一種智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器的研究與設(shè)計(jì)

郭宏偉 肖培林 李學(xué)鵬

（1.沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.沈陽(yáng)鐵路局沈陽(yáng)供電段，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 概述

蒸汽鍋爐水位是一個(gè)必須監(jiān)控的重要參數(shù)，目前使用的監(jiān)測(cè)蒸汽鍋爐水位的方法主要有三種：一是開(kāi)關(guān)量輸出。這種方式可靠性高，不足是開(kāi)關(guān)量輸出，一次性補(bǔ)水量過(guò)多，會(huì)造成蒸汽壓力、溫度下降過(guò)多，供熱不穩(wěn)。第二種方式是第一種方式的擴(kuò)展，將蒸汽鍋爐水位開(kāi)關(guān)量輸出由四檔變成八檔，只不過(guò)是增加了另一種監(jiān)測(cè)手段，仍不能做到連續(xù)水位信號(hào)輸出。第三種方式是目前實(shí)現(xiàn)蒸汽鍋爐變頻自動(dòng)補(bǔ)水最常采用的方式，這種方式要求將蒸汽鍋爐水位和冷凝水位降溫，外引至差壓變送器，引水管滿管不能有氣泡，不能有堵塞，須定期疏通排污。排污時(shí)須按嚴(yán)格的操作步驟操作平衡閥，否則會(huì)造成差壓傳感器膜片的永久性擊穿。電容式蒸汽鍋爐水位計(jì)是一種新型的電容式連續(xù)蒸汽鍋爐水位測(cè)量?jī)x表，但大都由分立元器件組成，受干擾、溫漂大、標(biāo)定難，不具備智能的功能。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器，該變送器有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且溫漂小，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定簡(jiǎn)單易行。

圖1 電氣原理圖

2 工作原理

電容式物位測(cè)量原理是基于電容器之電容量的變化，電容器實(shí)際上由筒壁與安裝于壁上但與其電絕緣的探頭組成。由于蒸汽介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)，故探頭被鍋爐水完全浸沒(méi)時(shí)，系統(tǒng)電容量必定大于探頭被部分浸沒(méi)或完全裸露時(shí)的系統(tǒng)電容量。鍋爐水位高度與電容變化量成正比，變送器中的振蕩電路可以把鍋爐水位變化引起的電容量改變轉(zhuǎn)換為頻率的變化，經(jīng)過(guò)CPU運(yùn)算處理實(shí)現(xiàn)蒸汽鍋爐水位的連續(xù)測(cè)量。

3 電路設(shè)計(jì)

智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器的電路主要包括DC/DC隔離、μC微處理器及脈寬調(diào)制輸出、電容振蕩電路、等電位驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤顯示、PWM輸出光電隔離、4-20mA調(diào)制輸出電路，其電氣原理如圖1所示。

3.1 DC/DC隔離

由于物位變送器要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，且還要接入其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些因素因異地“電勢(shì)地”不等電位，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字電路噪聲會(huì)對(duì)變送器產(chǎn)生電磁干擾。如果不采取有效措施，微弱的罐體電容有用信號(hào)會(huì)湮滅在噪聲中而不能被有效識(shí)別。因此必須將微處理器及相關(guān)電路與外圍驅(qū)動(dòng)電路實(shí)行DC/DC或光電隔離。

這里的DC/DC隔離指的是利用外圍驅(qū)動(dòng)電路提供的+5V調(diào)制電源，采用變壓器隔離方式為μC微處理器及外圍電路提供+3V電源。需要特別指出的是，滿足變送器4-20mA輸出的μC微處理器及外圍電路加上4-20mA調(diào)制電路的靜態(tài)總功耗不能超過(guò)3.5mA，市面上銷售的DC/DC隔離電源空載時(shí)遠(yuǎn)超過(guò)4mA，不能用做變送器的DC/DC隔離電源，在此必須用晶體管以自激方式搭建DC/DC低功耗隔離電源。

3.2 μC微處理器及脈寬調(diào)制輸出

μC微處理器是智能型蒸汽鍋爐變送器的核心處理單元，負(fù)責(zé)電容振蕩頻率計(jì)數(shù)的采集、電容量與振蕩頻率的非線性處理、重要標(biāo)定參數(shù)存儲(chǔ)、鍵盤操作顯示、用于4-20mA調(diào)制的脈寬調(diào)制輸出等。

3.3 電容振蕩電路

利用微處理器中的一個(gè)比較器，外加幾個(gè)電阻，便和罐體電容構(gòu)成振蕩電路，振蕩頻率從幾十kHz到幾百kHz。初始狀態(tài)時(shí)Vo輸出高電平約為Vdd（+3V），通過(guò)R4給罐體電容Cx充電，此時(shí)VaH=R3/（R1//R2+R3）*Vdd；當(dāng) Cx充電至高于VaH的瞬間，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平約為GND，Cx通過(guò)R4放電，此時(shí) VaL=（R3//R2）/（R1+R3//R2）*Vdd； 當(dāng) Cx放電低于VaL的瞬間，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，如此反復(fù)構(gòu)成電容振蕩發(fā)生器，振蕩發(fā)生器電路如圖2所示。

3.4 等電位驅(qū)動(dòng)電路

圖2 電容振蕩電路

為了防止在中心電極上會(huì)造成的物位測(cè)量誤差，構(gòu)造一個(gè)與中心電極等電位的第三電極，使其位于：中心電極——地電位（罐壁）——第三電極——地（罐壁）的位置，由于中心電極與第三電極電位相同，阻止了粘附在中心電極上粘附物上的電磁場(chǎng)通過(guò)，從而消除物位測(cè)量誤差。

圖3 4-20mA調(diào)制輸出電路原理

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試用情況

3.5 PWM輸出光電隔離電路

將物位PWM信號(hào)與變送電路進(jìn)行光電隔離可大大提供變送器的抗干擾能力。同樣基于4-20mA調(diào)制電路的靜態(tài)總功耗不能超過(guò)3.5mA的要求，需對(duì)光電隔離采取特殊措施。

3.6 4～20mA調(diào)制輸出電路

4～20mA調(diào)制輸出電路原理如圖3所示，正常工作時(shí)，運(yùn)放的輸入端可視為高阻等電位，故有：

取R1=2.475kΩ，R2=25Ω 故：Io=100Vin/Rin

使物位PWM輸出經(jīng)光電隔離濾波后的電壓為0.4-2.0V，Rin取10k，則Io輸出4-20mA。

4 現(xiàn)場(chǎng)試用

設(shè)計(jì)的智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器在沈東機(jī)械總廠蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上運(yùn)行，直接替換進(jìn)口差壓式水位變送器，用于變頻補(bǔ)水控制，現(xiàn)場(chǎng)布置圖片如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用，使用效果良好。

結(jié)語(yǔ)

文中研制的智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器，測(cè)量量程大，線性好，量程變化范圍自適應(yīng)，無(wú)需分段，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓環(huán)境下連續(xù)工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于所有飽和蒸汽鍋爐水位的測(cè)量。

[1]BURR-BROWN,4-20mA CURRENT LOOP TRANSMITTERS,2000.

[2]NXP Semiconductors,P89LPC970/971/972 User manual.23 October 2009.