉換值，則液晶顯示值即為管道內流動漿液的密度值。

3.2 系統主程序設計

采用C語言進行程序編寫，如圖6所示。主程序完成對各模塊初始化，以及子程序調用。通過STM32處理器固件函數庫，可快速、準確完成對時鐘、片上外設如ADC等進行配置初始化，簡化程序編寫。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

3.3 通信協議選擇

通信模塊采用Modbus協議完成與上位機之間通信，該協議是工控領域中一種標準通信協議，不同廠商生產的設備通過該協議連接成工業網絡，實現集散控制。

標準Modbus協議有2種工作模式：ASCII模式和RTU模式。相對于ASCII模式，在相同波特率下，RTU模式能夠傳送更多數據，因此密度計采用RTU模式來實現Modbus通信協議。

4 實驗結果分析

檢測密度計測量準確度是否滿足工業控制過程要求，實驗中選取純水、不同密度鹽水及不同密度酒精為樣本，與化學法測量值對比，結果如表1所示。

表1 測量結果表Tab.1 Measured results

測試結果顯示，密度值誤差范圍在2%以內，滿足工業現場對精確度的要求。

5 結語

密度計采用管道外測量，能夠有效避免管道內含有顆粒狀混合液體時管道堵塞和測量元件磨損。密度計測量方法簡單，工作穩定，可以高精度、在線監測脫硫系統漿液密度，完善火電廠脫硫工藝，輔助控制火電廠SO2排放濃度，降低空氣污染程度，具有實際應用價值。

[1] 孫長春.壓力密度計的設計與應用[J].熱力發電，2009，38（6）：95-98.

[2] 梁磊.火電廠濕法脫硫系統中pH計及密度計的設計應用[J].電力科技與環保，2012，28（5）：32-34.

[3] 王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數據采集模塊的設計與實現[J].測控技術，2009，28（8）：37-40.

[4] 張廷虎.基于DSP的智能動態稱重技術的研究[D].青島：青島科技大學，2012.

[5] 陳樹廣，武君勝.RS485總線在智能抄表系統中的應用研究[J].微計算機信息，2008，24（13）：148-150.■