一種智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器的研究與設計

郭宏偉 肖培林 李學鵬

（1.沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽鐵路局沈陽供電段，遼寧 沈陽 110000）

1 概述

蒸汽鍋爐水位是一個必須監控的重要參數，目前使用的監測蒸汽鍋爐水位的方法主要有三種：一是開關量輸出。這種方式可靠性高，不足是開關量輸出，一次性補水量過多，會造成蒸汽壓力、溫度下降過多，供熱不穩。第二種方式是第一種方式的擴展，將蒸汽鍋爐水位開關量輸出由四檔變成八檔，只不過是增加了另一種監測手段，仍不能做到連續水位信號輸出。第三種方式是目前實現蒸汽鍋爐變頻自動補水最常采用的方式，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。排污時須按嚴格的操作步驟操作平衡閥，否則會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是一種新型的電容式連續蒸汽鍋爐水位測量儀表，但大都由分立元器件組成，受干擾、溫漂大、標定難，不具備智能的功能。針對上述問題，本文設計一種智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器，該變送器有較強的抗干擾能力，并且溫漂小，現場標定簡單易行。

圖1 電氣原理圖

2 工作原理

電容式物位測量原理是基于電容器之電容量的變化，電容器實際上由筒壁與安裝于壁上但與其電絕緣的探頭組成。由于蒸汽介電常數大于空氣的介電常數，故探頭被鍋爐水完全浸沒時，系統電容量必定大于探頭被部分浸沒或完全裸露時的系統電容量。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換為頻率的變化，經過CPU運算處理實現蒸汽鍋爐水位的連續測量。

3 電路設計

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微處理器及脈寬調制輸出、電容振蕩電路、等電位驅動電路、鍵盤顯示、PWM輸出光電隔離、4-20mA調制輸出電路，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行遠距離傳輸，且還要接入其它數據采集系統，這些因素因異地“電勢地”不等電位，以及數據采集系統的數字電路噪聲會對變送器產生電磁干擾。如果不采取有效措施，微弱的罐體電容有用信號會湮滅在噪聲中而不能被有效識別。因此必須將微處理器及相關電路與外圍驅動電路實行DC/DC或光電隔離。

這里的DC/DC隔離指的是利用外圍驅動電路提供的+5V調制電源，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調制電路的靜態總功耗不能超過3.5mA，市面上銷售的DC/DC隔離電源空載時遠超過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，負責電容振蕩頻率計數的采集、電容量與振蕩頻率的非線性處理、重要標定參數存儲、鍵盤操作顯示、用于4-20mA調制的脈寬調制輸出等。

3.3 電容振蕩電路

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

3.4 等電位驅動電路

圖2 電容振蕩電路

為了防止在中心電極上會造成的物位測量誤差，構造一個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通過，從而消除物位測量誤差。

圖3 4-20mA調制輸出電路原理

圖4 現場試用情況

3.5 PWM輸出光電隔離電路

將物位PWM信號與變送電路進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調制電路的靜態總功耗不能超過3.5mA的要求，需對光電隔離采取特殊措施。

3.6 4～20mA調制輸出電路

4～20mA調制輸出電路原理如圖3所示，正常工作時，運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 現場試用

設計的智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器在沈東機械總廠蒸汽鍋爐控制系統基礎上運行，直接替換進口差壓式水位變送器，用于變頻補水控制，現場布置圖片如圖4所示。經現場試用，使用效果良好。

結語

文中研制的智能型電容式蒸汽鍋爐水位變送器，測量量程大，線性好，量程變化范圍自適應，無需分段，操作簡單，適應性強，可在高溫、高壓環境下連續工作，結構簡單，適用于所有飽和蒸汽鍋爐水位的測量。

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

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